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纳米技术的未来（译述）

时间：2005-08-11作者：nano点击：


Richard Jones

零火 译自PhysicsWeb - Physics World, August 2004


　　关于自复制纳米机器会成为吞噬地球的“灰色粘质”的景象可能只会存在于幻想中，但是“基本纳米技术”将会给社会带来巨大的利益。问题是我们将如何最好地实现这个目标。　　

　　纳米技术已经慢慢地进入通俗文化中，但是不是以科学家所喜欢的那种方式。有一个明显的例子在“Dorian”中——小说家Will Self重新改写的奥斯卡·王尔德（Oscar Wilde）的“The Picture of Dorian Gray”的现代版。在其中的一个场景，洛杉矶市郊的一座阴暗的工业建筑内，Dorian Gray和他的朋友们看到一排排的杜瓦瓶，里面放着冷冻着的躯体，等待着医学科学的发展直到能够治疗这些人的疾病。虽然Dorian的一个朋友怀疑技术再 怎么发展也不能修复解冻时引起的损坏，但是他的另一个朋友——Fergus——则更乐观一些。

　　“当然他们可以”Fergus说，“Dorian说他们将用叫做什么nannywhatsit的，和小机器人什么的来干这事——是吧，Dorian?”

　　“纳米技术，Fergus你说的很对，他们将使用具有超级智能的小机器人共同工作来修复我们被损坏的身体。”

纳米机器人
图1：公众对纳米技术的看法常常被类似的这些插图误导——对一个物理学家来说，这是非常不可信的——在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物。图片来源：Julian Baum/Science Photo Library


　　这种纳米技术将导致能在我们血液中航行的微小的机器潜艇的观点是十分普遍的，象（图1）那样的图片经常能在介绍纳米技术的出版物中见到。然而现今的纳 米技术产品却要普通的多——防污的裤子，更好的防晒霜以及用碳纳米管加强的网球球拍等。在技术的许诺和技术的现实之间有一道几乎是超现实的鸿沟。

　　这种不同的原因在于大部分纳米技术的定义都过于宽泛。他们假设任何在1-100纳米范围内控制与制造物质的技术分支都可被看作纳米技术。然而，许多被定义为纳米技术的成就却仅仅只是传统领域中的成果，如材料和胶体科学中的研究进展。这足以稍稍打破一些纳米技术的定义。

　　我们所说的“增值纳米技术”包括通过控制纳米尺度上的结构来改善材料的特性等。例如塑料，可以用纳米粘土颗粒来加强。使得它们更结实，更硬和具有更好 的化学抗性。化妆品可以配制成能更好地驱散油相，因此改善产品涂在皮肤上的感觉。这些是被我们称为基于纳米技术的商业产品，在它们后面的科学技术是成熟的 并且这些产品也确实比以前有了很大进步。然而它们并没有实现决定性的突破。

　　“进化的纳米技术”则使我们不仅仅在纳米尺度上重新设计材料，而且能实现真正的能做些事的纳米装置。这种装置可以，例如，感知周围的环境，处理信息或 者转换能量，象纳米尺度的传感器，可以使用碳纳米管的巨大表面和其他纳米结构材料来探测环境污染或者生化药剂。其他的进化纳米技术的产品则是半导体纳米结 构——例如量子点和量子阱——可以用来制作更好的固体激光器。

　　科学家也在开发更成熟的封装药物分子的方法并可以在合适的时候释放它们。

　　增值和进化纳米技术结合在一起正在推动当前的工业和学术兴奋点向着纳米尺度推进。进化纳米技术正在迈出巨大的步伐，越来越多的产品将在接下来的五年内出现在市场上。


　　灰色粘质和基本纳米技术

　　但是这些离Eric Drexler描述的纳米技术的景象有多远？在1986年Drexler出版了一本有影响的书叫做“创造的发动机：即将到来的纳米技术时代”，书中他设想 了可以以原子级精度动作的纳米机器。我们可以把这种目标称为“基本纳米技术”，Drexler设想了实现基本纳米技术的一种途径，采用坚硬的材料，例如钻 石，通过移动反应分子块到适当的位置来构成复杂的纳米尺度的结构。他的方法本质上来说是机械的，集成微小的齿轮，轴承和传动装置来制造微型机器人工厂，探 针和车辆（图2）。

纳米机器
图2： 最初的“基本”纳米技术的版本可以追溯到Eric Drexler——加州远景学院的创始人——他预见了可以精确操纵原子的纳米机器。他设想使用坚硬的材料，例如钻石，来制造复杂的纳米尺度结构，通过移动 反应分子块来实现。图中这种运动控制器，可以成为用来组装分子的纳米机器的一个部件。来源：K Eric Drexler/Institute for Molecular Manufacturing, http://www.imm.org/


　　Drexler的最引人注目的论点是，基本纳米技术可行是因为细胞生物学给我们提供了无数成熟的纳米机器的例子，例如驱动我们肌肉的分子马达，它可以 把化学能转化为机械能，并且拥有惊人的高效率，还有离子通道和离子泵（图3），它们可以控制通过膜的分子流。其他的例子还有核糖体——可以制造蛋白质分子 的分子机构，它可以按照DNA的指令一个氨基酸一个氨基酸地，精确地制造蛋白质。

生物纳米机器
图3： 细胞生物学为我们提供了数不清的成熟的纳米机器的例子。例如图中这种生物纳米机器，可以被膜上的电压或者信号分子驱动，开关钾离子通道，左图为关闭状态， 右图为开放状态。因此钾离子可以被选择性地通过膜（用黄色条表示）。来源：David S Goodsell, Scripps Research Institute/RCSB Protein Data Bank.


　　Drexler认为既然生物工作的这么好，那么研究者们应该做的更好。因为生物使用的是没有前途的柔软的材料——蛋白质，脂类分子和多糖分子——并且 使用的是受进化中产生的偶然事件限制的随机设计方法。虽然运动是通过改变这些分子的形状产生的，胜过宏观的齿轮和活塞运动，此外，分子是在与周围的分子不 断碰撞中运动的——大家都知道布朗运动——胜过管道输送。我们这些研究者们，却有着可供支配的最好的材料，我们当然能创造有效的能繁殖和适应环境的人工生 命形式，它们将会在与“常规”生命竞争资源的过程中取得胜利吗？

　　Drexler的书提出了一个大问题，我们设计的人工生命形式可能会产生失控的自复制机器，最终使得所有正常的生命都被灭绝。

　　我们会因为偶然或者恶意的设计，而制造出蔓延整个生物圈的自复制纳米机器人，使得资源被消耗光并且使得生命，包括我们人类自己被灭绝吗？ Drexler用“灰色粘质”的景象加强了这种令人恐慌的可能性，因此也触发了公众对纳米技术的怀疑，并引发了小说家Michael Crichton's 的灵感写成了小说Prey，并且很快被拍成了电影。

　　无论如何，很多科学家只是把Drexler关于微型纳米机器人的描述看成科学幻想，所以上述情况甚至不值得考虑。的确，Drexler自己也在最近声明说自复制机器毕竟不是分子纳米技术所必需的。


　　Drexler幻想的缺陷

　　我们现在检查Drexler的最初幻想的缺陷仍然是有意义的，因为它能给我们提供如何实现基本纳米技术的线索。例如，为什么在一个科学家的眼里纳米机 器潜艇的图片是那么的荒诞不经？原因在于这些图片假设我们在宏观尺度应用的工程原理可以被简单地缩小用于纳米尺度。但是在这样的尺度上的物理学是很不一样 的。设计用来在宏观尺度上工作的装置在缩小到微观尺度以后就会越来越难以工作。因此一艘纳米潜艇在微观尺度上的工作环境与它的宏观尺度上的兄弟是非常不一 样的。

　　小的物体具有小的雷诺数——与物体尺寸和流体速度及粘性的比值有关的一个无量纲的量。因此在此尺度上的主要运动阻力就由粘性力引起而不是惯性力。另 外，流动的分子由于布朗运动也会不断地撞击目标，因此潜艇会不断地被推来撞去，它内部的部件和机构也会在不断的随机运动中被弯曲和拉伸。还有一个不同是， 在纳米尺度上表面力变得很强：所以纳米潜艇很可能会被粘在它第一个碰到的表面上而动弹不得。这三个因素——低的雷诺数、到处存在的布朗运动和强的表面力 ——使得纳米尺度上的工程设计十分具有挑战性，至少在室温下的水中是这样。

　　那么基本纳米技术是否是不可能实现的呢？生物学告诉我们，与Drexler暗示的情况相反，生命通过数十亿年的进化，利用纳米尺度上起作用的特殊的物 理学，达到了高度优化的程度。细胞生物学使用的自组装和分子形状的改变规则极大地扩展了纳米尺度的特殊物理学的应用——也就是到处存在的布朗运动和强表面 力的应用。换句话说，如果我们要实现基本纳米技术，我们就应该使用柔软的材料并学习生物的设计范例。我们也不应该担心灰色粘质质，因为要想生产比自然产生 的生物体更加优越的纳米有机体是非常困难的。

　　
　　通向基本纳米技术的途径

　　即使纳米技术传教士的最极端的想象没有发生的可能，纳米技术——在纳米尺度上的能做些事情的机器结构——当然还是会在我们的生活中扮演越来越重要的角 色，在接下来的半个世纪中。这些新技术是否会产生革命性的冲击还很难说。科学家通常会过高估计10年内能做到的事情，但是却会过低估计50年内能做到的事 情。

　　有时在纳米技术的伟大景象——带机械手的纳米潜艇正在修复我们的身体——和它的实际现实——改进的洗发香波和空调器之间的差异使人沮丧。但是我们在纳 米尺度上操纵物质的产业化过程中获得的经验却是慢慢会变得价值不可估量的。同样的，我们也不能忽视纳米技术的很多早期应用本质上说就是个玩具——儿童的或 成人的——就像数据存储技术现在被数码录像机和便携式音乐播放机（例如苹果的ipod）等的需求推动向前一样，这些明显幼稚的应用却将提供激励和资源推动 技术向前。

　　但是哪种关于基本纳米技术的设计哲学将会成功——是Drexler的“钻石结构”幻想还是某些更接近细胞生物学的奇妙的发明呢？一种寻求答案的方法是 在现有的微电子技术的基础上继续小型化。这种“从上至下”的方法，使用照相制版术和蚀刻术，已经被用来制造被称为“MEMS”的微机电系统。这种系统已经 商业化并且可以制造只有几个微米长的部件——例如安全气囊中使用的加速度传感器就是个众所周知的例子。我们要做的就是缩小这些系统的尺寸到纳米机电系统, 或者称为“NEMS”。

　　这种“从上至下”的方法的优势在于一大堆的技术和知识我们已经都具备了。这方面的投资，在生产和研发两个领域，都是巨大的，实际上是由电子和计算机工 业的巨大的经济力量所推动。但是，象我们看到的那样，这种方法的劣势在于这种技术能做到多小受限于物理的和经济的双重限制。虽然工业界已经向我们显示了在 克服看起来不可越过的障碍时的灵活性——新的紫外光源和移相掩膜已经可以使得100纳米以下的产品商业化——但是可能这种好运快要到头了。更基本的问题是 纳米世界里的布朗运动和表面力的重要性，强的表面力会使得NEMS装置被粘在一起动不了并且完全失灵。


　　向自然学习

　　那么我们怎样向生物界学习和这些纳米世界的“颗粒”一起工作呢？最直接的方法就是研究自然提供给我们的现成的装置。我们可以分离它们的部件，例如分子 马达，然后把它们与我们的人造装置混合组装起来。例如，纽约大学的Nadrian Seeman等人向我们展示了具有自组装特性的DNA分子是如何被用来建造复杂的纳米尺度结构和装置的（图4）。另外一种方法是从一个完整的，活的生物体 开始——可能是个简单的细菌——然后通过遗传工程产生一个仅仅包含我们感兴趣的部件的简单版本。

DNA纳米机器
图4： 一种通向纳米技术的途径——通常叫做生物纳米技术——剥离并部分地组合成较复杂的人造纳米结构，具有部分的生物学特征。图中的结构是由纽约大学的 Nadrian Seeman用特殊设计的自组装DNA分子制作的。来源：N C Seeman 2003 Biochemistry 42 7259-7269


　　你可以把这种方法——通常称为“生物纳米技术”——看作通向纳米工程的Mad Max或者Scrap Heap Challenge方法。我们正在拆开并部分地组装一种很复杂的并且目前只了解一部分的系统来得到某种能工作的东西。这种方法基于这样的事实，即进化—— 自然的非凡的最优化工具--已经生产出了非常有力和有效的纳米机器。我们现在已经获得足够的生物学知识来分离细胞中的部件并且在细胞外面的环境中使用它们 ——象图5显示的加州大学洛杉矶分校的Carlo Montemagno和康内尔大学的Harold Craighead共同所做的工作。这种方法是较快的并且很有希望实现基本纳米技术的方法。

混合装置
图5： 生物纳米技术基于进化可以产生非常强大和高效的纳米机器这样一个事实。我们现在可以分离细胞中的构成部件，并且在某些条件下，可以在活细胞以外使它们运 转。图中的混合装置，由加州大学洛杉矶分校的Carlo Montemagno和康内尔大学的Harold Craighead开发，用镍棒的阵列组成（a），每个棒高度为200纳米直径80纳米。在每个棒上端安装有一个生物旋转马达（b）。一个纳米螺旋桨 （c）——长度为750-1400纳米直径150纳米——被固定在马达的转子上。另外的“ATP”燃料供给整个装置（d）使得螺旋桨转动。来源：R K Soong et al. 2000 Science 290 1555-1558


　　随着我们了解更多的生物纳米技术，我们就可以使用一些生物学的设计方法并用于人造材料。象生物纳米技术一样，这种“生物模仿纳米技术”依赖于纳米世界 的特殊物理学。当然，即使复制生物体中最简单的机构也是非常困难的。例如蛋白质，作为酶来说工作的很好，因为组成它们的氨基酸的特殊排列顺序是在进化过程 中从无数种的可能性中选择出来的。所以当我们设计人工分子时，我们必须注意到进化是怎么实现的。

　　除掉这些困难，仿生纳米技术将使我们能做些有用的事情——即使很粗糙。例如，ALZA，J&J的一个子机构，已经可以把一种药物分子卷起来放进一个纳米容器中——容器的球壳是由双层磷脂分子构成的——并传送到人体中需要的部位，然后打开并释放药物分子。

　　我并不认为Drexler提供的方法——基于坚硬材料的机械装置——与任何物理学定律冲突，但是我担心这种方法的支持者们会低估在纳米世界中将遇到的 某些特别情况。在宏观工程中所允许的公差在纳米世界却很难实现因为机器会被布朗运动撞击并强烈振动。找到能在表面滑动不会被粘住并且摩擦力不是很大的方法 将会是很难的。和使用硅材料的“从上至下”的方法不同，我们在这条路上没有多少经验和技术，也没有巨大的经济动力推动研究向前。并且和生物纳米技术与仿生 纳米技术不同，这种方法是与纳米世界中的颗粒和特殊物理学作斗争而不是与之共生。因此Drexler提出的实现纳米技术的方法，换句话说，是达到结果的可 能性最小的方法。


　　关注与担心

　　假设某种基本纳米技术是可能的并且可行的，问题是我们是否愿意让它发生。大约50年前大家普遍认为科学进步对社会是有益的，但是现在却不是这样了。在 某些地区，出现了要求谨慎对待纳米技术的呼声，在最极端的例子中，人们要求延期开发这种技术。基于这些关注，英国政府去年要求皇家学会和皇家工程院完成对 纳米技术可能带来的利益与问题作一个深入的调查。这份报告，基于公众的广泛的协助，刚刚被公布。

　　有两个公众关心的主要问题。第一个是与已经或将要投放市场的增值纳米技术有关——也就是说更细小的物质可能比我们通常接触到的更有毒，争论继续说，如果物质特性与尺寸如此相关，那么在较大状态时无害的物质变小后可能会变得更有毒并且更容易进入我们体内。

　　我们知道材料的物理形态会彻底地影响它的毒性。一个例子如石棉，有两种化学性质一样的形式——蛇纹石棉和温石棉，前者是无毒的矿物，由原子薄片层构 成，后者则包含有纳米尺度的管状结构。暴露在后者这种管状结构中的人多数死于肺癌和其它疾病。碳纳米管，象温石棉一样，是把层状结构卷起来的形式，它本身 是无毒的石墨。虽然我们没有权威的证据表明碳纳米管是危险的有毒的，但是在我们面对它的时候是应该小心的。毕竟，任何新的材料都是潜在的有毒物。

　　新材料进入工作场所的控制现在比过去要严格多了，我们要认识到材料的特性同样依赖于它的物理外观和化学内涵。但是我们不必假设所有的纳米尺度的材料天 生都有毒。发布全面的禁令是荒谬的也不可行的，因为我们已经了解了很多种形式的纳米微粒并且知道它们是安全的。如果我们要完全地避开纳米微粒，我们就必须 放弃喝牛奶，因为它里面都是纳米尺度的干酪素微粒。

　　进化纳米技术当然会导致很多社会的变化，所以我们应该认真对待。它会使计算变得如此强大和便宜以至于每件产品或者小玩艺——不管卖多少钱——都能处 理、感知和传送信息。收音频率识别芯片，市场上已经有了，仅仅是个开端。但是廉价、强大的处理能力——当与大容量存储器和自动图像处理结合后——将会是极 权者的梦想和自由论者的噩梦。

　　公众的第二个对纳米技术的担心——超越了具体的社会、环境和经济因素——是关于人与自然的正确关系。从自然中获取活的生物体然后重新组装和重构它们的 基本结构并与人造机构混合是对的吗？通过用人造物取代体内的活组织，我们是否模糊了人和机器的界限？这些担心是其他的对纳米技术的担心——例如“灰色粘 质”问题——的基础。当然对失控的担心是对任何技术都适用的。问题是它是否真的因该现实地考虑。

　　我们应该清楚这一命题意味着什么：即我们可以通过制造完全人工的生命形式来实现超越自然的进化，它们将比生物体本身更好地适应地球的环境。这种技术在 20年内都是不现实的——可能要过很长的时间。我们对生物自身的工作机制还不怎么了解呢。我们已经有了一个部件列表，但是却不知道它们是如何组织成一个复 杂的系统并运作的。然而，我们对自然在纳米尺度上的工程技术的了解会迅速增长，模拟生物体的某些功能也将能帮助我们认识生物是如何运作的。

　　那么开发一种不同的比现有的更好的生命形式是否在理论上可行呢？为了找到答案，我们需要了解生物是多么完美地适应环境，我们要知道生物开始了多少次并 尝试了多少种不同的设计，我们要知道是否存在更好的设计，因为机遇或者偶然而被排除了。进化是一条解决生物最优化问题的有效途径。它总是能发现最好的可能 解决方案吗？可能不是，但是如果我们能做的比它更好的话，我会非常惊讶的。

　　 The future of nanotechnology