一根碳納米管，就是一個(gè)收音機(jī)，可以接收無線電信號(hào)，并播放音樂。

撰文 埃德·里吉斯（Ed Regis）
翻譯 郭凱聲

    納米技術(shù)堪稱“下一代科技領(lǐng)袖”最熱門的候選者。最激進(jìn)的倡導(dǎo)者宣稱，納米技術(shù)其實(shí)就是一套分子制造系統(tǒng)，可以通過機(jī)械方法讓一個(gè)一個(gè)分子彼此相連，自動(dòng)構(gòu)架出各種各樣的結(jié)構(gòu)，最終制造出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的成品。

    然而，事實(shí)卻并非如此?！凹{米”這個(gè)術(shù)語已經(jīng)被過度濫用，幾乎任何微小物件都在用“納米”這個(gè)名字為自己臉上貼金，甚至連機(jī)油、防曬霜、唇膏、滑雪蠟之類的商品都號(hào)稱含有“納米粒子”。即使如此，誰又能料想得到，第一批真正可以發(fā)揮作用、能夠?qū)晔澜绠a(chǎn)生明顯影響的納米器件當(dāng)中，居然會(huì)有收音機(jī)呢？

    2007 年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家亞歷克斯·策特爾（Alex Zettl）及其同事發(fā)明了一種納米管收音機(jī)，擁有一身令人稱奇的好功夫：?jiǎn)螁我桓技{米管就可以接收廣播信號(hào)，放大并轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，發(fā)送到外接擴(kuò)音器上，讓人耳能夠輕松識(shí)別不信？好吧，請(qǐng)登錄www.sciam.com.cn，親耳聽聽它播放的歌曲《Layla》。納米收音機(jī)的發(fā)明者指出，這種收音機(jī)或許能催生一系列全新的應(yīng)用，比如可以完全放進(jìn)耳道（ear canal）的助聽器、手機(jī)和iPod 等等。策特爾宣稱，納米收音機(jī)將“輕松嵌入一個(gè)活細(xì)胞。到時(shí)候，制造一個(gè)與大腦或肌肉功能接口的裝置，或者能用無線電控制在血管中游動(dòng)的器件將不再是夢(mèng)想”。

納米管的魅力

    納米器件體積極小，重力和慣性效應(yīng)影響甚微，而一些微弱的電場(chǎng)卻能在納米世界里興風(fēng)作浪。

    策特爾率領(lǐng)30 多名研究人員，致力于分子尺度器件的研究工作。納米管具有不同尋常的結(jié)構(gòu)，成了他們的研究重點(diǎn)。盡管誰先發(fā)現(xiàn)納米管仍具爭(zhēng)議，但納米管能在科學(xué)界大出風(fēng)頭，應(yīng)歸功于日本物理學(xué)家飯島澄男（Sumio Iijima）。1991 年，飯島教授宣布，他在發(fā)出電?。捶烹娝纬傻拿髁粱铋W光）的石墨電極頂端發(fā)現(xiàn)了一些“針狀碳管”。

    這些納米管的特性令人稱奇。它們大小相差懸殊，形狀多種多樣，包括單壁管、雙壁管和多壁管等。其中有的直，有的彎，有的甚至首尾相接形成環(huán)，就像一個(gè)面包圈。但所有納米管都具有一個(gè)共性，那就是擁有相當(dāng)高的抗拉強(qiáng)度（tensile strength，材料被拉斷前能承受的最大應(yīng)力）。

    策特爾指出，納米管之所以具有這種非凡特性，是因?yàn)椤耙环N自然界中最牢固的化學(xué)鍵將碳納米管內(nèi)的碳原子結(jié)合在一起”。單壁納米管還具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，不但大大超過銅、銀等金屬，甚至還超過了超導(dǎo)體 （superconductor）?！斑@是因?yàn)殡娮釉诩{米管中移動(dòng)時(shí)不會(huì)撞上任何東西，”他解釋說，“納米管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)直是太完美了?！?/p>

    策特爾決定要打造一種能夠通過無線方式彼此聯(lián)系，并能無線發(fā)送探測(cè)結(jié)果的微型傳感器，納米收音機(jī)的創(chuàng)意由此產(chǎn)生。他說：“這類器件將監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況。”把這些傳感器件安置在一座工廠或煉油廠周圍，它們便會(huì)把探測(cè)結(jié)果發(fā)回到某個(gè)收集站。任何人只要登錄谷歌，“點(diǎn)擊某城市名稱，就能查看當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)空氣質(zhì)量了”。策特爾希望發(fā)明一種納米管質(zhì)量傳感器，在以此為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)中，他的研究生肯尼思·詹森（Kenneth Jensen）發(fā)現(xiàn)，如果將碳納米管一端固定于某一表面，形成一根懸臂梁（cantilever），當(dāng)一個(gè)分子落在懸臂梁的自由端時(shí)，懸臂梁就會(huì)振動(dòng)。分子質(zhì)量不同，振動(dòng)頻率也就不同。策特爾注意到，這些振動(dòng)頻率覆蓋了某些商業(yè)無線電頻段，于是把這種懸臂式納米管做成收音機(jī)的構(gòu)想就變得再誘人不過了。策特爾知道，一臺(tái)收音機(jī)至少有四個(gè)基本部件：天線，用來接收電磁波信號(hào)；調(diào)諧器，從所有正在廣播的頻道中選擇想要收聽的頻道；放大器，用于增強(qiáng)信號(hào)；解調(diào)器，將信號(hào)中的有效信息從攜帶信息的載波中分離出來；有效信息被傳送到外接揚(yáng)聲器上，由揚(yáng)聲器將這部分信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以聽得到的聲音。

    碳納米管注定會(huì)成為這種收音機(jī)的核心器件，它集優(yōu)秀的化學(xué)特性、幾何特性及電氣特性于一身。只要把這個(gè)微型裝置放在一組電極之間，便能同時(shí)具備上述四種功能，而無需其他部件。

    策特爾和詹森首先制定了一個(gè)總體設(shè)計(jì)方案。此方案要求在電極末端做出一根多壁碳納米管，就好像是插在山頂上的旗桿。之所以選用多壁管，是因?yàn)樗绕渌技{米管略大，而且更易安置在電極表面，不過后來他們也曾用單壁碳納米管制作出一臺(tái)納米收音機(jī)。這種多壁管長(zhǎng)約500 納米，直徑10納米，大小與形狀都同某些病毒差不多。它可以通過納米操控技術(shù)（nanomanipulation）安置在電極上，或者通過所謂化學(xué)氣相沉積法［chemical vapor deposition，從電離氣體（ionized gas）中沉積出一層又一層碳原子］直接在電極上生長(zhǎng)出來。

    電極頭圓圓的， 就像半個(gè)巴基球（buckyball），不遠(yuǎn)處有一個(gè)反電極（counterelectrode）。在這兩個(gè)電極間施加一個(gè)很小的直流電壓，便會(huì)產(chǎn)生一股從納米管端頭流向反電極的電子流。這個(gè)發(fā)明的想法就是，無線電廣播中的電磁波會(huì)撞擊納米管，使納米管隨著電磁信號(hào)的振動(dòng)而發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。既然納米管能與入射的無線電波共振，它就能起到天線的作用，當(dāng)然這種天線的工作原理與傳統(tǒng)收音機(jī)天線不同。

 解剖最小收音機(jī)
    只用一根納米管，便可實(shí)現(xiàn)部件眾多的普通收音機(jī)的所有功能。由于納米管極其微小，因而它一遇到無線電信號(hào)便會(huì)快速振動(dòng)。把這根納米天線與外圍電路接通，我們便可以操縱它完成選臺(tái)、放大，將音頻成分同無線電波的其他成分分離開來（解調(diào)），最終使我們能聽到“海灘男孩”或喬治·弗雷德里克·漢德爾的音樂

納米管收音機(jī)

接收

    普通收音機(jī)的天線通過電磁效應(yīng)接收信號(hào)，也就是說，電磁波在天線內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，但天線本身始終靜止不動(dòng)。而在納米收音機(jī)中，納米管是一個(gè)極其纖細(xì)、輕巧的帶電物體，入射的電磁波足以推動(dòng)它機(jī)械地來回運(yùn)動(dòng)?！凹{米世界神奇無比，與宏觀世界大不一樣，”策特爾指出，“納米器件體積極小，以致重力和慣性效應(yīng)影響甚微，反倒是殘余電場(chǎng)對(duì)這些小玩意兒起主要作用?！奔{米管的振動(dòng)會(huì)改變從納米管端頭流向反電極的電流——用專業(yè)術(shù)語說就叫做場(chǎng)致發(fā)射電流。場(chǎng)致發(fā)射（field-emission）是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，也就是一個(gè)較小的外加電壓可以引發(fā)一個(gè)物體（如針尖）的表面發(fā)射出一股較大的電子流?；趫?chǎng)致發(fā)射的工作原理，人們不僅期望納米管能充當(dāng)天線，還希望它能完成信號(hào)放大任務(wù)。入射到納米管的微量電磁波將使納米管振動(dòng)著的自由端釋放出一股較大的電子流。這股電子流將放大入射信號(hào)。

    下一步就是解調(diào)（demodulation），也就是把聲音或音樂等有用信息從無線電臺(tái)發(fā)射的載波中提取出來。在調(diào)幅（amplitudemodulation，AM）無線電廣播中，這種分離是靠整流濾波電路來實(shí)現(xiàn)的，這種電路只對(duì)載波信號(hào)的振幅有反應(yīng)，對(duì)頻率則完全無視。策特爾的團(tuán)隊(duì)推想，納米管收音機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)這一功能：當(dāng)納米管隨著載波頻率發(fā)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)，它同樣也會(huì)響應(yīng)載波中編碼的信息成分。說來也巧，整流正好就是量子力學(xué)場(chǎng)致發(fā)射與生俱來的一項(xiàng)特質(zhì)。這就意味著，從納米管流出來的電流僅隨信號(hào)中的編碼成分（ 即被調(diào)制的信息成分）而變，載波則被拒之于門外了。這一功能的實(shí)現(xiàn)不需要任何額外電路。

    簡(jiǎn)單地說，電磁信號(hào)到來時(shí)會(huì)引起納米管的振動(dòng)，納米管在這一過程中起著天線的作用。納米管振動(dòng)端將信號(hào)放大，同時(shí)依靠?jī)?nèi)建整流裝置的場(chǎng)致發(fā)射特性使載波與信息成分分離。然后反電極將探測(cè)到場(chǎng)致發(fā)射電流的變化，并把歌曲或新聞等廣播內(nèi)容傳送到揚(yáng)聲器，由揚(yáng)聲器把信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ā?/p>

本文作者：

埃德·里吉斯撰寫過7 本科學(xué)著作，包括不久前問世的《什么是生命：在合成生物學(xué)時(shí)代探秘生命本質(zhì)》（What is Life ：Investigating the Nature ofLife in the Age of SyntheticBiology）。該書介紹了構(gòu)建人工活細(xì)胞的開創(chuàng)性嘗試。里吉斯夫婦目前隱居于美國(guó)馬里蘭州戴維營(yíng)附近的山區(qū)。