原子积木乐园
“为什么我们不能把整个24卷的《大英百科全书》写在大头针的针尖上呢？”
上面这个问题 ， 是美国著名物理学家理查德·费曼在1959年12月的一次演讲中提出的 ， 但他并不是想拥有一套可随身携带的百科全书 ， 他考虑的是如何操控原子的问题 。 费曼敢于想象 ， 认为在“了不起的未来” ， 我们能按照自己的需求操纵每一个原子 。
不过在人类历史的大部分时期 ， 我们使用的东西都是大自然给我们做的 。 然后 ， 我们找到了提炼和加工它们的方法 。 例如 ， 我们学会了冶炼金属 ， 并添加其他元素来制造出像钢一样的合金 。 这些材料给我们提供了从餐具、厨房水槽到喷气式发动机等一切很牛的东西 。 我们甚至成功地设计了能够控制电流的材料 ， 创造了能为你的智能手机和笔记本电脑工作的微芯片 。
目前 ， 在很大程度上 ， 我们使用的原料仍局限于天然矿物 ， 想要获得新材料 ， 我们得用这些材料来合成 ， 但这阻碍了我们继续前行 。 例如 ， 我们想利用余热来发电 ， 但无论我们如何聪明地组合各种原料 ， 我们似乎都无法造出廉价的热电材料 。 此外 ， 商用太阳能电池板的转化效率最高只有20%左右 ， 我们的智能手机常会在关键的时候没电 ， 很显然我们需要更好的电池材料 。
为了创造出我们想要的东西 ， 我们需要用一个一个原子来搭建出新的材料 ， 就像费曼在近60年前梦想的那样 。 这如同走进了原子积木乐园一样 ， 我们可以建造出各种神奇的东西 。
那么 ， 我们要做的第一步 ， 就是能抓起原子 。
文章插图
抓起原子
20世纪80年代初期 ， 费曼其实就目睹“了不起的未来”时代的来临 。 当时 ， 瑞士的 IBM 苏黎世研究实验室的研究人员发明了一种能力超强的新型显微镜 ， 叫做扫描隧道显微镜 ， 它利用了一种叫做“隧道效应”的奇特量子力学现象 。 隧道效应指的是微观粒子能够跨越不可能的障碍的现象 。 一种形象的说法是 ， 一个粒子在旅行中遭遇了一座高山 ， 但它没有足够的能量翻过去 ， 按照经典力学 ， 粒子是越不过这座高山的 ， 但是量子力学却认为 ， 粒子具有一定的概率可以直接穿过这座高山 ， 抵达山的另一面 。
IBM的研究人员在一个探针和样品表面之间施加一定的电压 ， 并让金属探针逐渐接近样品的表面 。 他们发现 ， 当探针和样品表面之间的间隙距离达到一个原子的宽度时 ， 样品表面的电子就会因隧道效应从表面离开 ， 抵达探针 ， 这就产生了一个隧道电流 。 隧道电流的大小 ， 与针和样品表面之间的间隙距离呈正相关 。 因此 ， 通过测量隧道电流 ， 就可以计算出探针与表面之间的间隙距离的变化 ， 从而能绘制出样品表面上原子的模样 。
【真的能用原子积木构建材料世界？】有了扫描隧道显微镜 ， 我们第一次看到了原子 ， 但这只是一个开始 。 研究人员很快就发现 ， 扫描隧道显微镜可以抓起原子并移动它们 。 只要让探针足够接近样品表面上的原子 ， 那么它们之间就会出现一种短程的静电力 ， 这就是范德华力 。 借助这种力 ， 探针就可以抓住下方的原子 ， 你可以拖动它沿着样品表面水平移动 ， 将探针抬离样品表面 ， 这个原子与探针之间的范德华力就消失了 ， 此时原子就会停留在那里 。
1989年 ， 位于美国的IBM阿尔马登实验室的研究人员 ， 将35个氙原子移到了镍表面 ， 并拼出了“IBM”三个字母 。
尽管这是一个令人印象深刻的实验演示 ， 但是要想移动成千上万个原子 ， 并以此来制造出前所未有的新材料 ， 仍有很长的路要走 。
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