原子笔

足见雕虫并非小技,玩物也不一定丧志。

这里要说的是真正的原子笔。不是五十多年前一位美国商人在上海大做广告推销的所谓“原子笔”,其实就是圆珠笔,与原子根本“不搭界”;纯粹是商人利用市民对原子弹好奇心理的促销“噱头”而已。

据英国《新科学家》报道,美国和加拿人的两位科学家托玛奈克(David Tomanek)和克瑞尔(Peter Kral)提出了利用纳米管制造原子笔的方案。纳米管是由碳原子构成的极其微小的管子.其直径以纳米计(一纳米等于一百万分之一毫米)。由于管壁的碳原子具有很规则的排列,所以纳米管的结构稳定,强度极高。他们设想以纳米管作为“笔管”,管中充满各种原子作为“墨水”,再以两束精确的激光束驱动管内的原子,使之源源不断地从管子的末端流出,这就是原子笔。

原子笔的妙处在于可以控制单个原子,写出其小无比的字来。原子尺度(小于十分之一纳米)的字小到什么程度呢?不妨作一个比较:这个句子后面的逗点之油墨迹中,至少包含几万亿个原子,将之用作原子墨水,足够供原子笔写出几万本书来!

科学家发明原子笔的主要兴趣不在用来写字,因为写出来的字太小了,要用极高倍的电子显微镜才能阅读,这多不方便。发明原子笔不是用来写字,意欲何为呢?

首先,原子笔可用来制造极其精巧的集成电路。现有的集成电路是由光刻法制成的,由于可见光的波长过大(在390纳米到770纳米之间),就像无法用扫帚写蝇头小楷一样,利用可见光的光刻做不出原子尺度的电路来。而原子笔能控制单个原子,所以是制造原子尺度集成电路的一种理想工具。

其次,原子笔可用来制造微型机械。目前的微型机械是利用光刻法在硅片上制成的,基于上述同样的理由,不可能做得太小,而且只限于硅和少数几种与硅相容的材料。利用原子笔不仅可以造出比微型机械小得多的超微型机械,而且所用材料基本不受限制,只要在笔管中注入所需的原子就行了。

以原子写原子
以原子写“原子”

至此,聪明的读者一定会兴奋地大叫说:“我想出了一种绝妙的应用,利用原子笔可以造出宇宙万物!”想得妙!既然原子笔可以一个个原子地堆砌出集成电路和超微型机械来,在原则上就能制出任何东西,包括一切生物和人类在内!可不是吗?物质世界中的哪一样东西不是由原子所构成?不同的只是组成成分,即所包含原子的数量、种类及其排列而已。只要知道了其组成成分,就可以利用原子笔一个个原子地将之“写”出来。

如此万能之笔,岂不是太妙了吗?是的!从原则上说确实如此,但实际上还存在一些问题。

其一,原子笔还没有造出来,提出的只是一个方案。制造原子笔还存在一些技术上的困难:原子笔的纳水管必须完美无缺,不能有缺陷,否则其中的原子墨水不是被阻塞就是漏出来;纳米管的末端作为原子笔的“笔尖”十分重要,必须精心设计,目前尚未找到最佳设计;驱动原子墨水的激光功率不能过大,否则可能将纳米管烧毁……解决这些技术问题并无原则上的困难,原子笔迟早会造出来的。附带提一下:原子笔虽然尚未造出来,用原子墨水写的字却已经写出来了。国际商业机器公司(IBM)的科学家利用他们发明的“扫描隧道显微镜”的微探针,也能搬动单个原子,已经在晶片上写出了原子尺度的IBM三个字母。附图所示的“原子”两字,也是利用扫描隧道显微镜写出来的。微探针也可以算是另一种原子笔。但问题是速度太慢,操作极为困难,是一支“笨笔”。

IBM原子字
原子尺度的IBM三个字母

其二,原子笔的书写速度问题。原子笔的设计者预计其速度相当快——每秒可以写出七万个原子。这虽然比人用手写字快得多了,但是要利用它来完成某些任务仍远远不够。不妨看一个例子:比如说要造一个重量为千分之一克的超微型集成电路,这够小了吧?但问题是即使这样小,它仍包含着大约几百亿亿个原子,用每秒能堆砌七万个原子的原子笔.至少要花几十万年才能完成!怎么办?有以下几种方法可以加快速度:其实集成电路并非整体需要一个个原子地堆砌而成,例如电路的基片就可以采用现成的晶体,真正需要用原子笔一个个原子堆砌的只是其表面上的一薄层电路,这样就可以省事不少,如果将来的超级集成电路是立体的,整体都需要一个个原子堆砌,那该怎么办?可以多笔并用:一支原子笔只能一个个字地写,不够快。可将许多支笔连起来构成排笔,就能一行一行地写,包含一千支笔的排笔就比一支笔快一千倍。如果还嫌不够快,可将许多排笔连起来构成笔阵,就能一页一页地写,包含一千支这种排笔的笔阵就比一支排笔快一千倍,比一支原子笔快一百万倍。

问题之三是用原子笔制造活的生物存在原则性困难:前面提到要用原子笔制造东两,必须知道其组成成分、对活的生物而言,要在原子水平上完全了解其组成成分非常困难,除非将之杀死,那就不再是活的了。至于想用原子笔造人,除了解组成成分的困难以外,还有另一个原则性的困难,在自我意识的奥秘尚未揭露以前,无论采用什么方法,根本无法造出具有特定自我意识的人来。再者,就原子尺度而言,人是庞然大物,包含着大约几百亿亿亿个原子,即使用每秒能堆砌七万个原子的原子笔构成!1000×1000的笔阵,也至少要花一千万年才能造出一个人来,这样岂不是尚未诞生就已死了吗?好奇的读者会问:“为什么母亲生小孩只需十月怀胎呢?”问得好!这个问题触及天机:原来大自然的奥妙在于细胞能自我复制,一变二,二变四,四变八……生长速度按指数增加,越来越快,绝非原子笔那样一个个原子堆砌所能企及的。看来在可以预见的未来,即使有了原子笔,也只能做些如集成电路、微型机械等“死物”,要想用它做出“活物”来,科学家还得再参天机。

1997年春我回国时,访问了中国科学院物理研究所和清华大学,发现他们在纳米管技术方面很有特色,做出了世界水平的工作;不久前美国国家科学基金会(NSF)代表团访华,该会主席也盛赞中国在这方面所取得的成就。

唐代大诗人李白曾梦笔生花(见王仁裕《开元天宝遗事》)。我有一个梦,梦见最早问世的第一支原子笔写出来的竟是一句中文:“巧夺天工”!

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发布时间:2015/3/8 下午2:12:55  阅读次数:3794

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