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纳米技术

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比人的头发细 10,000倍的细微结构能否为我们提供世界上最棘手的挑战的答案?IBM 科学家认为答案是肯定的。

纳米技术多年来的发展

这个互动的时间表展示了纳米技术从 1986年到技能的演进过程。

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从原子级别研究深海水晶

IBM 和阿伯丁大学的科学家使用原子力显微镜 (AFM) 研究从地球上最深的海沟中挖掘出来的海底化合物的分子。

IBM 研究院的 nanoMRI 显微镜

经过进一步的开发,NanoMRI 显微镜的能力足够强大,可以分解蛋白质的结构和交互作用,为个性化医疗和针对性医药的新发展奠定了基础。

纳米 (Nano) 一词来自希腊语“矮小”,而且从广义上讲,纳米技术领域可定义为原子或分子级的研究和技术开发。纳米技术研究人员希望能够了解并控制人类已知的某些最小的物体。

从长度来讲,一纳米相当于大约四个金原子,或者一毫米的百万分之一。打个比方,原子的直径与一个桔子的直径相比,就如同桔子与地球相比。

随着世界物联化程度提高,汽车、家电和牲畜都内嵌了数十亿个晶体管,纳米技术将在设计未来更小、更智能、能效更高的计算机芯片时扮演日益重要的角色。

为了实现这些性能目标,我们需要采用先进的纳米技术工艺来制作这些越来越小的晶体管。就如细胞是人体的基本构成元素一样,IBM 设想了这样的一个世界:纳米技术工艺是晶体管和微处理器的基本构成元素。IBM 科学家正在探索新材料的使用,例如有半导体特性的纳米导线,目的是改善 50多年前发明的晶体管的基本设计。

1981年,Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 发明了扫描式隧道显微镜,使我们处理原子大小的固态表面的能力发生了革命性的变化,标志着 IBM 研究院为我们进入纳米科学世界打开了大门。此后,IBM 在该领域中实现了一个又一个突破。

1993年,NEC 研究员 Sumio Iijima 和 IBM 研究员 Donald S. Bethune 分别发现了碳的一种独特的新形式,叫做单壁碳纳米管。“它的行为可以像金属或半导体,可以比铜更好地导电,可以比金刚石更好地导热,而且是已知的最坚硬的材料。”*

1998年,荷兰代夫特的一个小组将单个碳纳米管制成一个纳米管—成员包括 Phaedon Avouris(后来加入 IBM ),而且 IBM 的一个小组也做到了这一点。IBM 继续开展这项工作,并证明了纳米管有可能成为未来电子技术的构件。

2001年,这个 IBM 小组在 Avouris 博士(成为纽约约克镇高地的 IBM 研究院的纳米级科学经理)的带领下,设计出了第一批采用碳纳米管阵列的晶体管。纳米管的导电率比硅大约高 70倍。包括 Vincent Derycke、Richard Martel 和 Joerg Appenzeller 在内的 Avouris 小组也成功地将碳纳米管与现有的芯片制造技术集成。同年晚些时候,IBM 研究员宣布,他们研制成功了世界上第一个采用单个碳纳米管的电路,可执行基本逻辑运算。

2002年,IBM 研究院科学家证明,基于碳纳米管的晶体管可以比目前蚀刻到硅芯片中的晶体管更快地开关,而且耗能更少。最近,IBM 瑞士苏黎世研究院的科学家已经能够以前所未有的分辨率抓取分子内的“解剖结构”—或化学结构—的图像。

IBM 研究员 Gerhard Meyer 说:“作个并不确切的对比,如果医生是使用X光透视人体内的骨骼和器官,我们则是使用原子力显微镜观察作为分子骨架的原子结构。扫描探针技术为设计复杂的功能结构以及在原子级别定制和研究其电子和化学属性提供了无穷的潜力。”

如今,人们对碳电子的兴趣范围已经扩展到用石墨烯制成的晶体管和电路、像原子一样薄的按六角形蜂巢形状排列的单层碳原子。2010年,IBM 公司的 Avouris 小组展示了世界上最快的石墨烯晶体管,能够以 1000亿分之一秒的速度交换,即 100GHz。最近,这个小组制造出了第一个石墨烯集成电路,一个射频混合器。(混合器用在无线广播和其它通信设备中,用于将一个信号调到另一个频率。)这个小组将石墨烯用到光电子设备中,并展示了利用单原子层的石墨烯以每秒 10千兆比特的速度可靠地侦测光学数据流。石墨烯有许多优点,因为它有广泛的用途—这意味着它有极宽的波长范围—光电探测器。石墨烯还有超快的响应速度,而且价格低廉。

然而,纳米技术的优点不仅限于电子领域。许多公司已经开始测试纳米级系统,用于在新兴市场中改善太阳能、水净化和脱盐,并用于开发更快、更精确的医疗诊断工具—例如 IBM ® DNA 晶体管—为阅读人类基因组序列提供了一种潜在的高科技、低成本方法。

将纳米科学运用到医药领域的最新进展是抗药性金黄色葡萄球菌 (MRSA) 的潜在武器的开发。MRSA 是葡萄球菌感染的一种变体,在美国,每年导致数万人在住院期间死亡。在葡萄球菌对抗生素产生耐受性后,它会导致致命的结果。IBM 研究员已经发现了一种潜在的突破性治疗方法,即纳米结构能够侦测并破坏对抗生素有耐受性的细菌,而健康的细胞不受影响。科学家采用半导体制造的原理,并发现某些聚合物可以对细菌进行定位,并穿破细菌的细胞和细胞膜。在细胞膜被破坏后,细胞就不能变异并进入到对抗生素有耐受性的细菌中。在完成与细菌的战斗后,纳米结构在人体内进行生物分解并排出体外。尽管仍在试验阶段,但以这种方式利用纳米技术可能是治疗此疾病的一个潜在突破。

由于这些潜力,纳米技术正吸引着全世界越来越高的关注,而且美国、瑞士、约旦到中国的政府都在向这项科学投资。2011年 5月,IBM 苏黎世研究院成立 Binnig and Rohrer 纳米技术研究中心,标志着 IBM 的承诺扩展到了未来纳米技术的研究与创新方面。该中心是与欧洲著名的科学和工程大学——苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 联合成立的。

*引用自 Sumio Iijima 和 Donald S. Bethune,James C. McGroddy 新材料奖,美国物理学会,2002年 3月

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