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第16章 出乎意料——纳米趣味小百科

纳米的世界是神奇的、有趣的,同时也是富有探索性的。在这个世界里,我们能够发现很多意想不到的东西,它给我们的不仅仅是惊喜,更多的是无限的乐趣。

1.纳米世界中的“小精灵”

在动画片中,我们经常会看到树精灵、水精灵以及那些可爱的动物精灵,其实这些都是人们根据它们的特征为它们所取的“绰号”。那么,纳米世界里的“小精灵”是什么东西呢?

我们知道,纳米是非常微小的单位,因此,以它来命名的物质一定也是非常小的。那么,这种物质是什么呢?它就是我们前面介绍过的纳米材料,也是我们要介绍的“小精灵”。或许有人要问,纳米材料怎么会这么微小呢?我们要怎么样才能看到它呢?其实,它的微小和构成它的颗粒是分不开的。它是由纳米(10-8米)量级的超细颗粒构成的材料。如果我们想要看到它的身影,只有借助高倍电子显微镜才能看到。

这种小精灵的出现是轰动的、惊人的,当人们发现它的时候就像是在一次偶然的机会中得到一件奇珍异宝一样。它的到来除了使人们发现一个与微米级的世界完全不同的天地外,身材微小的它还给我们创造了一个全新的世界。这个小精灵具有小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应等4大效应。这也是它最主要的特性体现,因为,当一样物质的尺寸小到纳米量级的范围内后,原来所具有的性质就会完全发生改变,变成与原来极不相同的新型物质。比如说,有一些金属原本是具有导电性的,但是,当它变成纳米级的金属材料时它就不具有导电性了,而有些金属原本不具有导电性,而变成纳米的金属后就有导电性了。这就是小精灵的神奇之处。

其实,关于它的神奇故事还有很多!比如它在医学上可以变成能够进入人体的“超级小医生”;在微电子领域里它能摇身变成具有巨大存储能量的“超级信息库”;在环境污染中它又像一位清洁工一样为我们解除环境污染的难题等。在生活中到处都有它的存在,它的存在也使得我们的社会不断地进步与发展。

这个小精灵对我们人类的生活有这么大的作用,我们是不是应该给它颁发个头衔呢?科学家早就认为它是科学发展史上的第四次革命了,因为它很有代表性。科学家还根据它的这些特性展望我们未来的生活,他们认为人类一旦由微米时代进入纳米时代,人类的生活将会发生翻天覆地的变化。现在我们所使用的微型计算机就会变成巨人,未来的计算机能够小到像现在的手机一样,能够被放进口袋,随时使用,比目前的笔记本电脑还要方便很多!

2.纳米和大米的故事

你知道纳米和大米有什么样的区别吗?它们是不是同一类型的呢?关于这个问题的答案,让我们先看一个有趣的报道吧!

在纳米刚被人们接触到时,出现了一个很有意思的笑话。有一个农民听说科学家研究出了一种叫做“纳米”的新东西,很神奇也很值钱,比普通大米的价值要高得多。于是,他就四处向人打听在哪个种子公司能买到这样的“纳米”种子。他还说从今以后他准备投大本钱来种植“纳米”,不再种植大米了。因为,他推测“纳米”的市场前景比大米要大得多。

当很多人看到这一则消息后都感觉很可笑,因为我们知道纳米和大米是完全不一样的东西,纳米可以是一种长度单位,也可以是纳米材料的组成单位,但是它并不能作为粮食。大米是一种粮食,不能用于工业、电子以及医学领域等。虽然这位农民很有经济头脑,对新生事物也很感兴趣,但是,由于他没有事先搞清楚状况就盲目地去实践,所以才导致了上面笑话的出现。这也告诉我们,做什么事情要了解状况以后再行动,不要只凭自己的片面想法就盲目行事。同时,通过这个例子我们也明白了,纳米和大米是两种不同的物质,不能混为一谈。

3.光能吹动物体

如果有人和你说,利用阳光能够移动一个物体,你肯定认为这个人在说疯话。虽然从前科学家也想过利用光照来使物体产生作用力,就像风能吹动帆一样。但是,经过很多次的实验证明,在现实世界中不可能达到这种效果。太阳光的作用力实在是太微乎其微。

然而,在纳米的世界里这个愿望是能够实现的。在美国耶鲁大学从事研究的中国学者,发表了关于此方面的文章,首次证实了在纳米的世界里,光通过它的微弱力量,可以驱动“机器”,这种机器就是由半导体做成的纳米机械。

那么,到底是什么导致光能可以推动物体的移动呢?这项研究结合了两个最前沿的科学,也就是纳米光子学和纳米力学。虽然在宏观尺度上,光的力量是非常微弱的,没有人能够感觉到它的存在。但是从纳米的尺度上来看,光具有相当可观的力量,它足以用来驱动一些半导体机械装置。例如,像集成电路上的三极管一样大小的半导体机械装置。在这之前光的力就已经被物理学家和生物学家应用于一种叫做“光镊”的技术中,用来操控原子和微小的颗粒。但是那些并没有引起人们的重视,直到目前把光集成在一块小小的芯片上,使它的强度增加数百万倍,用来操控纳米半导体器件,它所具有的潜力才被人们发现。

后来,又有一些科学家,利用最先进的半导体制造技术,在硅芯片上铺设出一条条光线路,又被称之为“光导”。这种“光导”有什么作用呢?原来,当激光器发出的光被接入到铺有“光导”的芯片后,光就可以像电流在导线里传输一样,沿着铺好的光导线路“流”动。科学家从理论预测,在这样的结构中,光会对引导它的导线产生作用力。为了证实这个预测是否准确,他们把一小段只有10微米长的光导悬空,让它可以像吉他弦那样产生振动。如果光确实能够产生力并作用在它上面,那么当光的强度被调制到和光导的振动频率一致时,它们就产生共振的现象。并且,这样的共振还会在透射的光中产生同样频率的峰。后来,他们又通过大量实验证明,这个作用力的大小和理论预期的高度一致。因为光的速度比电流要快得多,所以这种光产生的力预期可以以几十吉赫兹(吉赫兹的英文缩写为GHz,是表示频率的一种单位)的速度驱动纳米机械。

这一项研究成果可能会引领出新一代半导体芯片技术,也就是说能够用光来取代电。如果在将来的科学领域里能够使用这种新技术的话,那么,科学家和工程师们就能够以光学和量子为基本原理,来进行更高速与高效地计算和通信了。这也将是科学上的一次重大突破!

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