很小的晶体管

B5月消，一个分布在美国和台湾的研究团队做出了一个令人震惊的消息他们已经掌握了用元素制造晶体管的技术一个纳米大小。

居住在厘米、米和公里的宏观尺度上，我们发现很难想象如此小的东西。例如，最细的人类头发的宽度约为17微米，即17000纳米。一个红血球的大小还不到它的一半——是一纳米大小的7000倍。直到你接触到一些细节在我们的细胞——像核糖体这样的细胞器，不知疲倦地将RNA链翻译成蛋白质——开始接近了。但即使是核糖体也比这种新型晶体管大20倍左右。

也许我们对一纳米宽度的物体的最好的比较来自于另一种我们难以想象的东西:原子。半导体通常在结构中使用一些硅，所以我们可以通过这种元素来获得规模感。虽然任何单个原子的宽度都会因量子的不确定性而变得模糊，但一个假设中的“完美”硅原子的宽度约为五分之一纳米。这意味着这些新型晶体管的组成部件只有5个原子宽。

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纳米多少?

• 一米:1,000,000,000纳米
• 行动缓慢的长度:500000海里
• 粉尘颗粒长度:1000 - 100000 nm
• 人的头发宽度:17000纳米
• 大肠杆菌长度:1000 - 2000nm
• 红光单波长:750 nm
• 单波长蓝光:450nm
• DNA直径:2.5 nm
• 硅原子:0.2纳米

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这一发现的规模之小令人难以置信，它重新点燃了我们对未来世界由“纳米技术”奇迹塑造的想象。

60多年前，诺贝尔奖得主、物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在美国物理学会做了一次演讲。在“底部有足够的空间，他承认我们在把东西做大方面做得很好:大建筑、大炸弹、大火箭。但是，费曼的理论是，也许我们一直在寻找错误的方向——或者更确切地说，错误的维度?为了寻找更好、更强大的机器，也许我们应该关注物质的基本排列?我们能“按我们想要的方式排列原子”，在原子尺度上构建任何一种机器吗?这难道不会让我们创造出功能强大的计算机和显微镜吗?

费曼的公开思想实验并没有激励他的物理学同行，而是消失得无影无踪，他的先见之明直到一代人之后才在新一代物理学家中得到广泛认可。费曼发表演讲时，伴随半导体革命而来的微型化技术取得了令人难以置信的进步，这给他们带来了灵感。半导体技术的进步遵循摩尔定律，这意味着到20世纪80年代初，纳米尺度终于进入人们的视野，成为一种可能在下一代内实现的技术。

这些新型晶体管的组成部件只有5个原子宽。

尤其是麻省理工学院(MIT)，成为了研究纳米技术所提供可能性的温床。领导这场运动的是一个名叫k·埃里克·德雷克斯勒(K. Eric Drexler)的研究生。他是一名工程师，头脑大，个性更强，激发了一群近乎狂热的追随者，影响了当时新兴的“超人类主义”运动中的一系列思想。

德雷克斯勒为一个由纳米技术塑造的世界起草了一份宣言出版了作为创造的引擎(1986)。他宣称，随着科学驾驭了原子尺度的机器，我们将发现自己将享受无穷无尽的财富、健康和智慧。他的所有追随者(我也算其中一员)都热切地期待着这个原子规模的繁荣未来。

德雷克斯勒完成了麻省理工学院的博士学位，出版于1991年作为纳米系统:分子机械、制造与计算．采用工程师对纳米尺度的方法，德雷克斯勒设计了与宏观尺度相同的齿轮、转子、开关和其他机械元件的纳米当量。纳米系统将纳米技术简化为一个工程问题，仅仅是制造一套积木的问题，就像许多乐高积木一样，这些积木可以被拼接在一起，产生无穷无尽的原子级机器，使纳米级的工作问题显得微不足道。

纳米系统把纳米技术变成了一个工程问题。

德雷克斯勒的蓝图直接影响了科幻小说作家尼尔·斯蒂芬森获得雨果奖的小说《钻石年代》(1995)，其中完全实现的纳米技术在很大程度上缓解了人类的需求——但有一些情节驱动的限制。

但当研究人员探索纳米尺度时，他们发现宏观尺度的可靠物理——使我们的机器既可能又可靠的规则——在底层的工作方式完全不同。本来应该平稳滑动的东西变得出乎意料地粘，或者以出乎意料的方式相互作用。宏观尺度机器的清洁和高效的设计并不能为纳米尺度的设计提供真正的见解。这两个领域按照不同的规则运作。

从20世纪90年代后半期开始，这种工程驱动的纳米技术的进展陷入停滞——就在研究人员意识到他们手头有另一个设计组合，充满了纳米级别的机械:自然。DNA或蛋白质组装核糖体信息编码的奇迹提供了一种经过数十亿年进化的谨慎保守的方法。计算机科学家兼生物学家汤姆·奈特妙语，“生物学是起作用的纳米技术。”

宏观尺度机器的清洁和高效的设计并不能为纳米尺度的设计提供真正的见解。

对自然纳米技术的详细研究直接导致了“合成”生物学——从非生物成分创造出有生命的系统。在过去的十年里，这项研究取得了第一个成果合成细胞以及自然设计模式的“工具箱”的开始，在这个十年中，它可能帮助我们建立类似德雷克斯勒纳米系统的东西。

从费曼，到德雷克斯勒，再到目前在纳米尺度上的工作，一直以来都有建立一个“纳米医疗”系统的愿景，实现一个神奇旅程一个小工具——一个“医生”，小到可以穿过我们的身体，对受损的组织进行修复。要做到这一点，你需要纳米计算机、纳米操纵器，最重要的是，纳米传感器——因为你不能在看不见的东西上操作。哥伦比亚大学的研究人员揭示了今年早些时候，他们制造了一个近纳米级传感器，如此之小(小于0.1毫米)^3.)，只有在显微镜下才能看到它，而且它足够小，可以安全地注射到体内。

然而，即使在可以制造它们的地方，纳米级系统也面临着一个熟悉的问题:如何为这么小的东西供电?它不能自己供电，我们也没有掌握从身体储存的能量中窃取能量的艺术。这些研究人员巧妙地使用超声波为他们的纳米传感器提供动力——这对人体组织是安全的，并且在任何纳米传感器决定捣乱时方便地提供一个“关闭”开关。研究负责人Ken Shepard谈到他的设备时说，它“对于开发能够感知不同事物的无线、小型化、可植入的医疗设备来说，应该是革命性的，它可以用于临床应用，并最终被批准用于人类使用。”

纳米传感器是最重要的——因为你不能对看不见的东西进行操作。

在某个时刻——也许是这十年，也许是下一个十年——原子级芯片制造技术和医用纳米传感器制造技术将相遇并融合成新一代的医疗设备。当你出现在急诊室时，医生可能不会让你进入一个巨大的、昂贵的扫描仪，而是向你的血液中注入大量纳米传感器，分析来自这些设备的数据流，从而更全面地了解你的疾病或损伤——以及他们的治疗方法。

这就是纳米技术完全实现的梦想。虽然与40年前相比，我们感觉它确实更接近了，但我们应该预料到，我们仍然有很多棘手的教训要学习，在底层。