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分子马达

探索詹姆斯·吉姆泽夫斯基设计的微型工作算盘,展示了使用碳珠进行的分子操作。

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几年前,詹姆斯·吉姆泽夫斯基制造了一个微型工作算盘,其珠子由碳分子组成。吉姆泽夫斯基坦率地承认,这个装置并没有什么特别的用处;它的目的是为了展示他在IBM苏黎世研究实验室的团队能够多么熟练地操纵分子。他们技能的最新体现是一个由单个分子制成的螺旋桨(见右图),它每秒旋转约1亿次,这种装置有望比他们的算盘更实用。

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吉姆泽夫斯基最初并非打算制造螺旋桨——他试图设计一种在电场中可以改变形状的分子。他希望这种多变的分子能够成为计算机新型存储器的基础,分子的不同形状代表不同的数据位。这些分子由氢和碳的环组成,像螺旋桨叶片一样从苯环(另一个碳环)的中心伸出。

当他使用薄膜将这些分子沉积到铜片上时,他发现一些分子开始自发旋转。他可以使用扫描隧道显微镜观察这些分子,该显微镜通过沿表面拖动细针来成像。计算机根据针头的运动生成分子浮雕图。当吉姆泽夫斯基的分子不移动时,显微镜显示出像照片下方的分子疙瘩状簇。但当分子旋转时,它们移动速度太快,显微镜无法单独分辨,因此疙瘩融合在一起形成甜甜圈形状。

是什么让这些分子旋转?吉姆泽夫斯基认为,一个螺旋桨的“叶片”在化学上被邻近螺旋桨的叶片吸引。但由于螺旋桨之间的化学键非常弱,只有一点点热能就会将叶片分离,并使其旋转到另一个位置。

这些螺旋桨有一天可能会为微型机器的设计师提供为其创造物供电的来源。但由于吉姆泽夫斯基的螺旋桨太小——事实上,太小了,无法添加到任何现有的微型设备中——可能需要围绕螺旋桨,逐个分子地构建更新、更小的机器。“我一直认为微型机器太大了,所以如果能缩小它们,那将是一个巨大的优势,”吉姆泽夫斯基说。“采用自下而上的制造方法构建马达是可行的;这是自然界采用的方法。”

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