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纳米机械的过去和未来         
纳米机械的过去和未来
作者:思议 文章来源:不可思议网 点击数: 更新时间:2006-4-21 1:11:45
写词 )因为微型器件表面积比率更大。表面效应——好的和坏的——变得比宏观器件更加重要。如果值得做,这样的问题最终会被解决,但是现在它带给人们的是困难的技术挑战。毫无疑问,我们将会发展出更复杂的纳米机械以及类似人类尺度机械的纳米机械模型,但是在我们制造出适合任何实际用途的纳米器件之前,还有很长的一段路要走。也没有任何理由认为纳米机械一定要和人类尺度机械相似。
  这些系统能不能自我复制?目前,我们还不知道如何制造可以自我复制的机器,无论是任何尺度或者任何类型。根据最近的生物研究,我们知道了关于一个活的细胞最低水平的复杂程度,这个细胞可以维持自我复制:一个有300个基因的系统足以进行自我扶植。我们还不清楚如何把这一数字转化成为我们熟悉的那种机械,也不清楚如何设计一个自我维持的自我复制机械。我们仅仅向自我复制的纳米机械迈出了第一步。(参见Go Forth and Replicate,作者Moshe Sipper 和 James A. Reggia,科学美国人8月号) 

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核糖体(左图)按照RNA(紫色的)的信息制造蛋       白质(金色的)。
这类似于装配线上的焊接机器人(右图)。

  另一个问题更加棘手。哪里可以找到供纳米机械使用的动力?没有纳米尺度的电源插座。细胞使用特定的化合物进行化学反应提供动力;纳米尺度机械相应的策略尚待发展。能够自我复制的纳米机械如何贮存和使用信息?生物的策略是基于DNA的,它运行的很好,然而如果想使用一个不同的策略,我们就不清楚如何入手了。
  有“抓取和放置”钳子的装配工消除了装配纳米机械的困难,也通过忽略消除了自我复制的困难:假设有一台机器能够消除令人烦恼的装配方面的问题,它能够通过一个一个的放置原子从而合成物质和建造任何结构。然而,在化学家来看,装配工似乎是行不通的。让我们考虑两个约束条件。
  第一个是钳子,或者叫做装配工的爪子。如果它们能够灵巧的抓取原子,那么它们就要比原子还小。但是爪子只能是用原子构成的,而且要比它们“抓取和放置”的原子还要大。(想象一下用你的手指制造一块精致的手表,而不借助任何工具)。第二个是原子的本性。原子,特别是碳原子,与相邻的碳原子紧密的结合。当从某处拿走一个原子的时候需要能量(能量提供的问题),而把它安放的时候又会放出能量(冷却问题)更重要的是,一个碳原子几乎能与任何东西结合。很难想象什么样的装配工的钳子从原料中取出原子的时候不会被粘住。(相像一下用从另一只手表上拆下的零件装配你的手表,这些零件全都涂上了一层粘糊糊的胶水:如果你试图把零件分开,它们就会粘到你的手指上。)
  如果我们能制造一台纳米潜艇,它能工作吗?一个人类尺度的潜艇可以在水中自如的运动,依靠的是螺旋桨推进器——旋转的螺旋桨把水推向后方从而使潜艇前进——和控制方向的舵。会游泳的细菌使用鞭毛结构,鞭毛看起来就像柔软的螺旋或者鞭子,但是能够起到类似于螺旋桨的功能。
  水分子将会比纳米潜艇小,但是不会小的太多,并且在纳米尺度上它们的热运动是十分迅速的。碰撞使一个纳米尺度的物体迅速的反弹(这个过程被称作布朗运动),但是方向是随机的:任何控制运动方向的企图将会被迅速运动的水分子无情的碰撞所粉碎。纳米尺度的航海家需要适应布朗运动的风暴,这风暴可能撞毁他的船体。对于大约100纳米的船,大多数航行的目的都要听天由命,因为小船几乎无法掌舵,在某种意义上如同纳米潜艇。血流中的细胞——质量比纳米潜艇大10到100倍——不能控制自己的方向:它们仅仅是在血流中翻斤斗。一个纳米潜艇至多有希望选择一条大致的方向,但不会有特定的目的地。不管人们是否可以制造或者控制纳米器件,它们都不适于探测疾病这种复杂的工作。
  用“微型潜艇”探测和消灭体内患病细胞——诸如癌细胞——的部分策略应该着眼于寻找猎物。为了这个目的,它们可能不得不模仿在我们体内运作的免疫系统的样子。对于“正常”细胞、病原体细胞和癌细胞的识别是一个复杂的过程,这需要一整套免疫系统,包括组成它的数以十亿计的专门细胞。癌细胞表面并没有标志表明它们是危险的。在癌细胞的许多特征中,它们和正常细胞没有

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