微米和纳米科技材料

美国媒体文章:纳米技术革命已经到来

美国《华尔街日报》网站1月22日发表题为《纳米技术革命已经到来,只是我们尚未注意到》的文章,作者系克里斯托弗·米姆斯。文章称,纳米技术革命已经开始。全文摘编如下:

在有“元宇宙”之前,在有加密货币百万富翁之前,在几乎每个美国孩子都想成为网红之前,技术领域中炒作最多的是“纳米技术”。纳米指的是十亿分之一米,而纳米技术通常指在原子或分子规模上操纵材料。

几十年来,计算机科学家和物理学家都在猜测,纳米技术将随时让我们的生活发生翻天覆地的变化,掀起一波拯救人类的发明浪潮。事情并没有像他们预言的那样展开,但纳米技术革命已经开始。

应用广泛

你可以感谢微芯片。工程师和科学家们正在利用几十年来不断完善的技术制造微芯片,创造从超微机器到新型镜片等其他各种微型奇迹。这些纳米级的小装置已经融入我们生活的经纬,和我们口袋里的装置融为一体,以至于我们似乎忽略了一个事实:它们是50年来承诺给我们的纳米技术革命的真实范例。

受益于纳米技术的日常用品包括:气囊、手机、雷达、喷墨打印机、家用投影仪、5G和其他高速无线技术。不久之后,纳米技术可能带来超小型相机以及一系列令人眼花缭乱的其他传感器,可以探测一切,从空气污染和黑冰到黑客入侵和皮肤癌。

这与过去有关纳米技术未来的奇异预测相差甚远。现在并没有在血流中巡视并修复损伤的分子机器人,也没有那种微小工厂——它们能不断自我复制,直到整个地球沦为纳米技术先驱埃里克·德雷克斯勒于上世纪80年代所担心的“灰色黏质”。

在更遥远的未来,这项技术或许能使美国物理学家理查德·费曼在1959年那篇著名演讲《底下的空间还大得很》中阐述的设想成为可能:他当时假设用某种办法在原子上建造三维结构。实现他所提出目标的哪怕一个零头都将打开诱人的可能性——从探测空气中病毒的传感器到我们口袋里的量子计算机。

目前,制造真正的纳米机器意味着要好好利用自1959年微芯片问世以来我们在完善这项技术上投入的成千上万亿美元。芯片公司为生产速度更快、更节能芯片所取得的进展带来极其复杂昂贵的设备。通过使用同样类型的机器、技术和微芯片工厂,纳米制造商可以利用摩尔定律的不断进步让它们生产的设备变得更小。

技术复杂

荷兰阿斯麦控股公司(ASML)的首席执行官彼得·温宁克说,ASML是全球微芯片生产设备的主要制造商之一,其研发工作围绕英特尔、三星和台积电这些大客户。他说,ASML还一直设有一个部门,与希望制造常规微芯片以外产品的客户合作,设计有关的技术以满足这些客户的需求。

其中包括微机电系统,这是用芯片制造设备生产出来的微小机器的经典范例。几十年来,微机电系统的体积大大地缩小了。

以智能手机为例。要传输和接收它与基站、无线网络或无线耳机连接需要的各种无线电频率,就必须过滤掉比以往任何时候都更影响频谱的各种杂散干扰。

所以,手机使用微小的无线电过滤器。没有这些过滤器,我们的无线设备就无法运转。美国“谐振”公司(Resonant)就是一家制造这种过滤器的公司,其首席执行官乔治·霍姆斯说,微芯片和无线电天线是静态的、完全固态的设备,而它们所依赖的无线电过滤器实际在振动。它们的振动频率与接收或传输的信号相同,有时甚至与被过滤出去的频率相同,就像一串微小的音叉。

这意味着,当你把手机放在办公桌上用耳机听音乐时,这涉及内部的数十种微小元素,形状很像微小的梳子,每秒振动数十亿次。它们能发挥作用恰恰是因为体积很小。只有某种东西小到这种程度——原子之间的键相对于物体的大小要强大得多——才能在这种高频率上发生振动且不会散架。

同样,要让飞机上的地面感应雷达正常工作,它必须过滤掉其他许多干扰,比如在美国迅速扩大的5G手机网络。霍姆斯说,问题在于,老式飞机上的雷达是在人们得知5G网将会流行之前设计制造的。解决这个问题可能代价高昂,因为可能意味着更换或升级一些旧雷达。航空公司和美国联邦航空局担心的其实是,由于缺乏足够的微型梳子以每秒数亿或数十亿次的频率振动来过滤掉附近的一座手机信号塔的干扰,飞机可能会失事。

我们的手机还包含许多其他的微机电系统。微机电系统最初发明并安装在阿波罗飞船上时比篮球还大。而现在,这套系统并不比一粒米大,它使手机(以及智能手表和其他健康跟踪器)知道自己的方位以及加速度的幅度和方向。这样小的传感器还能告诉汽车安全气囊何时弹出。

现代纳米机器的另一个例子是操纵光线而不是电。麻省理工学院材料科学副教授胡崛隽说,研究人员已经在实验室中展示了一种被称为“超透镜”的新型透镜,这种透镜能够以过去需要一整套常规透镜才能做到的方式折射光线。超透镜的优势在于很薄,而且几乎是平的——至少肉眼看来如此。

在电子显微镜下,超透镜的表面看起来就像剪绒地毯。在这种规模上,超透镜表面看起来覆盖着细微的柱子——每根柱子的直径是人类头发的千分之一。这种纹理使超透镜能够以类似于传统透镜的方式折射光线。这些微型硅“纤维”的工作方式太新颖了,迫使物理学家重新思考光和物质如何相互作用。

一些初创公司开始把超透镜技术转化为商业应用。比如,美国梅塔伦兹公司(Metalenz)刚刚宣布与半导体制造商意法半导体有限公司达成协议,为智能手机生产3D传感器。超透镜的这种应用可以让更多类型的手机制造商实现苹果面部识别技术的那种3D传感。

该公司首席执行官罗伯特·德夫林说,面容解锁手机只是开始。超透镜还具备用传统镜片难以复制的能力。例如,因为超透镜可以帮助探测极化光(或称偏振光),它们能够“看到”常规镜片看不到的东西,包括探测光污染水平、让汽车安全和自动驾驶系统的摄像头检测到黑冰,以及使我们的手机摄像头检测皮肤癌等。

前景广阔

美国佐治亚理工学院的安德烈·费多罗夫博士说,进一步缩小纳米机器的尺寸,并达到理论上的最小限度——即人类操纵单个原子的程度——将需要与我们目前用来制造哪怕是最先进微芯片的技术截然不同的技术。他的团队发表的一些研究显示,他们利用电子束在石墨烯和其他二维材料上蚀刻图案,或者在上面构建碳原子结构。

石墨烯等材料已经是密集研究的对象,作为未来微芯片中硅的替代品。但费多罗夫博士说,未来可能涉及在二维石墨烯薄膜上建立三维结构。如果能够以原子精确度完成这一工作,那么就可以创造出政府和技术公司都在设法建造的下一代超高速量子计算机所需的结构。

费多罗夫博士的大部分研究都得到半导体研究公司的支持,后者是非营利性机构,得到全球几乎所有主要先进芯片制造和设计公司的赞助,成立于上世纪80年代初,目的是进行有朝一日可能用于电子制造的基础研究。

因此,半导体行业在探索相关技术以带领我们超越今天微芯片的局限时,有朝一日也可能采用费多罗夫团队或其他许多从事类似技术研究的人首创的技术。

最终目标是能够利用电子束迅速去除、添加或修改表面上的原子。最后的结果是在原子规模上做出类似3D打印的系统。

费多罗夫博士在谈到自己的研究时,向听众讲述了理查德·费曼在1959年提出的设想:“我说,‘这就是理想’,然后我又说,‘60年后,我们实现了费曼的理想。现在它就在我们手中’。”

来源:参考消息网

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