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激烈争夺,力求领先
“纳米技术”,也称“毫微技术”、“超微技术”。1纳米只有1米的10亿分之1,只有一个中等大小的原子直径的十几倍,大约等于1根青春期女性头发直径的10万分之1。“超微技术”如同“超导技术”、 “生物基因技术”、“受控热核技术”等当代最尖端“领先技术”一样,近30年来,一直是国际实验物理学界探索的最重要的课题之一。
1988年5月27日, 美国加利福尼亚大学的两位华裔科学家小心翼翼地给一只他们研制成的只有0.075毫米的试验装置通了电。 当他们紧张不安的视线,通过电子显微镜,确认这只超微马达已经高速旋转时,激动得紧紧拥抱。人类的现代超微技术在这一天,实现了第一次大突破。
1991年11月,日本电子公司的科研人员在当时最先进的“电子隧道扫描显微镜”下面,用特殊的超微针尖将硅原子排成金字塔形的“四棱锥体”。它只有36个原子一样高。这是人类首次用手工排列原子,当时在世界微观物理学界引起轰动。这是第二次大突破。
近来,国际毫微物理学界,在一系列重要的领域,展开了激烈的竞赛。这是当代超微技术界的一大新特征。1996年7月, 美国哈佛大学毫微技术中心的专家阿德,在召开的新闻发布会上宣告,他们已经研制出一种“极微机器人”,体积是普通跳蚤的1/10, 其中用硅材料制成的涡轮机直径只有7微米。一张邮票上能放几千个这种涡轮机。 只有在超高倍电子显微镜下才能看清楚它的外形和结构。阿德还幽默却又不无得意地说:“你观察时还得憋住气。千万得记住,你的鼻孔只要‘溜出’一丝一毫气息,就一定会把这种涡轮机吹得无影无踪。你永远也别想找到了。”这是人类首次制成“纳米级”的机器人,称得上是第三次大突破。
以后这种突破越来越频繁。最近,法国巴黎的国立超微技术研究所又研制出一种超微型电池,长和宽都是0.004微米,厚度为0.004微米。该所的发言人在新闻发布会上踌躇满志地描绘:“请注意,它的体积只相当于一个红血球的0.5%。作个形象的比例吧, 如果把你的电子表中黄豆大的钮扣电池比作巨大无比的蓝鲸,那么这种超微型电池充其量也不过只有1根毛发丝的粗细。诸位可别小看它,它可产生30毫伏电压, 还能连续使用75分钟呢。这在当今世界上,它所代表的水平毫无疑问是首屈一指的。”
给病毒称体重
更奇妙的是,纳米技术的新成果的出现常常出乎探索者的意料。这方面,“病毒秤”的出现就是典型的实例。
1999年3月的一天, 美国和巴西的几名科学家在里约热内卢的一家超微材料实验室,进行纳米碳管的强度和柔韧性实验。同往常一样,这是一次艰难的实验。实验结果并不理想。看来,这只是他们进行的几十次同样实验的一次。当他们长长松了一口气,准备结束时,一名巴西科研人员却还盯住超高倍电子显微镜,久久凝视着,并不断摆弄着实验中的原子材料。
突然,他激动地叫了起来:“我们可以发明一种秤,一种世界上最小的秤,或者说一种可以称世界上最小的东西的秤!”
原来准备下班的科研人员都兴奋地围上来了。大家盯着电脑显示屏看了一会儿,都恍然大悟。大家立即对这“杆”秤进行严格的论证。结果证实,它可以称的最小重量为10亿分之1克。
“这相当于一个病毒的重量。”一名美国科学家说。这下提醒了在场的人们,热情高涨的他们立即决定,随即就进行“称病毒”的实验。于是,他们立即与当地一家微生物所联系。不久,该所一名微生物学家带来了一个里面藏着感冒病毒的试管。在他的帮助下,一个感冒病毒被分离出来了。随即就称它的体重。结果为5亿分之1克。
这是人类首次利用秤精确称出一个病毒的重量。以前,科学家们对病毒的体重都是根据现有的材料作的估计。它表明,病毒的体重对人们的估计来说要稍重一些。
超微材料实验室和微生物研究所的负责人在联合向记者透露这一消息时强调,这种秤在微生物科研领域价值重大。因为,病毒的体重差异较大,通过确定不同的重量,不仅可以区分不同的病毒,而且可以发现新的病毒。近年来,微生物学家不断地报告发现新的病毒,由于无法说明新病毒的精确体重,往往给界定带来困难。而病毒的分类与新病毒的确定,在微生物研究上意义巨大。
中国后来者居上
1997年6月, 美国得克萨斯州的计算机技术研究中心的高级研究员麦考莱·威利在休斯敦宣布,他们已经运用当时最新的纳米技术,造出了只有半截小指大小的计算机硬盘(见左上附照)。
1998年1月,该中心又造出最小的计算机微处理器(CPU),竟然只有2平方毫米,可以穿过普通缝衣针的针眼(见右下附照)。 用这种芯片同上述的硬盘装配成电脑,只有一个大衣钮扣一样大小,只能用笔尖或发夹尖操作。
值得自豪的是,中国在纳米技术的重要领域——微马达研制方面,后来者居上,处于世界领先水平。
最近,上海交通大学信息存储研究中心研制成功了世界上最轻的电磁型微马达。它的体积相当于一粒芝麻的1/8,重量仅12.5毫克,直径为1毫米,高度为0.7毫米。
上海科技情报研究所利用国际联机检索证实,上海交通大学研制的这个马达轻于美国和日本研制的最先进的同类产品。
除了重量特轻与体积特小外,这种微马达还具有输出力矩大(达1.5微牛顿米)、转速快(最大转速为每分钟1.8万转)、运行寿命长、 转换的效率高、转速可调与转向可逆等多种特点。也就是说,它的综合技术达到世界一流水平。
有关专家强调,这种微马达在21世纪的国防军工、航空航天、微机器人、生物医疗、自动控制等技术领域都有重要的应用价值。对此,美国斯坦福大学有名的“现代超微物理学”专家本切明·钦博士新近对超纳米技术的各种应用前景,做了这样引人入胜的具体描述——
“未来的微型机器将是高度智能化的人造的跳蚤、蜘蛛、蚊子、小虫等‘微型机器动物’或‘超微机器人’。它们集超微型的电脑、驱动器、传动装置、传感器、电源等于一体,成为人类十分独特、非常得力的助手。
“它们将广泛应用于医疗、农业、工业、航天、军事等各个领域。除了人们时下津津乐道的注入血管清除毒物外,在外科手术上还可用微型马达来缝合神经、微细血管、眼球等等;还可用智能机器人深入到内脏如肾、心肺等作微细检查。将成千上万的‘跳蚤机器人’撒入农田咬死害虫,使农业丰收,又防止了因使用农药造成的环境污染。
“值得一提的是,纳米技术对基因工程意义巨大,因为运用这种技术可以深入到细胞内部进行基因改造,例如变换脱氧核糖核酸的分子结构,从而制造出人类从来没有过的奇特的动物植物,甚至‘新人种’。总之,我们可以说人类即将进入这样一个‘用单个原子创造出美好新世界’的时代”。