零火 译自PhysicsWeb - Physics World

关于自复制纳米机器会成为吞噬地球的“灰色粘质”的景象可能只会存在于幻想中，但是“基本纳米技术”将会给社会带来巨大的利益。问题是我们将如何最好地实现这个目标。

纳米技术已经慢慢地进入通俗文化中，但是不是以科学家所喜欢的那种方式。有一个明显的例子在“Dorian”中——小说家Will Self重新改写的奥斯卡·王尔德（Oscar Wilde）的“The Picture of Dorian Gray”的现代版。在其中的一个场景，洛杉矶市郊的一座阴暗的工业建筑内，Dorian Gray和他的朋友们看到一排排的杜瓦瓶，里面放着冷冻着的躯体，等待着医学科学的发展直到能够治疗这些人的疾病。虽然Dorian的一个朋友怀疑技术再怎么发展也不能修复解冻时引起的损坏，但是他的另一个朋友——Fergus——则更乐观一些。

“当然他们可以”Fergus说，“Dorian说他们将用叫做什么nannywhatsit的，和小机器人什么的来干这事——是吧，Dorian?”

“纳米技术，Fergus你说的很对，他们将使用具有超级智能的小机器人共同工作来修复我们被损坏的身体。”

图1：公众对纳米技术的看法常常被类似的这些插图误导——对一个物理学家来说，这是非常不可信的——在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物。图片来源：Julian Baum/Science Photo Library
 

这种纳米技术将导致能在我们血液中航行的微小的机器潜艇的观点是十分普遍的，象（图1）那样的图片经常能在介绍纳米技术的出版物中见到。然而现今的纳米技术产品却要普通的多——防污的裤子，更好的防晒霜以及用碳纳米管加强的网球球拍等。在技术的许诺和技术的现实之间有一道几乎是超现实的鸿沟。

这种不同的原因在于大部分纳米技术的定义都过于宽泛。他们假设任何在1-100纳米范围内控制与制造物质的技术分支都可被看作纳米技术。然而，许多被定义为纳米技术的成就却仅仅只是传统领域中的成果，如材料和胶体科学中的研究进展。这足以稍稍打破一些纳米技术的定义。

我们所说的“增值纳米技术”包括通过控制纳米尺度上的结构来改善材料的特性等。例如塑料，可以用纳米粘土颗粒来加强。使得它们更结实，更硬和具有更好的化学抗性。化妆品可以配制成能更好地驱散油相，因此改善产品涂在皮肤上的感觉。这些是被我们称为基于纳米技术的商业产品，在它们后面的科学技术是成熟的并且这些产品也确实比以前有了很大进步。然而它们并没有实现决定性的突破。

“进化的纳米技术”则使我们不仅仅在纳米尺度上重新设计材料，而且能实现真正的能做些事的纳米装置。这种装置可以，例如，感知周围的环境，处理信息或者转换能量，象纳米尺度的传感器，可以使用碳纳米管的巨大表面和其他纳米结构材料来探测环境污染或者生化药剂。其他的进化纳米技术的产品则是半导体纳米结构——例如量子点和量子阱——可以用来制作更好的固体激光器。

科学家也在开发更成熟的封装药物分子的方法并可以在合适的时候释放它们。

增值和进化纳米技术结合在一起正在推动当前的工业和学术兴奋点向着纳米尺度推进。进化纳米技术正在迈出巨大的步伐，越来越多的产品将在接下来的五年内出现在市场上。

灰色粘质和基本纳米技术

但是这些离Eric Drexler描述的纳米技术的景象有多远？在1986年Drexler出版了一本有影响的书叫做“创造的发动机：即将到来的纳米技术时代”，书中他设想了可以以原子级精度动作的纳米机器。我们可以把这种目标称为“基本纳米技术”，Drexler设想了实现基本纳米技术的一种途径，采用坚硬的材料，例如钻石，通过移动反应分子块到适当的位置来构成复杂的纳米尺度的结构。他的方法本质上来说是机械的，集成微小的齿轮，轴承和传动装置来制造微型机器人工厂，探针和车辆（图2）。

图2：最初的“基本”纳米技术的版本可以追溯到Eric Drexler——加州远景学院的创始人——他预见了可以精确操纵原子的纳米机器。他设想使用坚硬的材料，例如钻石，来制造复杂的纳米尺度结构，通过移动反应分子块来实现。图中这种运动控制器，可以成为用来组装分子的纳米机器的一个部件。来源：K Eric Drexler/Institute for Molecular Manufacturing, http://www.imm.org/
 

Drexler的最引人注目的论点是，基本纳米技术可行是因为细胞生物学给我们提供了无数成熟的纳米机器的例子，例如驱动我们肌肉的分子马达，它可以把化学能转化为机械能，并且拥有惊人的高效率，还有离子通道和离子泵（图3），它们可以控制通过膜的分子流。其他的例子还有核糖体——可以制造蛋白质分子的分子机构，它可以按照DNA的指令一个氨基酸一个氨基酸地，精确地制造蛋白质。

图3：细胞生物学为我们提供了数不清的成熟的纳米机器的例子。例如图中这种生物纳米机器，可以被膜上的电压或者信号分子驱动，开关钾离子通道，左图为关闭状态，右图为开放状态。因此钾离子可以被选择性地通过膜（用黄色条表示）。来源：David S Goodsell, Scripps Research Institute/RCSB Protein Data Bank. 
 

Drexler认为既然生物工作的这么好，那么研究者们应该做的更好。因为生物使用的是没有前途的柔软的材料——蛋白质，脂类分子和多糖分子——并且使用的是受进化中产生的偶然事件限制的随机设计方法。虽然运动是通过改变这些分子的形状产生的，胜过宏观的齿轮和活塞运动，此外，分子是在与周围的分子不断碰撞中运动的——大家都知道布朗运动——胜过管道输送。我们这些研究者们，却有着可供支配的最好的材料，我们当然能创造有效的能繁殖和适应环境的人工生命形式，它们将会在与“常规”生命竞争资源的过程中取得胜利吗？

Drexler的书提出了一个大问题，我们设计的人工生命形式可能会产生失控的自复制机器，最终使得所有正常的生命都被灭绝。

我们会因为偶然或者恶意的设计，而制造出蔓延整个生物圈的自复制纳米机器人，使得资源被消耗光并且使得生命，包括我们人类自己被灭绝吗？Drexler用“灰色粘质”的景象加强了这种令人恐慌的可能性，因此也触发了公众对纳米技术的怀疑，并引发了小说家Michael Crichton's 的灵感写成了小说Prey，并且很快被拍成了电影。

无论如何，很多科学家只是把Drexler关于微型纳米机器人的描述看成科学幻想，所以上述情况甚至不值得考虑。的确，Drexler自己也在最近声明说自复制机器毕竟不是分子纳米技术所必需的。

Drexler幻想的缺陷

我们现在检查Drexler的最初幻想的缺陷仍然是有意义的，因为它能给我们提供如何实现基本纳米技术的线索。例如，为什么在一个科学家的眼里纳米机器潜艇的图片是那么的荒诞不经？原因在于这些图片假设我们在宏观尺度应用的工程原理可以被简单地缩小用于纳米尺度。但是在这样的尺度上的物理学是很不一样的。设计用来在宏观尺度上工作的装置在缩小到微观尺度以后就会越来越难以工作。因此一艘纳米潜艇在微观尺度上的工作环境与它的宏观尺度上的兄弟是非常不一样的。

小的物体具有小的雷诺数——与物体尺寸和流体速度及粘性的比值有关的一个无量纲的量。因此在此尺度上的主要运动阻力就由粘性力引起而不是惯性力。另外，流动的分子由于布朗运动也会不断地撞击目标，因此潜艇会不断地被推来撞去，它内部的部件和机构也会在不断的随机运动中被弯曲和拉伸。还有一个不同是，在纳米尺度上表面力变得很强：所以纳米潜艇很可能会被粘在它第一个碰到的表面上而动弹不得。这三个因素——低的雷诺数、到处存在的布朗运动和强的表面力——使得纳米尺度上的工程设计十分具有挑战性，至少在室温下的水中是这样。

那么基本纳米技术是否是不可能实现的呢？生物学告诉我们，与Drexler暗示的情况相反，生命通过数十亿年的进化，利用纳米尺度上起作用的特殊的物理学，达到了高度优化的程度。细胞生物学使用的自组装和分子形状的改变规则极大地扩展了纳米尺度的特殊物理学的应用——也就是到处存在的布朗运动和强表面力的应用。换句话说，如果我们要实现基本纳米技术，我们就应该使用柔软的材料并学习生物的设计范例。我们也不应该担心灰色粘质质，因为要想生产比自然产生的生物体更加优越的纳米有机体是非常困难的。

通向基本纳米技术的途径

即使纳米技术传教士的最极端的想象没有发生的可能，纳米技术——在纳米尺度上的能做些事情的机器结构——当然还是会在我们的生活中扮演越来越重要的角色，在接下来的半个世纪中。这些新技术是否会产生革命性的冲击还很难说。科学家通常会过高估计10年内能做到的事情，但是却会过低估计50年内能做到的事情。

有时在纳米技术的伟大景象——带机械手的纳米潜艇正在修复我们的身体——和它的实际现实——改进的洗发香波和空调器之间的差异使人沮丧。但是我们在纳米尺度上操纵物质的产业化过程中获得的经验却是慢慢会变得价值不可估量的。同样的，我们也不能忽视纳米技术的很多早期应用本质上说就是个玩具——儿童的或成<