技术与２１世纪经济系列报道（之十四）纳米技术：下一次浪潮

【美国《商业周刊》８月３１日一期文章】题：下一次浪潮（作者  尼尔·
格罗斯  奥蒂斯·波特）
研究小组中的一位新成员在圣巴巴拉加州大学的一间化学实验室里悄无声息、
富有成效地忙碌着。她准确无误地铺下一层超薄有机基质。在这层基质上，她把连
结在一起的方解石晶体按原子逐个排列好。这两层物质构成一个精巧的晶格。
但是，盖伦·斯塔基教授和丹尼尔·莫尔斯教授研制新材料的这间实验室没有
洁净室、真空箱和齿轮。而且，这位“小组新成员”并不是普通的研究人员。她是
一种软体动物──鲍鱼。像大自然的许多创造物一样，鲍鱼经过几百万年的进化获
得了一种形式奇特的分子机器来构筑她的外壳。这种机器使当今最好的制造工具相
形见绌。
向微观世界跃进
在圣巴巴拉和其他成百上千个研究中心，科学家和工程师们正在为下一场伟大
的技术革命──向微观世界跃进──做准备。大自然具有无可比拟的创造力，在自
我复制的“工厂”里，在原子水平上，设计和制造贝壳和蛛网这些坚固耐用、用途
广泛的材料。科学家想模仿这种创造力，开创２１世纪的新兴产业。朗讯公司下属
的贝尔实验室物理研究室主任彻丽·默里若有所思地说：“按原子逐个排列──这
就是大自然设计和制造物质的方式。如果能在原子水平上进行设计，就能根据需要
制造出任何材料。”
告别个人计算机缺陷这个最终目标在很大程度上仍然遥不可及，但是高技术
领域正处于变化的边缘。很多高技术公司的研究机构已经奇迹般地展示了一系列新
奇的、功能远远超过当今芯片的微型装置。在今后５０年中，这些所谓的“微型机
电系统”（ＭＥＭＳ）把传感器、电动机和数字智能装置集中在一块硅片上。它们
很有可能取代计算机硬件、汽车引擎、工厂装配线和其他很多生产过程和产品上使
用的较为昂贵的部件。眼下正在为这些装置编写的软件有望既不出现目前个人计算
机程序中存在的缺陷，也不会像现在那样冗长。
再看远一点──大概再过１５─２０年──高科技空想家们预见到一场更加
激进彻底的变革。这场变革的主体不会是体积更小、价格更便宜和速度更快的电子
装置──尽管我们将大量拥有这样的装置。科学家们谈论的这场变革的全部内容就
是驾驭大自然本身的创造机器。
首批成果举目可见
在医学领域，这场变革意味着衰竭的人体器官可以得到修复和更换。在制造领
域，它意味着驾驭分子来制造有用的装置──就像晶体和活的生物构造自身的方式
一样。即将到来的这次微型化和分子电子装置浪潮──有时称作纳米技术──正在
化学、物理学、生物学和电子工程学的交叉领域形成。如果这次浪潮如很多科学家
预测的那样出现，那么它将引发一场比２０世纪末达到鼎盛的微电子装置更加引人
注目的大规模行业变革。
没有人会无视这些挑战的艰巨性。原子在室温条件下存在于我们尚不完全了解
的力控制的动荡的世界里。目前最好的理论、科学仪器和计算机模拟技术只能为我
们进入这个世界提供有限的能力。
那么，为什么有这么多科学家相信会发生一场分子革命？因为一些必要的技术
已经变得触手可及。换句话说，工程师们已经在深入探究大自然尚未揭开的奥秘。
纳米工程师相信，他们能够在这个基础上找到用桀骜不驯的原子构成所需材料的新
方法。首批成果──虽然不完全在原子水平上──已经举目可见。贝尔实验室为它
能用基质制造芯片而感到自豪。罗切斯特大学的研究人员耐心地把聚合物分子组成
空心柱和实心环。这些装置一旦制造完成，本身必定会为很多行业节约巨额资金。
圣巴巴拉加州大学的工程学院院长温卡特什·纳拉亚纳穆尔蒂说：“因特网与即将出
现的技术相比实在是相形见绌。”
经济意义引人注目
随着微型机电系统的出现，经济意义显而易见地发生了变化。早期投入批量生
产的应用装置包括在汽车相撞时启动气囊的微型加速度计以及其他多种工业传感器
。但是正如桑迪亚国家实验所负责微型机电系统研究的保罗·麦克沃特描述的那样
，下一次浪潮会汹涌得多。如果把微型机电系统设置在网络中，它们就会互相传递
信号，并执行信息处理任务。在不太久远的将来，微型机电系统将操纵飞机，开展
健康监测，还能为地震、飞机零部件故障、桥梁裂缝等发出警报。
由于大多数微型机电系统芯片上的电路数目少于存储器芯片和微处理器上的电
路数目，因此人们能够以低廉的造价在原有的芯片生产线上进行生产。贝尔实验室
的默里说，这是全新技术革命的标志。过去的一些突破性装置在推向市场时附带一
些优惠条件，但这些装置仍然很少得到使用。默里说，微型机电系统从一开始就“
可以大批量低成本生产”。这种状况有可能打破旧的经济秩序。
影响多个领域
默里说，电信行业将是一个非常重要的试验场。朗讯公司、西门子公司和Ｔｅ
ｌｌａｂｓ公司的工程师们希望在短短两年之后就有可能着手把下下代电话机和数
据网络完全浓缩到微型机电系统上。他们瞄准的这项研究是一种称作波分复用的新
的高速光传输方式。朗讯公司下属的贝尔实验室已展示了如何用雕刻在微型机电系
统上的微小的镜片取代目前昂贵的装置。把这种高速传输方式同卫星技术结合起来
就能使长途通信费用降为零。默里说：“这将改变开会、处理银行业务、传送信息
和处理各种事务的方式。”
无线微型机电系统展现了类似的前景。洛杉矶加州大学由５０人组成的一个研
究小组正在研制单芯片微型机电系统无线电接收发射装置，用以取代目前无线数据
网络上使用的价值５００美元的卡。该大学电机工程系主任威廉·凯泽说，大约５
年之后，所有个人计算机和掌上型计算机都将使用无线电微型机电系统。凯泽预测
说：“这些系统将安置在办公楼自助餐厅的天花板上、宾馆房间里和飞机上。它们
全都与因特网紧密相连。”
加利福尼亚理工学院物理学教授迈克尔·鲁克斯说，大约在同一时期内，大量
无线微型机电系统将被用作地震和金属应力探测器，安装到医院的患者监护系统上
，在卫星上充当通信系统。鲁克斯坚持认为：“这绝对不是科学幻想。这种系统很
快就会出现。”
在计算机领域，一种以微型机电系统为基础、称作原子力显微镜（ＡＦＭ）的
仪器能够把磁盘存储能力提高１００倍。由ＩＢＭ公司和斯坦福大学发明的这种“
探针”显微镜用一枚极细小的探针划过物体表面就能生成原子图像。由于这些新型
探测器能够把原子从一个位置推到另一个位置，因此它们也能在近似原子的水平上
存储数据。目前，把原子从一个位置推到另一个位置还很困难，但是研究人员可以
把成百上千枚显微镜探针集聚在同一个硅装置上加快这个过程。
保健是微型机电系统能够投入应用的另一个领域。它产生的经济意义与计算机
行业产生的经济意义极为相似。劳伦斯─利弗莫尔国家实验所研制了一种替代目前
价值数千美元的ＤＮＡ序列分析仪的微型机电系统。人们可以用不到１００美元的
价格生产这种系统的零部件。这种体积只有笔记本大小的盒子还可以包含一台微型
血液分析器。血液分析器芯片可以连续监测外出患者的血液，在出现第一个危险迹
象时，它可用无线电通知医生。
更加牢固、流线型更好的飞机是另一个重要目标。工程师可以在飞机尾部和机
翼布置成千上万个由微型机电系统构成的襟翼以改变升力和阻力，从而更精密地控
制飞机。从理论上讲，拥有微型机电系统的飞机不用过多地依靠易磨损的方向舵、
襟翼和水平尾翼。这种设计已经在风洞试验中得到证实。国防高级研究项目局每年
为微型机电系统的研究提供４７００万美元。
国防高级研究项目局感兴趣的是这种系统的军事用途，例如在战斗或危机情况
下能够构成网络的无线电微型机电系统。国防高级研究项目局微型机电系统项目负
责人艾伯特·皮萨诺说：“把微型机电系统从车厢上扔下去，它们能互相找到对方
，建立起通信联系。”此外，国防高级研究项目局正耗资千百万美元研制所谓的微
型机器人飞机，这种飞机将配备微型机电系统传感器，用于检验生化武器或者传递
敌方阵地的图像。
这种装置在商业领域也意味着巨大的效益。办公网络不必用手工安装──它们
完全能够在箱子中自行装配。带有内置无线电微型机电系统和全球卫星定位系统线
路的便携式计算机和蜂窝式电话总是能确定它们的准确位置，以及如何同最接近的
主干因特网联络。微型机电系统还可以组装成更为复杂的自动装置。洛杉矶加州大
学机电工程师克里斯托弗·皮斯特以及范德比尔特大学的两位机械工程师也参加了
虫状机器人的研制工作。这种机器人有朝一日会在电子工厂的装配线上工作，或者
寻找倒塌建筑物中的幸存者。
有成功也有失败
纳米技术的纯粹主义者设想让智能装置按原子排列自我重新组装，这仍然是个
遥远的梦想。正如加利福尼亚理工学院的鲁克斯所指出的：“当今唯一真正的纳米
技术大师是大自然。”不过人类正在逐步学习大自然的手法。例如，赖斯大学物理
学家里查德·斯莫利在真空箱里使碳气化，制造出了自然界不存在的碳原子纳米管
。
科学家刚刚开始探索这种纳米技术在工业领域应用的可能性。这种纳米管的化
学性质稳定，硬度约是钢的１００倍。荷兰一个研究小组今年夏天用其中一个纳米
管制造出世界上第一个能在室温条件下工作的单分子晶体管。这个直径只有４至５
个原子长度的电路打破了普通硅装置无法逾越的尺寸限制。它还第一次为制造原子
大小的电子元件的可行性提供了具体证据。ＩＢＭ公司也展示了用碳纳米管制造的
晶体管。
用纳米管生产商用装置还需要多长时间呢？斯莫利承认，从制造试验性碳纳米
晶体管发展到在一个芯片上镶嵌１万亿个纳米管是一项艰巨的难题。他说：“我们
有成功的时候，也有失败的时候。”
这句话准确地表达了处于世纪之交的纳米技术具有的时代特征。但是，没有任
何科学家愿意退缩。这项技术成果将使那些认为工业已经获得了信息革命带来的各
种轻松好处的经济学家们大吃一惊。这场革命只是刚刚开始。（完）