有限空间任驰骋 [复制链接]

有限空间任驰骋
    【美国《科学美国人》月刊9月号文章】题：有很大的空间，确实如此（作者　迈克尔·鲁克斯）
    回想1959年12月，当时尚未获得诺贝尔奖的理查德·范曼作了一次富有远见、现在常常被引用的讲话，题为“实际上有很大的空间”。尽管范曼并非有意为之，他这篇7000字的讲话还是为纳米技术下了定义，当时“纳米”的东西还远未在人们的视野中出现。中尺度科学
    如今纳米技术淘金热出现了，但是人们也面临一个根本性的科学问题。人们越来越清楚地认识到，我们只是刚刚开始获得那些将来会成为纳米技术核心的具体知识。这门新科学涉及原子和分子集合体的性质和变化，就其规模而言还没有大到称得上宏观，但远远超越了我们所说的微观范畴。这是中尺度科学，我们必须理解它，否则很难制造出现实可用的设备。
    今天的科学家和工程师们很乐于建造从一百到几百纳米为单位的纳米结构———确实很小，但是比单个分子还是大得多。对这种中尺度物质通常很难进行研究。它包含了太多的原子，因此难以简单地运用量子力学来解释（尽管基本法则仍然适用）。然而这些系统又没有大到足以完全摆脱量子的影响；这样一来，它们就不再完全遵守支配宏观世界的经典物理学的规律了。恰恰在这个中间区域，这个中级世界，出现了集体系统的一些不可预见的特性。
    我们从宏观或微观切入中尺度的困难显示了物理学面临的根本挑战。近来，人们认为范曼的“很大空间”的讲话实质上意味着我们可以在纳米科技的王国自由驰骋。然而，范曼从来没有宣称过在纳米世界“任何事都行得通”。他确实没有继续宣传他的构想，仅仅是1983年在喷气推进实验室又作了一次同样的讲话。
    在1959年，甚至到1983年为止，纳米世界的整个实际情况还远远没有明朗化。研究人员可以得到的好消息就是，大体上，它还是它！那么多的陌生领域有待探索。当我们开始钻研时，会发现我们必须理解所有的现象，然后实用的纳米技术才会成为可能。过去20年里，支配中尺度运动的全新物理学基本原理得到了阐明。让我们来看3个重要的例子。三个重要的进展
    1987年秋天，德尔夫特理工大学的研究生巴尔特·威斯和菲利普研究实验所的亨克·豪滕（均在荷兰）以及其他合作者正在研究电流从现在称为的量子点接触器通过的情况。他们预计只会看到很小的传导效果，不会有流畅而显著的背景图像。但是图像却非常明显而且呈现为现在被认为很典型的阶梯状。当天晚上他们进行了进一步分析，发现高峰期每隔一定的间歇就会出现。
    这个发现代表了对电导量化的第一次有力演示，预示着“中型时代”的黄金时期的到来。
    另一个重要例子是关于新近发现的导致纳米技术诞生的中尺度法则。这个构想首先是由莫斯科国立大学的一位年轻物理学教授康斯坦丁·利哈廖夫于1985年提出的，同他合作的还有他的博士后学生亚历山大·佐林和本科生德米特里·阿韦林。他们预测科学家将能够控制单个电子进入或离开所谓的库仑岛——与纳米电路的其他部分轻微连接的一个导体。这会为一种叫做单电子晶体管的全新设备的产生创造基础。
    这种设想越来越具有技术上的重要性。到1987年，纳米制造方面的进展使贝尔实验室的西奥多·富尔顿和杰拉尔德·多兰得以制造出第一个单电子晶体管。
    1999年夏末，科学家终于开始观察到有热流通过氮化硅纳米桥。即使在这些最初数据中，热流在中型结构下的基本极限也显示出来了。现在这个极限的表现被称为热传导量。
    这个量值对于纳米电子学是一个重要的参量；它反映了能量消散问题的最终极限。简而言之，所有“有源”的器件都需要一些能量来运行，为了让它们稳定运行并且避免过热，我们必须设法把它们产生的热量散发掉。由于工程师们总是尽力增加晶体管的密度和微处理器的频率，如何保持微型芯片冷却以避免系统瘫痪成了一个很大的问题。而在纳米技术中，这个问题只会更加严重。
    从以上3个例子中我们可以得出这样的结论：我们只是刚刚开始了解纳米系统运行的复杂性和截然不同的运行方式。我们发现电子和热传导量以及库仑阻塞的观测结果是不连贯的———这些发现令我们的思想发生了巨大转变。现在我们已经不习惯把自己的发现称为“法则”。然而我确信，电子和热传导的量化和单电子充电现象确实是纳米设计中普遍适用的法则之一。它们是纳米世界的新法则。它们并不与范曼最初的构想相抵触，而是对其部分内容的扩充和说明。在通向真正的纳米技术的道路上，我们将发现更多的不连贯性。带有共性的问题
    当然，在发掘纳米级设备的潜力之前，我们还必须解决很多难题。尽管每个研究领域有各自的侧重点，还是会存在某些共同感兴趣的课题。例如，目前我在研究纳米机械系统时面临的两个根本问题就和一般的纳米技术有关。
    问题1：宏观世界和纳米世界之间的信息传达问题。纳米电子机械系统是极其微小的，而它们的动作幅度还要小得多。为了使这种机械系统能够向宏观世界传递信息，我们必须建立高效的传感器，信息的读取需要更高的精确性。
    纳米世界和宏观世界传达信息的困难反映了纳米技术发展过程中的普遍问题。这一技术最终要依靠强大而精心设计的信息传导路径来输送来自个体高分子的信息。未来主义者的伟大设想中可能会出现自我编程纳米机器人，这种机器人将只在最初启动时需要宏观世界的指导，但是在我们有生之年，纳米技术的应用很可能必须借助向宏观世界汇报然后接受反馈和控制的模式。信息传输问题仍然是核心问题。
    问题2：表面积问题。在我们从宏观电子机械系统微化到纳米电子机械系统的过程中，设备物理学越来越取决于表面积。固态物理学的基础在很大程度上建立在物体表面积对体积的比率无穷小的前提上，这意味着其物理特性总是取决于体积。纳米级系统实在太小了，因此这个假设彻底被打破了。
    未来主义思想对取得巨大进展是至关重要的。它会为我们树立大胆而疯狂的目标，让我们为之奋斗。这一点对于纳米科学也同样适用。但是在保持未来主义梦想的同时，我们也需要使自己的期望符合实际。科学家们已经对构成中子、质子和电子的基本粒子进行了研究并且有了相当的了解，这三种粒子对于化学家、物理学家和工程师都具有极其重要的意义。但是我们仍然不能有把握地预测，这三种元素构成物组合在一起之后，将会产生多么复杂的变化。
    题图说明：
    像纳米机电共鸣器这样的新颖纳米技术设备，能使科学家从中尺度发现控制物质特性的物理学规律。