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第4章 纳米技术与应用(3)

不过,在运送的货物中,可能会用到纳米管。不过,这只是福格尔的设想,离真正的分子组装还有很长的距离。但是,由此可以推断福格尔下一步的工作并不太复杂。如果他根据设想来进行继续研究,那么他首先要证明他的火车能够运送东西。纳米火车运送的第一种东西将是容易看见的微小光珠。因此福格尔希望在一年以后能够看到这些光珠搭载在纳米火车上四处奔驰。

在纳米火车中存在的另一个问题是,它只能沿着轨道往前行,而不能实现倒车。因此,纳米火车在组装方面还需要改进。不仅使它的速度容易控制,而且还要使它像普通的火车那样,容易被操纵。

纳米火车的出现将会实现人类废物利用的愿望。但是,目前纳米火车还是人们的一个目标,如果要真正地投入使用,还需要科学家的不断探究。

2.纳米电子的发展

随着时代的变化,科学也在不断地进步与发展。从一些电子产品中我们就能明显地看到。例如,计算机刚问世的时候,体积非常庞大,曾经有人用“巨人”来形容它。它不仅体积笨重,搬运不方便,存储能力还非常小,运行的速度很慢。目前我们所使用的计算机是可以随身携带的小型计算机,也就是我们通常说的笔记本电脑,也称微型计算机。从“巨人”计算机到微型计算机,不能不说是一个飞跃。

那么,这个飞跃代表了什么呢?它是人类智慧的结晶。特别是近几年纳米电子产品的问世,更是电子产品中的一支奇葩!什么是纳米电子呢?或许还有很多人对它持疑问的态度。其实,所谓的纳米电子就是利用纳米技术与纳米材料生产出来的电子元器件,它是一种新型的电子产品。

(1)纳米芯片的制造

纳米技术在电子领域的最先应用是纳米芯片的制造。那么,究竟是怎么样利用纳米技术来制造芯片的呢?目前计算机的芯片都是用半导体材料做成的。20世纪是半导体发展最快的世纪,因此被称为微电子世纪。那么,什么是微电子技术呢?微电子技术就是指在半导体晶体材料薄片上,利用微米和亚微米的精细结构技术。微电子产品就是用成千上万的微电子晶体管和电子元件构成的各种各样的电子仪器、仪表与计算机等。芯片实际上也就是我们常说的集成电路块,集成电路块从小规模向大规模发展的过程实际上就是一个不断向微型化发展的过程。小规模集成电路是在20世纪50年代发展起来的,它的集成度(一个芯片包含的元件数)一般为10元件;到了20世纪60年代,中等规模的集成电路兴起,它的集成度已经大大增强,一般有1000个元件;大规模的集成电路于20世纪70年代兴起,集成度已经远远超过中等规模的集成度,为10万个元件;这时的科学技术要用飞速发展来形容了。因此,到了20世纪80年代,出现了特大规模的集成电路,它的集成度是100万个元件。因此,此时用集成电路研制出的电子产品也越来越多。其中美国的IBM公司就用它研制出了存储容量为64兆的动态随机存储器。今天,集成电路的集成度已经发展到1000万个元件了。我们知道,随着集成度的增高,集成电路的条宽也在不断缩小,但是,今天的集成条宽已经达到极致,不能再缩小了,如果再缩小就可能会出现其他问题。但是,科学家还想继续提高集成度,因此,为了解决这个难题,他们就想到了纳米。利用纳米技术也许能够解决这一难题。

这也意味着,芯片中的条宽将越来越小,对集成电路材料的质量要求也越来越高。

我们知道,芯片是电脑的重要组成部分。如果把中央处理器CPU比喻成整个电脑系统的心脏,那么主板上的芯片组就是整个身体的躯干。对于主板而言,芯片组几乎决定了这块主板的功能,进而影响到整个电脑系统性能的发挥,所以芯片组又是主板的灵魂。因此,人类对芯片的开发也是对电脑技术的一种突破!并且还有一些专家设想,可以把这些最新的芯片与人类的活细胞相结合,开发一种特殊的电脑。这种电脑的核心元件就是纳米芯片。并且,自从纳米芯片被提出后,科学家又陆续提出了蛋白质芯片以及DNA芯片等。那么,什么是蛋白质芯片呢?

蛋白质芯片是指用蛋白质分子等生物材料,通过特殊的工艺制造成的超薄膜组织的积层结构。超薄膜组织结构是什么演变来的呢?首先是把蛋白质制成适当浓度的液体,使它能够在水面展开一层单分子膜,然后再把它放在石英层上。再以同样的方法制备一层有机薄膜,这样一层层地堆积下去,直到能够得到80~480纳米厚的生物薄膜为止。这种薄膜由两层有机薄膜组成,它们的变化和紫外线有很大的关系。当一种薄膜受紫外线照射时,电阻上升约40%左右,但是用可见光照射时,又可以恢复原型;而另一种薄膜则不受可见光影响,但它受到紫外线照射时,电阻会减少6%左右。根据它的这个特性,日本的三菱电机公司把两种生物材料组合在一起,制成了可以用光来控制的新型开关元器件。蛋白质芯片不仅为进一步开发生物电子元件奠定了实验基础,也为它创造了良好的条件。

蛋白质芯片的体积虽然很小,但是它的元件密度却很高,每平方厘米可达1015个左右,比硅芯片集成电路要高出万倍呢!

它的元件密度相当高,也就意味着这种芯片制成的装置,运行速度要比目前的集成电路快得多。并且,由蛋白质分子组成的芯片在一定程度上具有自我修复的能力,就相当于一部活体机器。因此,它还具有直接与生物体结合的功能。例如它能与人的大脑、神经系统有机地连接起来,可以扩展脑的延伸。因此,有人设想将蛋白质芯片植入人的大脑将会有意想不到的事情发生。这对于人类特殊疾病的治疗也有一定的帮助。视觉先天缺陷者,或是后天损伤者都可以利用这种方法得到治疗,恢复视力,使他们重见光明。

当然,这只是人类的一个美好设想,要想达到这种效果还需要人类不断地探索和努力。当我们知道蛋白质芯片是怎么回事后,那么,什么又是DNA芯片呢?

DNA芯片又称基因芯片。DNA是生命遗传物质脱氧核糖核酸的简称,因此,DNA芯片是和遗传物质有关的一种芯片。它采用在位组合合成化学与微电子芯片的光刻技术或者用其他方法,将大量特定顺序的DNA片段,有序地固定在玻璃或者硅片上,从而构成储存有大量生命信息的DNA芯片,它是近年来在高新科技领域出现的具有时代特征的重大技术创新。因此,利用DNA芯片可以进行生命科学和医学中所涉及的各种生物化学反应,以达到对基因、抗原和活体细胞等进行测试分析的目的。通过分析可得到大量具有生物学、医学的信息,是人类生物学和医学上的一次重大突破。

那么,DNA芯片是不是从一开始就有呢?关于DNA芯片的设想萌发于1989年的美国,当时美国的一些科学家想用分子来研制出一种硬币大小的装置。他们就想出一种巧妙的办法,利用光刻法与光化学合成法相结合。他们在一块平滑的玻璃片上,用不同的分子构建一个高密度网络。起初,他们把一些蛋白质堆放在玻璃片上,一位名叫斯蒂芬·福多的年轻科学家立即看出了采用DNA的可能性,他认为芯片上的DNA分子就好像一条条细细的分子“维可牢”(“维可牢”是一种尼龙刺粘搭链,两面相合即可粘住,一扯就又分开,用以替代服装上的纽扣等),能够选择性地与一些基因,也就是DNA的短片段相结合,从而检查出变异型基因。

另外,福多在理论上推定,让未知的DNA样品与分布在DNA芯片上已知的DNA序列接触,就能对其做出鉴定。DNA双螺旋的两条单核苷酸链总是遵循“碱基互补”的原则配对,因此,当一条链上的碱基序列确定之后,即可推知另一条链上的碱基序列。这类带有已知DNA序列的芯片就能检测突变基因或碱基的各种改变了。

其实,DNA芯片不仅在生物学和医学上的贡献突出,而且在电子产业中也是功不可没的。每一个DAN就相当于一个微处理器,如果将它应用到计算机中,它的计算速度是非常快的,就只从理论上来看,每小时就能达到1015次,是硅芯片运算速度的1000倍。

此外,DNA的存储量也非常大。据研究,在重量为一克的DNA上就能存储上亿个光盘的信息。DNA的这些特点成就了DNA芯片的特殊功能。科学家推测,DNA芯片能够将人体的全部基因集中固定在一个1平方厘米的芯片上。

DNA芯片还能检测出大量的生命信息,例如可以利用它来寻找DNA与癌症、传染病、常见疾病以及遗传病的关系,从而使医药界得到更确切的信息,为病人提供更好的治疗。

另外,英特尔公司于2000年12月份公布了“芯片巨人”。它是英特尔公司用最新的纳米技术研制成功的,被称为30纳米晶体管芯片。它的出现是电脑芯片上的一次大飞跃,用了这种芯片的电脑,其运行速度将比目前的电脑快10倍左右。这也使硅芯片技术向物理极限更近了一步。

因特尔公司还表示,这种芯片的出现将为研制模拟人的计算机创造一定条件,说不定在未来的某一天将会出现能够和人进行交流的计算机。这种晶体芯片是目前世界上最小最快的晶体管,它的厚度仅有30纳米。

目前,由这种芯片制造的计算机已在被人们使用。英特尔公司还计划从2009年开始生产32纳米芯片的产品。这一款32纳米芯片,是一个只有小数点大小的面,但却拥有超过400万个晶体管。

科学的发展速度极快,虽然这种纳米芯片是目前世界上最好的芯片,但是,谁也不能预言它的存在有多长时间。说不定在以后的10年或者是15年,又将有新的芯片来取代它。但是,不管是哪种芯片的出现,都是人类智慧的结晶。

(2)纳米电脑

我们知道,芯片是电脑的灵魂。那么,纳米级的芯片出现后,会不会有纳米级的电脑出现呢?

答案是肯定的,这种电脑不仅比普通的电脑个头小,而且还有很大的存储功能!

不过在了解纳米电脑前,还是先让我们了解一下电脑的发展历程吧!

首先是分子计算机。我们知道,目前使用的计算机是根据二进制的原理制造的,也就是说计算机内所有的数据指令都是以二进制来表达的。所谓的二进制就是说计算机的语言是用0和1这两个数字来表达。在电脑中,一个晶体管有打开和关闭两种状态,科学家根据电脑的使用情况,一般用1表示打开状态,用0表示关闭状态。后来,科学家发现,不仅用数字0和1能表示打开和关闭的状态,也可以用分子中的化学键来表示链接和断开。既然这样,那么能不能用分子中化学键来代替电脑中以前的那种打开和关闭的开关,进而制造出更高级的电脑呢?

随着科学的发展,加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家发明了一种新型分子开关,使分子计算机问世成了可能。并且这一发明曾被选为“2000年世界十大科技进展”之一。那么,这种分子开关是什么样子的呢?它是一种非常细小的开关,利用套环烃作为物质基础制成。它的结构是由衔接在一起的两个小环构成,并且每个小环由原子连接而成。这两个小环的相互作用方式就像是一小段链条。

另外,每个小环上都有两个叫做“识别位置”的结构,它们能够相互发生电化学作用。分子开关有开和关两种特殊的状态。当一个电脉要通过套环烃分子开关时,其中一个环失去一个电子并绕另一个环转动,这时分子开关就处于“开”的状态;当失去电子的环重新得到原来的电子时,开关就处于“关”的状态。这样,套环烃开关就能够反复被打开和关闭,并且还能在常温和固态下工作。分子开关的实现,开了电子计算机最简单的逻辑之门。那你知道逻辑门对于电子计算机来说是一个什么样的概念吗?它是现有计算机中央处理器工作的基础,是电脑中最重要的组成部分。

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