人類科技領域的革命

納米技術如今成了科學研究領域的熱門，成為世界許多國家科學家競相研究的領域。神奇的納米技術真可以說是引發(fā)了人類科技領域的一場革命，那么是什么點燃了這場革命的導火索呢?這里還不得不提到明星分子——巴基球。

瑞典皇家科學院把1996年諾貝爾化學獎授予美國賴斯大學教授羅伯特·柯爾和理查德·斯莫利以及英國薩塞克斯大學教授哈羅德·克羅托，以表彰他們在1985年發(fā)現(xiàn)的碳的球狀結構?；始铱茖W院的新聞公報說，三位學者在1985年一次太空碳分子實驗中偶然發(fā)現(xiàn)了碳元素的新結構——富勒式結陶，由60個以上的碳原子組成空心籠狀，其中由60個碳原子組成的分子，即碳60，形狀酷似足球，人們給它取了一個名字叫巴基球，用來表示。巴基球的直徑只有0.7納米，算得上是真正的納米顆粒。

科學家們多年夢寐以求，希望制造一種有洞的分子來容納或者傳遞不同的原子、離子，巴基球正好圓了這一夢想。目前，科學家們正嘗試打開“球門”，把原子、離子摻雜其中，使之成為能制取若干新型物質的分子容器。三位諾貝爾獎獲得者的這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了化學研究的新領域，對宇宙化學、超導材料、材料化學、材料物理，甚至醫(yī)學的研究有重大意義。目前新發(fā)表的化學論文中很大一部分都涉及這一課題。

但納米技術的真正倡導者是一位并不很出名的工程師埃里克·德雷克斯勒。德雷克斯勒在20世紀70年代中期還是麻省理工學院的一名大學生，他在科技圖書館里讀到遺傳工程的內容時產生了靈感。那時的生物學家們還在研究如何控制構成DNA鏈的分子。德雷克斯勒想，為什么不能用原子建造無機機器呢?直到后來他才知道，費曼幾乎在20年前就已經提出了類似的看法。這種想法讓德雷克斯勒著迷，他想:為什么不建造有自行復制能力的機器呢?一臺機器會變成兩臺，兩臺變成四臺，然后再變成八臺……這樣無窮地變下去，給那些能把簡單的原料加工成特定制品的機器加上這個功能，會給饑餓的人生產無窮數(shù)量的食物，或者為無家可歸的人建造無數(shù)的房屋，它們還可以在人的血管里游弋并修復細胞，從而可以防止疾病和衰老。人類有朝一日可以消遣放松一下，而納米機器人則可以像科幻小說作家描寫的那樣，承擔世界上所有的工作。然而當時多數(shù)主流科學家對此的反應是:一派胡言!但巴基球的誕生使研究人員開始著手做這件事。

詹姆斯·金澤夫斯基是IBM公司設在瑞士的蘇黎世研究實驗室的物理學家。他和同事一起擺弄的一臺隧道掃描顯微鏡有極其纖細的探頭，能像盲人閱讀盲文那樣透過物質表面記錄原子的存在。他們不但用35個氙原子拼出了IBM三個英文字母，而且他和他的幾個同事還想用一臺隧道掃描顯微鏡(STM)和一些巴基球制作一個能計算的機器。1996年11月他們推出了世界上第一臺分子算盤。該算盤很簡單，只是10個巴基球沿銅質表面上的一條細微的溝排成一列。為了計算，金澤夫斯基用隧道掃描顯微鏡的探頭把巴基球拖來拖去，細溝實際上是銅表面啟然出現(xiàn)的微小臺階，它們使金澤夫斯基可在室溫下演算。

理論上金澤夫斯基的算盤儲存信息的容量是常規(guī)電子計算機存儲器的10億倍。盡管在應用上它還很煩瑣，但它顯示了科學家在處理十分微小的物體方面已經非常熟練。這個工作可能是邁向制造出分子般大小的機器的第一步，移動單個分子或原子的技術是開發(fā)下一代電子元件的關鍵。

說到巴基球，一定要談到它的兄弟巴基管。巴基管是碳分子材料，與巴基球有著不同的形狀、相似的性質，其大小處于納米級水平上，所以又稱為納米管。它們的強度比鋼高100倍，但重量只有鋼的1/6。它們非常微小，5萬個并排起來才有人的一根頭發(fā)絲那么寬。巴基球和納米管都是在碳氣化成單個的原子后，在真空或惰性氣體中凝聚而自然形成的，這些碳原子凝聚結合時會組合成各種幾何圖形。巴基球是五邊形和六邊形的混合組合，不同的混合產生不同的形狀。然而，典型的納米管完全是由六邊形組成的，每一圈由十個六邊形組成，當然也有其他的結構。巴基球和巴基管具有多種性質，科研人員一直在研究它們在激光、超導領域以及醫(yī)藥領域的應用前景，并取得了不少成果曠

法國和美國科學家發(fā)現(xiàn)，利用單層碳片做成的單層納米碳管具有規(guī)則的結構和可預見的活動規(guī)律，這種極其細微的管子可用于許多領域，包括從未來的電子裝置到超強材料。

人類發(fā)現(xiàn)一種新物質，就要研究它的性質和功能，人們發(fā)現(xiàn)巴基球具有很多意想不到的神奇性質。

先是日本岡崎國立共同研究機構分子科學研究所于1993年合成了含有C₆₀分子的新超導體。這種新超導體由鈉、氮的化合物和C₆₀組成。據(jù)合成這種新超導體的岡崎國立共同研究機構主任井口洋夫等人介紹，他們先將氮化鈉和C₆₀粉末按一定比例混合，然后將其置于真空中，再在370℃的溫度下燒結約20分鐘，便合成了新的超導體。為防止這種混合物在大氣中會與水蒸氣發(fā)生反應，所以將其置于真空中。井口洋夫說，含C₆₀的新超導體在零下258℃表現(xiàn)出很好的超導性能。

美國紐約州立大學布法羅分校由華裔科學家組成的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，巴基球在摻入氯化碘雜質后，可在絕對溫度60度，即零下213℃時產生超導現(xiàn)象。在該校物理系教授高亦涵、博士后研究助理宋立維以及機械航空工程系教授鐘端玲、研究生符立德的這一發(fā)現(xiàn)之前，超導巴基球的臨界溫度約為零下243℃。摻入氯化碘的巴基球還具有對于未來實際應用十分有利的空氣穩(wěn)定性。研究小組稱，新發(fā)現(xiàn)的超導巴基球在置于空氣中40天之后，依然可以探測到超導特性，而這是以前發(fā)現(xiàn)的超導巴基球并不具備的性質。

法國和俄羅斯科學家利用巴基球研制成一種新的材料，其硬度至少和金剛石相當，并能在金剛石表面刮擦起痕。據(jù)英國《新科學家》雜志報道，法國巴黎全國科學研究中心的物理化學家亨里·斯茲瓦赫同莫斯科高壓物理學研究所的科學家，在高壓條件下使由60個碳原子構成的碳球晶體化而制成了這種超強聚合物材料。斯茲瓦赫說，他們原來是打算利用CQ制造金剛石，沒想到結果獲得的是另一種更堅硬的物質。他們利用的是俄方高壓物理研究所的機器，機器的中心是兩個錐形金剛石，他們把C₆₀材料置于其中一個金剛石的表面上，然后施以大約20個千兆帕斯卡的高壓(大約相當于20000個大氣壓)。在這同時，旋轉這兩個錐形金剛石，以產生一種壓力。法國科學家介紹說，當碳球材料在12個千兆帕斯卡壓力作用下時就開始向新材料轉變，但是施加更大的壓力之后這個轉變過程才全部完成。

人們還對巴基球在藥物方面的應用作了研究。日本京都大學、東京大學等相繼發(fā)現(xiàn)球形碳原子“C₆₀”能抑制癌細胞增殖、促進細胞分化，有望成為治療癌癥的新藥。京都大學生物醫(yī)療工程研究中心發(fā)現(xiàn)，將球形碳原子注入白鼠的癌細胞后，在光的照射下就能產生破壞癌細胞的活性酶，可有效地抑制癌細胞的增殖。東京大學和日本厚生省國立衛(wèi)生研究所也分別在試管實驗中發(fā)現(xiàn)，球形碳原子的化合物同其他抗癌藥物同時使用，能夠提高醫(yī)療效果、促進細胞分化。

美國科學家則發(fā)現(xiàn)，C₆₀具有保護腦細胞的作用，可望用它制造治療中風等疾病的藥物。美國華盛頓大學醫(yī)學院的一個科研小組把它進行了改造，使其能溶于水，再將它的水溶液注入老鼠體內，結果發(fā)現(xiàn)該水溶液能吸收可引起機體功能退化的自由基，并能夠防止腦細胞因缺少氧和葡萄糖而解體。研究人員解釋說，C₆₀是一種中空的大型無機分子，因而能吸引機體內的一些有害分子。

除了對巴基球本身進行研究之外，人們還對許多其他類似巴基球的分子進行了研究。日本國立材料和化學研究所同日產公司合作，通過計算機模擬，得出了有可能用60個氮原子合成類似巴基球結構的N₆₀分子的結論。計算機模擬的結果顯示，N₆₀分子與C₆₀分子會有相似的結構，但穩(wěn)定性較差。具體合成過程中，或許需要對氮氣進行冷凍或加壓，然后運用高強度激光照射，由此產生的分子團可能會具有強烈的揮發(fā)性，在受熱情況下瞬間恢復氣體狀態(tài)，并釋放出大量的能量。參與研究的科學家設想，利用這些性質，N₆₀分子可能會成為具有商業(yè)化應用潛力的炸藥或火箭燃料。計算機模擬也表明，N₆₀分子如果用作火箭燃料，產生的動力會比目前火箭中使用的液態(tài)燃料高出10%。

巴基球研究可能對解開宇宙形成之謎提供答案。美國科學家在隕石中發(fā)現(xiàn)了巴基球。這一成果證實了最早在實驗室中發(fā)現(xiàn)并合成的球狀結構碳分子在自然界中同樣存在，它是繼金剛石和石墨后人們發(fā)現(xiàn)的碳的第三種同素異形體。這塊名為“阿連德”的隕石1969年落于墨西哥境內。美國夏威夷大學和美國宇航局的科學家在研究中首先用酸對隕石碎片樣品進行了脫硫處理，然后將這些殘渣放人有機溶劑，最終分離出球狀碳元素，他們在英國《自然》雜志上詳細介紹了有關的研究過程。科學家早先在隕石坑周圍的沉積物中就曾發(fā)現(xiàn)過球狀碳，但科學家們在“阿連德”隕石中發(fā)現(xiàn)的球狀碳不僅包含大量C₆₀和C₇₀，而且還有從C₁₀₀到C₄₀₀等一系列原子數(shù)更高的碳分子結構，據(jù)悉，在自然界發(fā)現(xiàn)原子數(shù)如此之高的球狀碳分子尚屬首次?？茖W家們指出，“阿連德”隕石中存在球狀碳，這對研究該隕石形成時期，太陽系中原始星云和塵埃物質的狀況將有所幫助;另外，新發(fā)現(xiàn)也意味著在研究地球早期形成歷史時，可能應考慮該種特殊結構碳分子所起的作用。因為空心籠狀的這些碳分子具有較強的吸附氣體能力，攜帶球狀碳的隕石落到地球后，不僅可為地球帶來碳元素，而且也有可能對地球大氣構成產生相當大的影響。

科學家還用巴基球搞起了藝術晶。在1998年世界杯足球賽期間，德國化學家突發(fā)奇想，在分子水平上制造了一座“大力神”金杯復制品。這一微型金杯最終被慷慨地贈與冠軍得主法國隊。微型“大力神”杯由單分子制成，高僅為3納米，還不到高36厘米的真正“大力神”杯的億分之一。作為國際足球界最高榮譽的象征，“大力神”金杯圖案由兩個大力神背對背高舉雙臂，背托一個地球而構成的。德國埃朗根－紐倫堡大學化學家赫希及其學生在研究中發(fā)現(xiàn)，一些具有特殊形狀的分子，可成為在微觀尺度上制造“大力神”杯復制品的理想材料。赫希等利用被稱為“巴基球”的C₆₀分子來模擬“大力神”杯中的地球圖案，“巴基球”分子結構呈空心籠狀，酷似微型足球。而微型“大力神”金杯底座則由一種杯狀分子制成。赫希認為，這一特殊的結構很可能在科學上也能找到用途。他介紹說，光照射至“巴基球”分子后，會產生單電子而進入制造底座的杯狀分子。如果能俘獲這一單電子并將其引入電通路，那么分子“大力神”杯有可能用來制造新型太陽能電池。

巴基球如此神奇，可是要想制造它們就不那么容易了，迄今為止這種神奇的小球的價格還是遠遠超過了黃金。這就為科學家們提出了新的挑戰(zhàn)，促使他們尋找新的制造方法。盡管還不知道新方法將是一個什么樣的過程，但是科學家們相信一定會找到這種新方法的。如果真能在工廠里大量生產，那也將是令人震驚的，如果你考慮到它的無數(shù)用途，其中包括用作其他分子之間的“分子導線”(用來制造新一代小型化學傳感器)、用作能“感覺”物體表面單個原子結構的納米探頭的頂端(用來測試超純硅芯片的質量)以及用作理想的結晶基。

在對巴基球熱火朝天的研究中，中國科學家也不甘落后。他們采用計算的方法對巴基球的分子結構進行了精確的計算，得到的數(shù)據(jù)對實驗非常有價值。

近年來，我國科學家在C₆₀的制備與分離技術方面也取得重大進展。中國科技大學設計建成的合肥國家同步輻射實驗室的光譜實驗站在C₆₀真空紫外吸收光譜的研究中取得令人鼓的成果。對C₆₀的研究是國際上繼“超導熱”之后的又一熱門課題，這個實驗站獲得的階段性成果在國內外均是首創(chuàng)性的。復旦大學、上海原子核研究所等單位組成的C₆₀課題攻關組，自行設計并建立的這套C₆₀制備裝置，其含量穩(wěn)定在15%左右，最高可達18%，日生產能力為30至35克。他們對分離方法做了重大改進，用新工藝可分離得到純度99.5%以上在的C₆₀。

巴基球奇妙的結構和神奇的性質激發(fā)了科學家們的靈感，使他們不斷地感知到微觀世界的奧妙，種種奇思妙想也同時應運而生，神奇的納米世界的大門終究會被我們人類一點一點地打開。