納米管收音機可以嵌入細胞？

一根碳納米管，就是一個收音機，可以接收無線電信號，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。最激進的倡導(dǎo)者宣稱，納米技術(shù)其實就是一套分子制造系統(tǒng)，可以通過機械方法讓一個一個分子彼此相連，自動構(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，事實卻并非如此?！凹{米”這個術(shù)語已經(jīng)被過度濫用，幾乎任何微小物件都在用“納米”這個名字為自己臉上貼金，甚至連機油、防曬霜、唇膏、滑雪蠟之類的商品都號稱含有“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中，居然會有收音機呢？

    2007 年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家亞歷克斯·策特爾（Alex Zettl）及其同事發(fā)明了一種納米管收音機，擁有一身令人稱奇的好功夫：單單一根碳納米管就可以接收廣播信號，放大并轉(zhuǎn)換成音頻信號，發(fā)送到外接擴音器上，讓人耳能夠輕松識別不信？好吧，請登錄www.sciam.com.cn，親耳聽聽它播放的歌曲《Layla》。納米收音機的發(fā)明者指出，這種收音機或許能催生一系列全新的應(yīng)用，比如可以完全放進耳道（ear canal）的助聽器、手機和iPod 等等。策特爾宣稱，納米收音機將“輕松嵌入一個活細胞。到時候，制造一個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的器件將不再是夢想”。

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，而一些微弱的電場卻能在納米世界里興風作浪。

    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。盡管誰先發(fā)現(xiàn)納米管仍具爭議，但納米管能在科學界大出風頭，應(yīng)歸功于日本物理學家飯島澄男（Sumio Iijima）。1991 年，飯島教授宣布，他在發(fā)出電弧（即放電所形成的明亮弧狀閃光）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)，就像一個面包圈。但所有納米管都具有一個共性，那就是擁有相當高的抗拉強度（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，是因為“一種自然界中最牢固的化學鍵將碳納米管內(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@是因為電子在納米管中移動時不會撞上任何東西，”他解釋說，“納米管的結(jié)構(gòu)簡直是太完美了?！?/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)送探測結(jié)果的微型傳感器，納米收音機的創(chuàng)意由此產(chǎn)生。他說：“這類器件將監(jiān)測環(huán)境狀況?！卑堰@些傳感器件安置在一座工廠或煉油廠周圍，它們便會把探測結(jié)果發(fā)回到某個收集站。任何人只要登錄谷歌，“點擊某城市名稱，就能查看當?shù)氐膶崟r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，在以此為目標的實驗中，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），當一個分子落在懸臂梁的自由端時，懸臂梁就會振動。分子質(zhì)量不同，振動頻率也就不同。策特爾注意到，這些振動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的構(gòu)想就變得再誘人不過了。策特爾知道，一臺收音機至少有四個基本部件：天線，用來接收電磁波信號；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，用于增強信號；解調(diào)器，將信號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聲器上，由揚聲器將這部分信號轉(zhuǎn)換成可以聽得到的聲音。

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

    策特爾和詹森首先制定了一個總體設(shè)計方案。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，是因為它比其他碳納米管略大，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納米收音機。這種多壁管長約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］直接在電極上生長出來。

    電極頭圓圓的， 就像半個巴基球（buckyball），不遠處有一個反電極（counterelectrode）。在這兩個電極間施加一個很小的直流電壓，便會產(chǎn)生一股從納米管端頭流向反電極的電子流。這個發(fā)明的想法就是，無線電廣播中的電磁波會撞擊納米管，使納米管隨著電磁信號的振動而發(fā)生機械振動。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，當然這種天線的工作原理與傳統(tǒng)收音機天線不同。

 解剖最小收音機
    只用一根納米管，便可實現(xiàn)部件眾多的普通收音機的所有功能。由于納米管極其微小，因而它一遇到無線電信號便會快速振動。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、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

接收

    普通收音機的天線通過電磁效應(yīng)接收信號，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。而在納米收音機中，納米管是一個極其纖細、輕巧的帶電物體，入射的電磁波足以推動它機械地來回運動?！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，反倒是殘余電場對這些小玩意兒起主要作用?！奔{米管的振動會改變從納米管端頭流向反電極的電流——用專業(yè)術(shù)語說就叫做場致發(fā)射電流。場致發(fā)射（field-emission）是一種量子力學現(xiàn)象，也就是一個較小的外加電壓可以引發(fā)一個物體（如針尖）的表面發(fā)射出一股較大的電子流。基于場致發(fā)射的工作原理，人們不僅期望納米管能充當天線，還希望它能完成信號放大任務(wù)。入射到納米管的微量電磁波將使納米管振動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。

    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現(xiàn)的，這種電路只對載波信號的振幅有反應(yīng)，對頻率則完全無視。策特爾的團隊推想，納米管收音機也可以實現(xiàn)這一功能：當納米管隨著載波頻率發(fā)生機械振動時，它同樣也會響應(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場致發(fā)射與生俱來的一項特質(zhì)。這就意味著，從納米管流出來的電流僅隨信號中的編碼成分（ 即被調(diào)制的信息成分）而變，載波則被拒之于門外了。這一功能的實現(xiàn)不需要任何額外電路。

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

本文作者：

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