石墨烯和纳米管将在未来的纳米机器中取代硅

保罗·麦克尤恩，康奈尔大学物理学教授兼康奈尔大学纳米尺度科学卡夫利研究所所长。 | Michael Okoniewski

在2011年的惊悚小说《螺旋》中，一名科学家被迫吞下一群带有利爪、照料真菌的微型机器人，这一场景几乎没有给小型机器带来积极的形象。因此，这本书的首次作者、49岁的物理学家保罗·麦克尤恩（Paul McEuen）是纳米科学领域的领导者，纳米科学是研究小于微米（百万分之一米）的结构的学科，这似乎有些奇怪。

有人可能会认为，他的同行科学家会对他从自己的领域中挖掘出杀人的血腥方式感到不安。“实际上，”麦克尤恩说，“他们非常支持我。我甚至在《真菌学杂志》上获得了一个好评。”麦克尤恩性格放松、深思熟虑且学识渊博——在一篇学术文章中，他引用了休谟、乔伊斯和贝克特以及诺贝尔奖获得者物理学家理查德·费曼和尼尔斯·玻尔——他是一个兴趣广泛的人，但他的科学研究重点已经缩小到非常非常小的尺度。

在2001年被吸引到纽约州伊萨卡，担任康奈尔大学原子和固体物理实验室主任时，麦克尤恩已经是碳纳米管领域的权威。碳纳米管是直径小于十亿分之一米的天然圆柱形结构。2010年，他还兼任了享有盛誉的康奈尔大学纳米尺度科学卡夫利研究所所长。

如今，他花费了大量工作日来探索石墨烯的特性，石墨烯是世界上最薄的材料，厚度仅为一个原子。他管理的研究所涉及16名教职员工及其研究小组，他们正在创造有一天将用于制造和控制纳米机器人和其他仍停留在科幻小说中的原子尺度机器的工具。麦克尤恩正在协助规划一项雄心勃勃的、耗资数十亿美元的计划，该计划将利用纳米材料同时监听数百万个脑细胞。

当他不研究实验室中的原子尺度物体时，麦克尤恩会和他的心理学家妻子苏珊·怀瑟（Susan Wiser）以及他们的六条狗一起在家中打磨他的下一部惊悚小说。DISCOVER杂志派遣记者道格·斯图尔特（Doug Stewart）前往伊萨卡，采访麦克尤恩关于纳米科学的未来走向。据麦克尤恩说，非虚构的未来是一个充满血管内潜艇、微型柔性计算机和“小即是美”的世界。

你一直被小东西吸引吗？

我记得小时候对蚂蚁、黄蜂和其他昆虫着迷。我会放一个可乐罐，站在20英尺外，用望远镜观察黄蜂落在上面。这些令人惊叹的小小的机器可以做各种各样的事情。我认为这很有启发性：我得到了这架望远镜来看星星，但最终却用它来看小东西。即使在当时，我的兴趣就在于此——那个存在于微观尺度而非宏观尺度的额外宇宙。

但你最终没有选择成为一名昆虫学家。

没有。本科时，我在俄克拉荷马大学学习工程物理，我所有的学位都来自工程系。我父亲希望我继承他在俄克拉荷马州的石油生意，但我却想成为一名科学家。后来，当我考虑读研究生时，我读到了耶鲁大学一位名叫罗伯特·惠勒（Robert Wheeler）的教授，他正在制造微型的一维导体和晶体管——基本上是非常细的导线。我不知道那是什么，但我认为听起来很酷。他在20世纪80年代末成为了我的博士导师。

是什么让你对那些细细的导线感到兴奋？

有一种感觉是，一个未被探索的世界正在刚刚打开。如果器件足够小，单个电子的影响就会开始变得重要。在麻省理工学院，我完成了博士后工作，我们制造的晶体管非常小，里面只有一两个或也许三个电子。晶体管用于打开和关闭设备中的电子流，并放大该流，以便你可以将一个信号发送到许多设备。它们是计算机的构建模块。晶体管做得越小，速度就越快。

这是你第一次涉足原子尺度技术。纳米技术包含什么？为什么它很重要？

纳米技术是指我们可以制造直至纳米尺度（十亿分之一米，大约是人类DNA分子宽度的一半）的设备和机器。就电子学而言，纳米科学已经将其推向了纳米尺度——我们已经在芯片上实现了密度极高的器件阵列。目标是在该尺度制造能够完成实际工作的机器。

1992年，在你加入加州大学伯克利分校的教职之后，你的注意力转向了碳纳米管，这是一种比人类头发细10,000倍的碳圆柱体。发生了什么？

碳纳米管是天然存在的——我们现在知道在烟灰中可以找到它们。我在伯克利的时候，莱斯大学的化学家理查德·斯莫利（Richard Smalley）正在学习如何在实验室中大量生长碳纳米管。我们想，“让我们试着把其中一些连接起来。”

这些纳米结构有什么让你感到兴奋？

碳纳米管令人惊叹，因为它们是极好的导体，而它们的直径却只有几个原子。你可以用它们来制造晶体管，就像用硅一样。在伯克利，我们制造了有史以来最窄的器件。它基本上是一个单一的分子。正是这种基础科学支撑着即将到来的应用。

你能描述一下那些应用吗？碳纳米管可能会如何使用？

一种方法是使用它们来制造高性能、小型器件，以取代硅。你可以像使用硅晶体管一样使用它们，但性能更高——就像硅晶体管芯片一样。IBM正在研究与此相关的技术。而且因为它们非常柔韧，所以你可以将它们用于高性能的柔性电子产品，如果你希望你的电子产品能够在柔性屏幕上显示，它可能会很有用。它们也可能对纳米传感器有用：它们非常小，即使单个分子附着在上面，也会改变其导电性能，从而让你能够感知单个分子的存在。

自2001年以来，你一直在康奈尔大学。你正在研究什么？

最近，我们一直在研究石墨烯，这是一种单原子厚的薄片，完全由呈六边形排列的碳原子组成，就像鸡网一样。你可以把它想象成一个被压平的碳纳米管。与纳米管不同，你可以使其覆盖大面积，使其更均匀，而且作为一种材料，它更容易使用——它与纳米管的差异就像纸张与棍子的差异一样大。

石墨烯几乎在各个方面都是一种非凡的材料。它具有导电性，因此可用于电子设备。它极其柔韧，所以像纸一样的东西实际上可以是一种电子显示屏。当你用探针推动单层石墨烯时，它会像玻璃纸一样轻微起皱，但不会撕裂。事实上，石墨烯和碳纳米管都极其坚固。你可以对它们做各种恶劣的事情——将它们浸入酸中，将它们放在水下——它们都不会有问题。

在其2011年的小说《螺旋》中，保罗·麦克尤恩设想了像这样的微型机器人组成的微型仆人队伍。| Dial Press

石墨烯的耐用性有什么用处？

这意味着它可以承受各种环境而不会损坏，这在纳米尺度上很难做到。你体内的许多纳米机器——我指的是酶这样的生物机器——的寿命不超过几个小时。它们在你体内会不断地被替换，因为它们会因化学分解而失效。如果你希望一个设备在你体内工作多年，比如脑植入物，耐用性是必不可少的。

基于对石墨烯的基础研究，可能会出现什么样的纳米机器？

由于纳米机器尚不存在，我们无法说它们会是什么样子。你可能会认为它们看起来会像我们已知的机器的微缩版本，所以如果你要制造一个在血液中移动并寻找癌细胞的微型机器，它可能会看起来像一个小型潜艇。但更有可能的是，它看起来会像其生物学上的等价物：一个细菌，具有柔软的可活动部件，通过弯曲来使其游动，还有一个小螺旋桨。

你正在做什么？

我们使用的结构是建造这些机器的元素——你可以称之为面板和螺丝。最近，我们制造了许多微型石墨烯谐振器。它们基本上是原子厚度的鼓面。制造出世界上最薄的鼓，观察它是否能振动并发出声音，这是非常迷人的。

你可以像调谐真正的鼓一样调谐纳米鼓，具体取决于你在膜上施加多少张力。它们以FM广播信号的频率振动，因此可用于小型通信系统。例如，如果你想制造一个血管内潜艇，你需要将信息传入和传出。舰载的石墨烯谐振器可以像手机一样调谐到特定频率的信号，但它会非常小巧，功耗极低。

你还一直在设计石墨烯铰链，这将是任何纳米尺度机器所必需的组成部分。石墨烯铰链是如何工作的？

传统的门铰链是一个复杂的装置，有很多零件，所以很难制造——你必须制造所有这些零件，并知道如何将它们组装起来，这并不容易。石墨烯铰链更像纸张折叠。我们制作了一个铰链，通过打开和关闭约10,000次来测试它，以证明它在正常使用情况下是牢不可破的。

用硅制成的这样的铰链，你可能会建造一个微型可控镜阵列，可以在新型电视屏幕中改变像素的颜色和反射率。或者，如果你建造了一个纳米潜艇，你可能想把它密封在药物中，以便将其输送到你想杀死癌细胞的地方。然后，一个带有铰链的石墨烯门就可以打开并在现场释放药物。你可以设计多个折叠，就像折纸设计一样。

你一直参与设计如何利用纳米科学工具来更好地理解大脑。主要目标是什么？

医学界希望有柔性脑植入物，这样他们就可以将它们插入大脑的脊或褶皱之间，并从大脑深处接收信号。例如，柔性电子植入物可以帮助人们控制假肢。我们实际上还没有在这方面进行过任何工作——我们只是在展望未来。

设计这样的脑植入物面临的关键挑战是什么？

一个挑战是，你希望电线足够小，这样在将它们插入大脑时不会造成脑损伤。但如果它们太小，就很难插入——就像推一根绳子。你真正需要的是一个半自主的小设备，它知道如何爬进大脑的缝隙中，将它的小电线或光纤拖在后面，连接到正确的位置，然后出来，再抓住另一根电线，依此类推。这目前是科幻小说，但它可能会发生。

难怪你开始写科幻小说。你的小说《螺旋》中出现了杀人的“微型爬行者”。你是否担心损害纳米技术的形象？

我可能更担心损害我作为科学家的声誉。但我认为管它呢——《侏罗纪公园》可能吸引了更多人投身科学，而不是吓跑他们。无论如何，人们期望惊悚片要有点夸张。