一根碳纳米管,就是一个收音机,可以接收无线电信号,并播放音乐。
纳米技术堪称“下一代科技领袖”最热门的候选者。最激进的倡导者宣称,纳米技术其实就是一套分子制造系统,可以通过机械方法让一个一个分子彼此相连,自动构架出各种各样的结构,最终制造出各种结构复杂的成品。
然而,事实却并非如此。“纳米”这个术语已经被过度滥用,几乎任何微小物件都在用“纳米”这个名字为自己脸上贴金,甚至连机油、防晒霜、唇膏、滑雪蜡之类的商品都号称含有“纳米粒子”。即使如此,谁又能料想得到,第一批真正可以发挥作用、能够对宏世界产生明显影响的纳米器件当中,居然会有收音机呢?
2007年,美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家亚历克斯·策特尔(AlexZettl)及其同事发明了一种纳米管收音机,拥有一身令人称奇的好功夫:单单一根碳纳米管就可以接收广播信号,放大并转换成音频信号,发送到外接扩音器上,让人耳能够轻松识别。不信?好吧,请登录www.sciam.com.cn,亲耳听听它播放的歌曲《Layla》。纳米收音机的发明者指出,这种收音机或许能催生一系列全新的应用,比如可以完全放进耳道(earcanal)的助听器、手机和iPod等等。策特尔宣称,纳米收音机将“轻松嵌入一个活细胞。到时候,制造一个与大脑或肌肉功能接口的装置,或者能用无线电控制在血管中游动的器件将不再是梦想”。
纳米管的魅力
纳米器件体积极小,重力和惯性效应影响甚微,而一些微弱的电场却能在纳米世界里兴风作浪。
策特尔率领30多名研究人员,致力于分子尺度器件的研究工作。纳米管具有不同寻常的结构,成了他们的研究重点。尽管谁先发现纳米管仍具争议,但纳米管能在科学界大出风头,应归功于日本物理学家饭岛澄男(SumioIijima)。1991年,饭岛教授宣布,他在发出电弧(即放电所形成的明亮弧状闪光)的石墨电极顶端发现了一些“针状碳管”。
这些纳米管的特性令人称奇。它们大小相差悬殊,形状多种多样,包括单壁管、双壁管和多壁管等。其中有的直,有的弯,有的甚至首尾相接形成环,就像一个面包圈。但所有纳米管都具有一个共性,那就是拥有相当高的抗拉强度(tensilestrength,材料被拉断前能承受的最大应力)。
策特尔指出,纳米管之所以具有这种非凡特性,是因为“一种自然界中最牢固的化学键将碳纳米管内的碳原子结合在一起”。单壁纳米管还具有优异的导电性能,不但大大超过铜、银等金属,甚至还超过了超导体(superconductor)。“这是因为电子在纳米管中移动时不会撞上任何东西,”他解释说,“纳米管的结构简直是太完美了。”
策特尔决定要打造一种能够通过无线方式彼此联系,并能无线发送探测结果的微型传感器,纳米收音机的创意由此产生。他说:“这类器件将监测环境状况。”把这些传感器件安置在一座工厂或炼油厂周围,它们便会把探测结果发回到某个收集站。任何人只要登录谷歌,“点击某城市名称,就能查看当地的实时空气质量了”。策特尔希望发明一种纳米管质量传感器,在以此为目标的实验中,他的研究生肯尼思·詹森(KennethJensen)发现,如果将碳纳米管一端固定于某一表面,形成一根悬臂梁(cantilever),当一个分子落在悬臂梁的自由端时,悬臂梁就会振动。分子质量不同,振动频率也就不同。策特尔注意到,这些振动频率覆盖了某些商业无线电频段,于是把这种悬臂式纳米管做成收音机的构想就变得再诱人不过了。策特尔知道,一台收音机至少有四个基本部件:天线,用来接收电磁波信号;调谐器,从所有正在广播的频道中选择想要收听的频道;放大器,用于增强信号;解调器,将信号中的有效信息从携带信息的载波中分离出来;有效信息被传送到外接扬声器上,由扬声器将这部分信号转换成可以听得到的声音。