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日期: 2016-10-05 | 來源: 沈海軍博客 | 有0人參與評論 | 字體: 小 中 大
2009年，印度塔塔汽車公司發布了自稱為世界上最便宜的汽車，見圖1（左）。這是壹款簡單得連雨刷器都沒有的汽車！汽車長度僅為壹般汽車長度的2/3，有肆個座位，售價2000美金。該汽車有壹個有趣的名字“納米汽車”。據稱，這款車的壹些部件的確運用了納米技術。然而，我們這裡要講的納米汽車卻要比塔塔公司的這款汽車小得多得多，尺寸只有幾拾微米，乃至幾納米，屬於“貨真價實”的納米汽車。這些納米汽車尺寸之小，肉眼根本無法分辨，只有借助電子顯微鏡，甚至分辨率更高的掃描探針顯微鏡才能看得見。
人類可以用小的機器制作更小的機器，最後將逐個地排列原子，制造產品。這是著名物理學家諾貝爾獲得者理查德×費曼1959年對納米技術的最早夢想。從那以後，人類開始了對納米世界的探求。近來很多研究致力於包括納米汽車在內的納米/分子機器的合成與制作，並企圖用於實現特定的任務。同宏觀的汽車壹樣，未來納米車的目的也是為了將納米顆粒或分子送到某個固定的地方，最終成為“納米生產”中的運輸工具。
講到這裡，大家不要誤以為，納米汽車只是我們腦子裡或者理論上概念而已。事實上，現在，多款真正意義上的納米汽車已經在實驗室內被成功研制，其中，美國萊斯大學的Tour教授於2005年“制造”的首輛納米汽車（有人也稱其為“分子汽車”，見圖1（右））尤為知名。在這些“納米達人”的掌控中，把玩的不僅僅是納米科技，更是壹種藝術。
壹、Tour和他的“納米汽車”
Tour是美國著名有機合成化學家，如圖2所示，是萊斯大學納米尺度科學與技術中心的知名教授。Tour教授的科學研究領域很廣，包括分子電子學、化學自組裝、高分子傳感器、碳納米管生長等。他的科研成果極為卓著，曾發表過300余篇論文，擁有30余項專利。其中，他的兩項科研成果----“納米娃”/人形分子（NanoKids）和分子汽車使得他名聲鵲起，轟動壹時。
Tour教授近年來得到過各種各樣的科研獎勵，其中，兩項大獎值得壹提，那就是2005年的本田納米汽車發明獎以及2007年美國Foresight研究院的費曼納米試驗技術獎。這兩項大獎的獲取，很大程度上要歸結於他的傑作―納米汽車，而Tour 本人也因此被譽為“納米汽車之父”。
按照Tour最初的設想，他納米汽車將由汽車底盤、輪子、座椅、車鑰匙、車輪軸組成；以熱或者太陽能為能源；整個車身允許承受微小的扭曲變形，以適應路面上的坎坷與顛簸；汽車底盤可考慮采用“工”字形的寡聚物分子；車輪采用碳60富勒烯球狀分子或納米顆粒；車軸采用炔基的線性有機分子；車座椅采用叁角形、船形或者杯狀分子，這些座椅的凹陷部位用來裝載有效載荷。
Tour教授還設想，這種納米汽車可以裝載藥物分子，因為體積小，所以能在器官和血管中自由通行。在它座椅的凹陷處裹挾著藥物，當納米送藥車在體外磁場的作用下抵達患處，然後經過調節患處酸鹼度或離子強度，納米汽車座椅上裝載的藥物就被釋放出來。當然，他還希望這種特殊的交通工具能夠被用於分子構造領域，譬如，承載壹個分子的“貨物”，在納米工廠之間運送原子和分子。
然而，直至2005年，Tour教授的美好願望仍沒能完全實現。此時他制造出的納米汽車依然顯得拾分簡陋，沒有方向盤、發動機和座位，僅由壹個亞苯基伸乙炔基的寡聚物“汽車底盤”、肆個炔基“車軸”和肆個球形的碳60富勒烯“車輪”組成，見圖3。盡管如此，Tour 2005年制作的這款納米汽車仍被認為是壹項偉大的成果。他的納米汽車論文成為當年美國化學會雜志論文中訪問最多的文章，同時也成為《生命科學》列出的在所有科學領域中排名第贰的最有影響論文。
Tour 2005年建造的汽車寬3納米，相當於壹根頭發直徑的3萬分之壹。它的車軸由壹炔基線性分子片段構成，每個碳60富勒烯輪子都能獨立地繞車軸轉動，見圖4，這使得這款車能夠在凹凸不平的原子表面行進。
為了研究該納米車的運動性能，該納米汽車被放置在金片表面，先通過強電場將納米車“束縛“在金片的表面，當溫度上升到170℃以上時再去掉電場，這時納米車就能像微型汽車壹樣運動。借助掃描電子顯微鏡，Tour發現，當環境溫度在170攝氏度到220攝氏度之間時，即在熱的作用下，這種肆輪的納米汽車只能前後運動，而不能側向運動，這說明汽車的運動是基於輪子（繞車軸）的轉動而不是通常分子間的滑動，見圖5。這壹情形到和我們普通的汽車完全相同。
贰、Tour納米汽車的升級版
Tour教授2005年建造的納米汽車可以在熱的作用下前後運動。但有壹個問題，汽車初始運動的方向沒有確定性，對於平齊的相同的幾輛納米車，有的會向前運動，有的會向後運動，而這種運動離我們利用納米汽車定向輸送分子的目的不符。因此，Tour教授想到是否能像宏觀汽車壹樣給納米車裝上馬達。而此刻，尋找驅動納米車作定向運動的馬達壹直是困擾科學家們的壹個重大難題。
到現在為止，人們已經發展了各種各樣的分子馬達，但由荷蘭格羅寧根大學Ben Feringa博士設計的單向馬達具有最好的應用前景。Feringa博士的分子馬達實際上是壹個光輻照下構型可以改變的有機分子，具備以下幾個特點：它可以實現重復轉動；使用光作為動力源；可以實現單向運動；其功能的實現不需要復雜的轉動；即使在金屬表面也可以運動。
借鑒Feringa博士光分子馬達的思想，Tour教授著手給他的納米汽車底盤上“安裝”這種馬達。然而他快發現，富勒烯車輪的納米車安裝上這種分子馬達後是不能工作的，主要原因在於“在外界光照下，富勒烯車輪對能量的吸收遠超過分子馬達，而導致馬達不能正常工作”。為此，2007年，他對2005年款的納米汽車進行了升級，選擇碳硼烷作為車輪，同時，車軸被換成了炔烴，這些舉措都是為了讓分子馬達能夠充分地吸收光能。經過改裝後，Tour驚奇地發現，在分子馬達的作用下，新款的納米汽車居然能夠緩緩的做定向運動，見圖6，盡管運動的速率非常慢。
2008年，Tour教授再接再厲，又設計了壹個最新型的納米汽車，見圖7。2008年款的納米汽車底盤更寬，底盤前後又各有兩個小的分子基團，這將為汽車上搭載和固定小分子提供了可能。
最後需要補充壹點，Tour教授制作上述納米汽車的工藝和我們普通的汽車制造是完全不同的兩個概念。納米汽車的制造完全是在實驗室內通過瓶瓶罐罐化學反應合成的。而且，汽車合成後，只有通過電子顯微鏡才能看得到。
叁、Rapenne的“納米手推車”
談到納米車，另外壹個人及其作品也不得不提，那就是法國國家科學研究院（CNRS）的科學家G Rapenne教授和他的“納米手推車”。“納米手推車”的概念是Rapenne教授2002年提出的，它和工地上人工搬運沙石的雙輪手推車構型極為相似，前方是壹個由兩個“輪”和壹根“軸”組成的車輪，後方是兩個“把手”，把手和車輪之間由“車身”相連，見圖8。“納米手推車”的長和寬均為2～3納米，高0.7納米左右。
為了研究該手推車是否能夠被推動，Rapenne教授首先用化學方法合成了手推車的車輪。該車輪由壹個中軸將兩個輪子連接在壹起，每個輪子均為壹個“叁葉烯”，見圖9。叁葉烯輪子的直徑為0.7納米左右。接著，Rapenne教授將該車輪放在銅晶體的表面，並用掃描隧道顯微鏡的針尖撥動該車輪。最後他發現，該車輪居然能在銅原子的表面滾動。
肆、微納米F1賽車
離子束化學氣相沉積（FIB-CVD）技術最早是日本學者松井真贰提出的。該技術需要將壹基體材料置於芳烴的實驗氣氛環境中，並采用高能的聚焦镓離子束在基體表面進行化學氣相誘導沉積。目前，利用該項技術，科學家們已經在半導體材料，甚至發絲表面制作了多個叁維的納米結構。FIB-CVD技術的思路如下：沉積時，先固定離子束，在基體表面誘導形成壹個基礎立柱；然後離子束被移動壹個不超過立柱直徑的距離，靜止不動直到在立柱頂端沉積出幾拾納米厚度的階梯；繼續重復上述過程，就能使得沉積的材料層層疊加在前面沉積的結構上；最終在基體表面構造出復雜的叁維納米結構來。
圖10的微納米F1賽車就是FIB-CVD技術的代表作。微納米賽車的作者是美國德克薩斯大學電子工程系的兩位研究生，Jang-Bae Jeon和Carlo Foresca。整個F1賽車的長度為15微米，車輪及車軸的直徑為幾微米，甚至幾百納米。
那麼，上述的微納米F1賽車又有什麼實用價值呢？應當講，除了展示FIB-CVD技術以外，它僅僅只是壹個非常小的賽車模型，壹個“擺設”而已。當然，我們也不排除有收藏家將其作為納米藝術品高價收購的可能性。
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