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如何在针尖上写一部百科全书

撰文 | 严壮

一根缝衣针的直径大约是0.5毫米,一本1000页的百科全书摊开的面积大约是60平方米,差不多是针尖横截面积的3亿倍,在针尖上写下整部百科全书可以说是天方夜谭。然而六十多年前,一位伟大的物理学家就曾提出这一构想,并且人们沿着他的思路,到现在我们可以将成千上万本书存在指甲盖大小的存储卡中,最终将这件看似不可完成的事完成了,他就是理查德・费曼(Richard Feynman)。

费曼(左图)和存储卡(右图)

费曼因量子动力学方面的贡献获得诺贝尔物理学奖,他更为民众熟知的贡献是参与美国秘密研制原子弹的“曼哈顿计划”,以及调查挑战者号航天飞机失事原因。他的物理学讲义也成为大学物理的经典教材之一,在全世界范围内都有大量读者。正如费曼在自传《你干吗在乎别人怎么想》中自述他是一个满是好奇心的人,在1959年冬天,加州理工学院召开的美国物理学会年会上,他将一段时间以来非常感兴趣的领域――小尺度下操纵和控制物质的问题向大会报告,这就是那篇著名的演讲:“底部大有空间”(“There is plenty of room at the bottom”)。

费曼的演讲

在演讲中,费曼首先简要的回顾了当时物理学的一些发展方向,例如昂纳斯(Heike Kamerlingh Onnes)引领的超低温方向(低温超导),布里奇曼(Percy Bridgeman)引领的超高压方向(人造金刚石)以及超高真空方向等。费曼自然而然地将话题转移到超小尺度这个有着重大应用价值的方向上。在针尖上书写一本百科全书,即是费曼提出的一个构想。实现这一构想主要需要两部分工作,第一部分是在针尖上写下百科全书的全部内容,这一步要求在小尺度上操纵和控制“笔”来写出很小的字,第二部分是要让人的眼睛可以看到这些很小的字,也就是需要有相应的放大显示设备。

现在讨论如何在针尖上写很小的字的问题,费曼提出了三种解决方案,第一种是将电子显微镜的放大镜头倒置过来用于缩小,将离子源射出的离子束经过这种倒置的放大镜头进行聚焦,进而在线扫描时控制离子束强度,形成字体的一个个像素点,这种方法与现在的聚焦离子束(FIB)加工技术原理上类似,感兴趣的读者可以再深入了解。第二种方法是在第一种方法的基础上进行改进,通过制造一些字体的模板,让离子束透过这些模板自然的变成字体形状的离子束,再进行聚焦,从而避免进行线扫描,加快书写速度。第三种方法是直接将电子源通过倒置的电子显微镜进行聚焦,不断轰击在针头上,留下相应的刻痕,这个过程很像雕刻,聚焦的电子束像一把刻刀,用电子束在针头表面进行雕刻即可获得想要的形状,现在的电子束曝光(EBL)直写技术与此原理类似,在电子束难以在材料表面留下刻痕时,还可以通过电子束抗蚀剂来帮助留下印记。此外,在将字写得更小的同时,费曼也在考虑用一种新的符号形式来更简洁的表达字母或者字符,类比于DNA分子链通过四种碱基进行编码,他希望使用材料本身的性质,即不同元素作为基本编码工具,相较于二进制中的0和1,显然一百多种的元素可以存储更多的信息,当然这一构想直到现在还未实现。

世界上最小的徽标――35个氙原子(左图),麻省理工学院的科技人员利用电子束曝光技术加工出2.2纳米的间距(右图)

为了让人的眼睛看到这么小的字,需要制造出更好的显微镜。费曼列举了很多拥有更好的显微镜可以完成的工作,对于生物学家而言,DNA的结构和序列是怎样的,与蛋白质中氨基酸的序列有何关联,RNA的结构是怎样的?对于化学家而言,化学反应的过程是怎样的?这些问题最简单的解决方法就是――直接看一看这些过程。尽管那时显微镜的极限分辨率大概是1纳米,费曼预言未来电子显微镜的分辨率将达到其所在时代显微镜的100倍,现在最先进的显微镜分辨率可以达到0.039纳米,虽然没有达到100倍的目标,但25倍的提高已经足够强大到可以看清单个原子。2017年,三位在冷冻电镜领域做出开拓性贡献的科学家共享了诺贝尔化学奖,他们的工作使得生物学家能够更容易的看清蛋白质等生物大分子的结构。

冷冻电镜解析谷氨酸脱氢酶结构分辨率逐渐提高

除了在针头上书写百科全书这样大胆的构想,费曼关于制造微型机械的想法更令人心潮澎湃,他设想可以制造像生物细胞一样的微型机器人,费曼引用一位朋友的话,做手术时能将手术医师吞进身体里会很有趣,这在现在已经有一些应用场景。同时他认为随着微型计算机运行速度的提高尺寸必定会降低,拥有更多元件的计算机可以实现更多更复杂的功能,他举了一个图像识别领域的问题,设想计算机和人一样识别人的面孔,这一定程度上已经由现在的深度神经网络实现,而推动深度学习发展的动力,正是由于计算机元件的不断缩小和因此产生的不断提高的处理速度。

费曼的终极目标是通过一双强有力的手直接控制原子的排列,通过物理的方法控制原子排列来实现各种化学物质的合成,从而成为“造物者”,而这种操控产生的物质在小尺度下可能产生新奇的性质,值得去深入的探索。对于纳米科技的研究意义,费曼已经提出了一些可能的应用价值,但正如他在演讲结尾处提到的 “But have some fun”,除了应用价值以外,研究人员还应该对于纳米科技本身充满好奇心,这样在“底部空间”中才能行走的越来越远。

强有力的手直接控制原子的排列(左图),自下而上创建原子级的精确结构(右图)

参考文献:Feynman R P. There's plenty of room at the bottom[J]. California Institute of Technology, Engineering and Science magazine, 1960.

本文经授权转载自微信公众号“国家纳米科学中心”,原标题为《科普原创 | 如何在针尖上写一部百科全书》。