探索極小世界

周國臻

在生產(chǎn)微型零件的機(jī)械車間，工程師生產(chǎn)的導(dǎo)線很細(xì)，激光器很小，即使幾千根導(dǎo)線、幾千個激光器捆扎在一起，肉眼也看不見。

為探索這一極小極小元件的前沿，科學(xué)家和工程師已進(jìn)入一個新王國：他們用毫微米量度自己的器件，細(xì)菌看起來像是大拖船，頭發(fā)猶如連綿的山脈。

今天，這些最新的人造器件越造越小，以致科學(xué)家?guī)缀蹩梢园庵割^數(shù)出它們所含的原子數(shù)目。

進(jìn)軍無窮小主要是微電子工業(yè)推動的。微電子工業(yè)需要體積比以往任何時候都小因而速度更快的開關(guān)和電路。這些關(guān)鍵元件的體積業(yè)已逐年縮小?？茖W(xué)家已開始制造、操縱和觀測接近微型化極限的器件。

驅(qū)使科學(xué)家探索這極小世界的是好奇心。不僅僅是為了驗(yàn)證他們有能力這樣做，同時也想看看會出現(xiàn)哪些新性能。

這個王國日益被證明是一個人們基本尚不了解的奇妙的領(lǐng)域，在這里不斷發(fā)現(xiàn)新的物理性能。從事微結(jié)構(gòu)研制的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)能以迥異于大結(jié)構(gòu)的方式工作。為此，已有科學(xué)家說：“我們已經(jīng)進(jìn)入一個物理性質(zhì)發(fā)生改變的領(lǐng)域，它既非原子領(lǐng)域，亦非固體領(lǐng)域，而是處在兩者之間的某處?！辈⑶衣暦Q，能把一根金屬線做得很細(xì)，細(xì)得電子流不可能通過。這樣，導(dǎo)體就變成了絕緣體。在非常非常小的尺度上，電子能被“捕陷”在“量子陷阱”和更小的“量子盒”中。還有的研究人員正在研制只有頭發(fā)絲六百萬分之一粗細(xì)的導(dǎo)線。在這些量子導(dǎo)線超級點(diǎn)陣中，電子被迫僅沿一個方向運(yùn)動，其行為遠(yuǎn)不同于普通材料中的電子。

為制造這些微小的結(jié)構(gòu)，研究人員利用了稱為分子束外延的工藝。這種工藝可使工程師一次鋪上一層電子。就像是用原子涂漆，使科學(xué)家能夠以很高的精度控制器件的制造。使用這類技術(shù)能做出精細(xì)復(fù)雜的鎵、砷、銦多層結(jié)構(gòu)物。在這些半導(dǎo)體材料層上，研究人員能用超細(xì)電子束、離子束或X光束蝕刻出顯微開關(guān)。

科學(xué)家認(rèn)為：“迄今為止，這僅是尺寸按比例縮得越來越小的事情。這是進(jìn)化，而非革命。但是，可能會有嶄新的制造方法出現(xiàn)。”

過去，微型化世界由微電路統(tǒng)治，這些電路只能起“頭腦”作用，起不到肌肉的功能。

然而，現(xiàn)在工程師預(yù)測，極小的器件不僅能像計(jì)算機(jī)芯片那樣處理信息，而且能在微觀世界從事手工勞動——搬運(yùn)、擠壓、切割和推拉。

一些富于幻想的機(jī)械師認(rèn)為：未來微型機(jī)器人能清洗有毒化學(xué)容器的內(nèi)壁；微型潛水艇能在人體血流中“游弋”，施放溶解血栓的化學(xué)物質(zhì)。

借助計(jì)算機(jī)芯片制造所用的技術(shù)，工程師們?nèi)ツ曛圃炝丝靠諝馔苿拥奈⑿蜏u輪機(jī)和靠靜電驅(qū)動的微型電機(jī)。還有的工程師最近展示了一臺“搖擺馬達(dá)”，轉(zhuǎn)子只有頭發(fā)絲粗細(xì)，轉(zhuǎn)速為每秒鐘10萬轉(zhuǎn)。其中一臺電機(jī)只有句號那么大。

在美國大學(xué)與工業(yè)界的12個實(shí)驗(yàn)室里，科研人員正在制造小得肉眼幾乎看不見的齒輪、彈簧和杠桿?？的螤柎髮W(xué)的工程師加工出一把鎢鑷子，鑷尖只有一個血紅細(xì)胞那么大。明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員制造出一根能伸縮的獨(dú)立金屬桿，終有一天可能用于操作顯微手術(shù)刀。

這些科研人員希望，未來幾年內(nèi)，會產(chǎn)生出大批直接制在電子電路上的微型機(jī)械傳感器，用作靈敏的溫度計(jì)、壓力計(jì)和加速度測量儀。例如，化油器內(nèi)部可能會安裝微型機(jī)械傳感器，精確測量并調(diào)整空氣與燃料的混合比。

就所有這些進(jìn)步而言，未知數(shù)仍然不少。研究人員想了解磨擦和應(yīng)力怎樣影響這些微小的運(yùn)動零件。大設(shè)備中可忽略的阻力和其它因素（如潤滑劑的粘度）在微觀尺度上可能成為主要因素。

科學(xué)家指出：“材料在橋梁和飛機(jī)中的作用我們了解得很多，但我們對機(jī)械零件在這樣小的尺度下的作用幾乎一無所知。”

首批制造出微型電機(jī)的一些科學(xué)家正絞盡腦汁，尋找這些微型設(shè)備的用途。發(fā)達(dá)的工業(yè)界也正在注意什么東西切合實(shí)用。