世界上體積最小的收音機(jī)

1、世界上體積最小的收音機(jī)一一碳納米管收音機(jī)一根碳納米管，就是一個(gè)收音機(jī)，可以接收無(wú)線電信號(hào)，并播放音樂(lè)。納米技術(shù)堪稱“下一代科技領(lǐng)袖”最熱門(mén)的候選者。最激進(jìn)的借導(dǎo)者宣稱，納米技術(shù) 其實(shí)就是一套分子制造系統(tǒng)，可以通過(guò)機(jī)械方法讓一個(gè)一個(gè)分子彼此相連，自動(dòng)構(gòu)架出各 種各樣的結(jié)構(gòu)，最終制造出各種結(jié)構(gòu)復(fù)朵的成品。然而，事實(shí)卻并非如此?！凹{米”這個(gè)術(shù)語(yǔ)己經(jīng)被過(guò)度濫用，幾乎任何微小物件都在 用“納米”這個(gè)名字為口己臉上貼金，甚至連機(jī)油、防曬霜、唇膏、滑雪蠟之類(lèi)的商品都 號(hào)稱含有“納米粒子”。即使如此，誰(shuí)乂能料想得到，第一批真正可以發(fā)揮作用、能夠?qū)?宏世界產(chǎn)生明顯影響的納米器件當(dāng)中，居然會(huì)有收音機(jī)呢？2021年

2、，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家亞歷克斯策特爾Alex Zettl 及其同事發(fā)明了一種納米管收音機(jī)，擁有一身令人稱奇的好功夫：?jiǎn)螁我桓技{米管就可 以接收廣播信號(hào)，放大并轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)，發(fā)送到外接擴(kuò)音器上，讓人耳能夠輕松識(shí)別。 不信?好吧，請(qǐng)登錄canal的助聽(tīng)器、手機(jī)和iPod等等。策特爾宣稱，納米收音機(jī)將 “輕松嵌入一個(gè)活細(xì)胞。到時(shí)候，制造一個(gè)與大腦或肌肉功能接口的裝置，或者能用無(wú)線 電控制在血管中游動(dòng)的器件將不再是夢(mèng)想” 納米管的魅力納米器件體積極小，重力和慣性效應(yīng)影響甚微，而一些微弱的電場(chǎng)卻能在納米世界里 興風(fēng)作浪。策特爾率領(lǐng)30多名研究人員，致力于分子尺度器件的研究工作。納米

3、管具有不同尋 常的結(jié)構(gòu)，成了他們的研究重點(diǎn)。盡管誰(shuí)先發(fā)現(xiàn)納米管仍具爭(zhēng)議，但納米管能在科學(xué)界大 出風(fēng)頭，應(yīng)歸功于日本物理學(xué)家飯島澄男Sumio Iijimao 1991年，飯島教授宣布，他在 發(fā)出電弧即放電所形成的明亮弧狀閃光的石墨電極頂端發(fā)現(xiàn)了一些“針狀碳管” 這些納米管的特性令人稱奇。它們大小相差懸殊，形狀多種多樣，包括單壁管、雙壁 管和多壁管等。其中有的直，有的彎，有的甚至首尾相接形成環(huán)，就像一個(gè)面包圈。但所 有納米管都具有一個(gè)共性，那就是擁有相當(dāng)高的抗拉強(qiáng)度tendle strength,材料被拉斷 前能承受的最大應(yīng)力。策特爾指出，納米管之所以具有這種非凡特性，是因?yàn)椤耙环N口然界中最牢固

4、的化學(xué) 鍵將碳納米管內(nèi)的碳原子結(jié)合在一起”。單壁納米管還具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，不但大大超 過(guò)銅、銀等金屬，甚至還超過(guò)了超導(dǎo)體superconductor “這是因?yàn)殡娮釉诩{米管中移 動(dòng)時(shí)不會(huì)撞上任何東西，”他解釋說(shuō)，“納米管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)直是太完美了。”策特爾決定要打造一種能夠通過(guò)無(wú)線方式彼此聯(lián)系，并能無(wú)線發(fā)送探測(cè)結(jié)果的微型傳 感器，納米收音機(jī)的創(chuàng)意由此產(chǎn)生。他說(shuō)：“這類(lèi)器件將監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況?！卑堰@些傳感器 件安置在一座工廠或煉油廠周?chē)鼈儽銜?huì)把探測(cè)結(jié)果發(fā)回到某個(gè)收集站。任何人只要登 錄谷歌，“點(diǎn)擊某城市名稱，就能査看當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)空氣質(zhì)量了”。策特爾希望發(fā)明一種納 米管質(zhì)量傳感器，在以此為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)中，

5、他的研究生肯尼思詹森Kenneth Jensen發(fā) 現(xiàn)，如果將碳納米管一端固定于某一表面，形成一根懸臂梁cantilever,當(dāng)一個(gè)分子落在 懸臂梁的口由端時(shí)，懸臂梁就會(huì)振動(dòng)。分子質(zhì)量不同，振動(dòng)頻率也就不同。策特爾注意到， 這些振動(dòng)頻率覆蓋了某些商業(yè)無(wú)線電頻段，是把這種懸臂式納米管做成收音機(jī)的構(gòu)想就 變得再誘人不過(guò)了。策特爾知道，一臺(tái)收音機(jī)至少有四個(gè)基本部件：夭線，用來(lái)接收電磁 波信號(hào);調(diào)諧器，從所有正在廣播的頻道中選擇想要收聽(tīng)的頻道;放大器，用于增強(qiáng)信號(hào)； 解調(diào)器，將信號(hào)中的有效信息從攜帶信息的載波中分離出來(lái);有效信息彼傳送到外接揚(yáng)聲 器上，由揚(yáng)聲器將這部分信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以聽(tīng)得到的聲音。碳納米

6、管注定會(huì)成為這種收音機(jī)的核心器件，它集優(yōu)秀的化學(xué)特性、兒何特性及電氣 特性于一身。只要把這個(gè)微型裝置放在一組電極之間，便能同時(shí)具備上述四種功能，而無(wú) 需其他部件。策特爾和詹森首先制定了一個(gè)總體設(shè)計(jì)方案。此方案要求在電極末端做出一根多壁碳 納米管，就好像是插在山頂上的旗桿。之所以選用多壁管，是因?yàn)樗绕渌技{米管略大， 而J1更易安置在電極表面，不過(guò)后來(lái)他們也曾用單壁碳納米管制作出一臺(tái)納米收音機(jī)。這 種多壁管長(zhǎng)約500納米，直徑10納米，大小與形狀都同某些病毒差不多。它可以通過(guò)納 米操控技術(shù)nanomanipulation安置在電極上，或者通過(guò)所謂化學(xué)氣相沉積法chemical vapor de

7、position,從電離氣體ionized gas中沉積出一層乂一層碳原子直接在電極上 生長(zhǎng)出來(lái)。電極頭圓圓的，就像半個(gè)巴基球buckyball,不遠(yuǎn)處有一個(gè)反電極 counterelectrodeo在這兩個(gè)電極間施加一個(gè)很小的直流電壓，便會(huì)產(chǎn)生一股從納米管端 頭流向反電極的電子流。這個(gè)發(fā)明的想法就是，無(wú)線電廣播中的電磁波會(huì)撞擊納米管，使 納米管隨著電磁信號(hào)的振動(dòng)而發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。既然納米管能與入射的無(wú)線電波共振，它就 能起到夭線的作用，當(dāng)然這種夭線的工作只用一根納米管，便可實(shí)現(xiàn)部件眾多的普通收音 機(jī)的所有功能。由于納米管極其微小，因而它一遇到無(wú)線電信號(hào)便會(huì)快速振動(dòng)。把這根納 米夭線與外圍電路接

8、通，我們便可以操縱它完成選臺(tái)、放大，將音頻成分同無(wú)線電波的其 他成分分離開(kāi)來(lái)解調(diào)，最終使我們能聽(tīng)到“海灘男孩”或喬治弗霍德里克漢徳爾的音 樂(lè)。納米管收音機(jī)接收普通收音機(jī)的夭線通過(guò)電磁效應(yīng)接收信號(hào)，也就是說(shuō)，電磁波在夭線內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流， 但夭線本身始終靜止不動(dòng)。而在納米收音機(jī)中，納米管是一個(gè)極其纖細(xì)、輕巧的帶電物體， 入射的電磁波足以推動(dòng)它機(jī)械地來(lái)回運(yùn)動(dòng)。“納米世界神奇無(wú)比，與宏觀世界大不一樣，” 策特爾指出，“納米器件體積極小，以致重力和慣性效應(yīng)影響甚微，反倒是殘余電場(chǎng)對(duì)這 些小玩意兒起主要作用?！奔{米管的振動(dòng)會(huì)改變從納米管端頭流向反電極的電流用專(zhuān) 業(yè)術(shù)語(yǔ)說(shuō)就叫做場(chǎng)致發(fā)射電流。場(chǎng)致發(fā)射fiel

9、d-emission是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，也就是 一個(gè)較小的外加電壓可以引發(fā)一個(gè)物體如針尖的表面發(fā)射出一股較大的電子流?；?場(chǎng)致 發(fā)射的工作原理，人們不僅期望納米管能充當(dāng)天線，還希塑它能完成信號(hào)放大任務(wù)。入射 到納米管的微量電磁波將使納米管振動(dòng)著的口由端釋放出一股較大的電子流。這股電子流 將放大入射信號(hào)。下一步就是解調(diào)demodulation,也就是把聲音或音樂(lè)等有用信息從無(wú)線電臺(tái)發(fā)射的載 波中提取出來(lái)。在調(diào)幅amplitudemodulation, AM無(wú)線電廣播中，這種分離是靠整流濾波 電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種電路只對(duì)載波信號(hào)的振幅有反應(yīng)，對(duì)頻率則完全無(wú)視。策特爾的團(tuán)隊(duì) 推想，納米管收音機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)這一功能：當(dāng)納米管隨著載波頻率發(fā)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)，它同 樣也會(huì)響應(yīng)載波中編碼的信息成分。說(shuō)來(lái)也巧，整流正好就是量子力學(xué)場(chǎng)致發(fā)射與生俱來(lái) 的一項(xiàng)特質(zhì)。這就意味著，從納米管流出來(lái)的電流僅隨信號(hào)中的編碼成分即被調(diào)制的信 息成分而變，載波則被拒之于門(mén)外了。這一功能的實(shí)現(xiàn)不需要任何額外電