1995年10月在苏格兰的一次聚会上,科学家讨论的主题是“纳米时代的器件”。“纳”是科学术语中的前缀,代表“十亿分之一”就如同,“微”代表百万分之一一样。而且正象微米技术是建立于只有百万分之几米的器件基础上一样,纳米技术要靠大小只有上述器件千分之一的仪器来实现。纳米是用来测量原子大小的单位。因为在制作各种器件时,原子是最小的结构单元,所以再去考虑标度更小的技术似乎没什么意义。
　 但在苏格兰,仍有些崇尚微小的人们在讨论皮米和飞米,它们分别为纳米的千分之一和百万分之一。个中的原因很简单。在你能控制某一事物之前,你首先得测出它的位置。而如果你的测量精度达到直径的千分之一或百万分之一,那将是相当激动人心的。

　　现在人们已达到相当高的灵敏度。慕尼黑工业大学的高勃利用一种称为SFM(扫描力显微镜)的器件其尖端只有50纳米的直径来研究生物素和抗生物素蛋白质的相互作用,这两种物质在自然界中以某种类似锁钥的关系结合在一起。SFM的尖部涂有单分子层厚的抗生物素蛋白,将其降低至有生物素的表面,之后用非常轻柔的力把它拉开。每拉一次,形成于尖端和表面间的众多生物素、抗生物素蛋白键中就会有一个断裂开来,这样尖头就会缩回几个皮米,而利用它高博士就能计算出断裂这种键所需的力的大小。
　　IBM苏黎世实验室的吉姆佐斯基和他的同事已开发出另一种研究分子间引力的设备:一种纳米热传感器。化学反应的能量改变会放出特定量的热。吉姆佐斯基博士的设备能测出仅有10000个分子参与的化学反应所释放的热能，肌细胞释放的热量。这项研究的目的在于从单细胞水平测量出健康细胞与病态心细胞在产热上的微小差别。　

　用纳米技术进行测量当然不成问题,但它同时还能帮人们取出那些待鉴别的物体。吉姆佐斯基的发明也为这种功用的实现铺平了道路。只需将一把铲子放在那只金属杆的末端,就有了一只可以随意使用的微型挖土机。IBM的研究小组近已完成了这项工作。他们的铲子能刮下一飞克的物质(约含10000个分子),如石蜡。之后缓慢加热金属杆,找到被铲上来的物质的熔点,就可确定其成份了。因为不同物质必定有不同的熔点。 

  　向更小尺度迈进虽然已取得相当多的成果,但参加苏格兰会议的人们仍兴致勃勃地讨论如何将测量敏感度的极限继续往前推进。

　　加利福尼亚大学洛杉矶分校的凯泽还描述了另一种类型的测量仪,目前他的小组及其他一些人正在努力开发这种测量仪。它通过记录两个相距极近的金属板间的电容变化,来高度准确地测量微小移动。如果两板之一被固定但另一个可以自由扭动,那么扭动时就会产生一个微小电流。如两板间间隔越小,仪器对位移量的灵敏程度就越高。这种仪器已被用作微型地震仪。它们在灵敏度方面可以轻松超越传统的地震仪，而且很快会应用于微型陀螺。

　　已有几家公司开始从事这一方向的研究,其中之一是洛克菲勒公司(美国一家工程公司)的汽车部,他们想将这些仪器用在抗锁定刹车系统中。为使这项应用获得成功,这些传感器必须能探测出相当于地球引力引起的加速度的百万分之一那么小的速度变化。该传感器是根据久已存在的双层金属片原理而制作的。将两种材料紧密地压成片状,当温度变化时由于两种材料的伸展率不同,金属片就会发生弯曲。而且传感器受热越多,弯曲得也越厉害。

　　不过,要想测出极小物体的弯曲却相当困难。吉姆佐斯基博士测量弯曲大小的办法是观测从金属片反射回来的激光束的偏转。吉姆佐斯基博士与阿姆斯特丹的沃里杰大学的一位物理学家范比克合作,对他的传感器进行测试。他们现在正一起致力于测量出苹果在一颗引力极弱的行星上的加速度,在那儿，苹果从桌面掉到地上要花10分钟。要想将测试极限降得这么低，困难重重。因为原子由于热振动(声子)的作用而不断地被撞来撞去,这就限制了对位置测定的准确度。一种解决办法是使目标物体降温,让其原子运动得极慢,但即使这样也无法彻底消除原子的热运动。不过既然声子是波,我们就可以操纵它。具体来说,对某些物体存在特定频率,此频率的波不会引起物体振动,这样声子就不能穿过该物体。而用于纳米技术中的小窄金属杆正是这样的物体,因为常见的声子不具备足够高的能量。

 　 美国全球变化研究小组(设在华盛顿特区)的主任麦克克拉肯为了完成即将由政府间气候变迁研究小组提出的报告,仔细审阅了各种地球工程学计划。他认为投资新能源技术将比控制环境更有益于人类社会。麦克克拉肯说:“大多数地球工程计划的毛病在于它是把钱往下水道里扔。如果你想做这种尝试,何不去研究一些替代能源?何不用这些钱来制造太阳能发电卫星,把光能发射回来?”麦克克拉肯还警告说,人们一旦走上地球工程技术之路就会沉溺其中。“为了让温度不再升高,人们必须不断重复这些操作。一旦由于某种原因这种工作被中断了,人类马上就会遭受更严重的变暖困扰。”
 　但橡树岭国家实验室的马兰认为无论这些地球工程学计划如何的不合口味,人类还是需要它们的。他参与撰写了国家科学院的那份报告。他在1994年美国科学促进协会的年会上帮助组织了一次针对细的金属杆发生共振的频率,　所以也就不能轻松地穿过金属杆。如果在金属杆一端挂上样品,那么就不会有任何声波穿过(要在一个足够低的温度)。

　　在苏格兰,加利福尼亚理工学院的鲁克斯向大家描述了这种精细构造的几个样品,这都是他和他的合作者们制作的。他说,在不久的将来,这些器件将被做得更小。甚至可以达到一个更基本的极限量子极限。此时声子问题就不存在了:热振动可能被忽略,所剩下的只有所谓的原子零点运动。这就是测不准原理量子力学原理的一个推论,它使你无法确切地知道某个原子的位置。物体在这个范围内的运动将是几飞米级的,而探测这种水平的运动的技术仍处于发展阶段。在这种灵敏度水平上,人们甚至可以跟踪单个原子的存在状态。
 　如果以鲁克斯博士正在制作的这类仪器为基础,人们有可能测出比IBM小组已实现的测量还要少得多的热量。当一个原子结合在一个表面上时,它就会以热的形式放出极小的能　即所谓的结合能。在良好的真空条件下,鲁克斯博士的方法将不仅能探测出此结合能的大小,而且能根据它们的特征结合能区分单个的原子或分子。不过你无法再从飞米级中了解更多的东西。 (英 The Economist》《95-10-14) ;并在评估某种控制自然界的策略之前,发展预测气候变化的技术。为了这一目标,　他和他的同事们正努力筹措资金,以便在大西洋上再进行一次小规模试验.

来源： 《中国科教创新导刊》1997年第02期  【作者：杨沈荣】