纳米管收音机可以嵌入细胞？

一根碳纳米管，就是一个收音机，可以接收无线电信号，并播放音乐。

撰文 埃德·里吉斯（Ed Regis）
翻译 郭凯声

    纳米技术堪称“下一代科技领袖”最热门的候选者。最激进的倡导者宣称，纳米技术其实就是一套分子制造系统，可以通过机械方法让一个一个分子彼此相连，自动构架出各种各样的结构，最终制造出各种结构复杂的成品。

    然而，事实却并非如此。“纳米”这个术语已经被过度滥用，几乎任何微小物件都在用“纳米”这个名字为自己脸上贴金，甚至连机油、防晒霜、唇膏、滑雪蜡之类的商品都号称含有“纳米粒子”。即使如此，谁又能料想得到，第一批真正可以发挥作用、能够对宏世界产生明显影响的纳米器件当中，居然会有收音机呢？

    2007 年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家亚历克斯·策特尔（Alex Zettl）及其同事发明了一种纳米管收音机，拥有一身令人称奇的好功夫：单单一根碳纳米管就可以接收广播信号，放大并转换成音频信号，发送到外接扩音器上，让人耳能够轻松识别不信？好吧，请登录www.sciam.com.cn，亲耳听听它播放的歌曲《Layla》。纳米收音机的发明者指出，这种收音机或许能催生一系列全新的应用，比如可以完全放进耳道（ear canal）的助听器、手机和iPod 等等。策特尔宣称，纳米收音机将“轻松嵌入一个活细胞。到时候，制造一个与大脑或肌肉功能接口的装置，或者能用无线电控制在血管中游动的器件将不再是梦想”。

纳米管的魅力

    纳米器件体积极小，重力和惯性效应影响甚微，而一些微弱的电场却能在纳米世界里兴风作浪。

    策特尔率领30 多名研究人员，致力于分子尺度器件的研究工作。纳米管具有不同寻常的结构，成了他们的研究重点。尽管谁先发现纳米管仍具争议，但纳米管能在科学界大出风头，应归功于日本物理学家饭岛澄男（Sumio Iijima）。1991 年，饭岛教授宣布，他在发出电弧（即放电所形成的明亮弧状闪光）的石墨电极顶端发现了一些“针状碳管”。

    这些纳米管的特性令人称奇。它们大小相差悬殊，形状多种多样，包括单壁管、双壁管和多壁管等。其中有的直，有的弯，有的甚至首尾相接形成环，就像一个面包圈。但所有纳米管都具有一个共性，那就是拥有相当高的抗拉强度（tensile strength，材料被拉断前能承受的最大应力）。

    策特尔指出，纳米管之所以具有这种非凡特性，是因为“一种自然界中最牢固的化学键将碳纳米管内的碳原子结合在一起”。单壁纳米管还具有优异的导电性能，不但大大超过铜、银等金属，甚至还超过了超导体 （superconductor）。“这是因为电子在纳米管中移动时不会撞上任何东西，”他解释说，“纳米管的结构简直是太完美了。”

    策特尔决定要打造一种能够通过无线方式彼此联系，并能无线发送探测结果的微型传感器，纳米收音机的创意由此产生。他说：“这类器件将监测环境状况。”把这些传感器件安置在一座工厂或炼油厂周围，它们便会把探测结果发回到某个收集站。任何人只要登录谷歌，“点击某城市名称，就能查看当地的实时空气质量了”。策特尔希望发明一种纳米管质量传感器，在以此为目标的实验中，他的研究生肯尼思·詹森（Kenneth Jensen）发现，如果将碳纳米管一端固定于某一表面，形成一根悬臂梁（cantilever），当一个分子落在悬臂梁的自由端时，悬臂梁就会振动。分子质量不同，振动频率也就不同。策特尔注意到，这些振动频率覆盖了某些商业无线电频段，于是把这种悬臂式纳米管做成收音机的构想就变得再诱人不过了。策特尔知道，一台收音机至少有四个基本部件：天线，用来接收电磁波信号；调谐器，从所有正在广播的频道中选择想要收听的频道；放大器，用于增强信号；解调器，将信号中的有效信息从携带信息的载波中分离出来；有效信息被传送到外接扬声器上，由扬声器将这部分信号转换成可以听得到的声音。

    碳纳米管注定会成为这种收音机的核心器件，它集优秀的化学特性、几何特性及电气特性于一身。只要把这个微型装置放在一组电极之间，便能同时具备上述四种功能，而无需其他部件。

    策特尔和詹森首先制定了一个总体设计方案。此方案要求在电极末端做出一根多壁碳纳米管，就好像是插在山顶上的旗杆。之所以选用多壁管，是因为它比其他碳纳米管略大，而且更易安置在电极表面，不过后来他们也曾用单壁碳纳米管制作出一台纳米收音机。这种多壁管长约500 纳米，直径10纳米，大小与形状都同某些病毒差不多。它可以通过纳米操控技术（nanomanipulation）安置在电极上，或者通过所谓化学气相沉积法［chemical vapor deposition，从电离气体（ionized gas）中沉积出一层又一层碳原子］直接在电极上生长出来。

    电极头圆圆的， 就像半个巴基球（buckyball），不远处有一个反电极（counterelectrode）。在这两个电极间施加一个很小的直流电压，便会产生一股从纳米管端头流向反电极的电子流。这个发明的想法就是，无线电广播中的电磁波会撞击纳米管，使纳米管随着电磁信号的振动而发生机械振动。既然纳米管能与入射的无线电波共振，它就能起到天线的作用，当然这种天线的工作原理与传统收音机天线不同。

 解剖最小收音机
    只用一根纳米管，便可实现部件众多的普通收音机的所有功能。由于纳米管极其微小，因而它一遇到无线电信号便会快速振动。把这根纳米天线与外围电路接通，我们便可以操纵它完成选台、放大，将音频成分同无线电波的其他成分分离开来（解调），最终使我们能听到“海滩男孩”或乔治·弗雷德里克·汉德尔的音乐

纳米管收音机

接收

    普通收音机的天线通过电磁效应接收信号，也就是说，电磁波在天线内产生感应电流，但天线本身始终静止不动。而在纳米收音机中，纳米管是一个极其纤细、轻巧的带电物体，入射的电磁波足以推动它机械地来回运动。“纳米世界神奇无比，与宏观世界大不一样，”策特尔指出，“纳米器件体积极小，以致重力和惯性效应影响甚微，反倒是残余电场对这些小玩意儿起主要作用。”纳米管的振动会改变从纳米管端头流向反电极的电流——用专业术语说就叫做场致发射电流。场致发射（field-emission）是一种量子力学现象，也就是一个较小的外加电压可以引发一个物体（如针尖）的表面发射出一股较大的电子流。基于场致发射的工作原理，人们不仅期望纳米管能充当天线，还希望它能完成信号放大任务。入射到纳米管的微量电磁波将使纳米管振动着的自由端释放出一股较大的电子流。这股电子流将放大入射信号。

    下一步就是解调（demodulation），也就是把声音或音乐等有用信息从无线电台发射的载波中提取出来。在调幅（amplitudemodulation，AM）无线电广播中，这种分离是靠整流滤波电路来实现的，这种电路只对载波信号的振幅有反应，对频率则完全无视。策特尔的团队推想，纳米管收音机也可以实现这一功能：当纳米管随着载波频率发生机械振动时，它同样也会响应载波中编码的信息成分。说来也巧，整流正好就是量子力学场致发射与生俱来的一项特质。这就意味着，从纳米管流出来的电流仅随信号中的编码成分（ 即被调制的信息成分）而变，载波则被拒之于门外了。这一功能的实现不需要任何额外电路。

    简单地说，电磁信号到来时会引起纳米管的振动，纳米管在这一过程中起着天线的作用。纳米管振动端将信号放大，同时依靠内建整流装置的场致发射特性使载波与信息成分分离。然后反电极将探测到场致发射电流的变化，并把歌曲或新闻等广播内容传送到扬声器，由扬声器把信号转变为声波。

本文作者：

埃德·里吉斯撰写过7 本科学著作，包括不久前问世的《什么是生命：在合成生物学时代探秘生命本质》（What is Life ：Investigating the Nature ofLife in the Age of SyntheticBiology）。该书介绍了构建人工活细胞的开创性尝试。里吉斯夫妇目前隐居于美国马里兰州戴维营附近的山区。