数十亿美元被投入到纳米技术中——这是一门在单个分子尺度上构建设备的科学。因为它有望彻底改变许多行业，从汽车到航空航天，从消费品到医疗设备，纳米技术的商业应用似乎是无穷无尽的。而且，经过几年的炒作和宣传，基于纳米技术的产品开始从实验室和研发中心涌现出来。
纳米技术是一门通过操纵原子和分子来制造材料、设备和系统的科学。与目前的生产方法不同，现有的部件和组件是结合在一起的，纳米技术需要单个原子并精确地组装它们，以生产出具有理想特性的产品。物体的构建方式类似于砖块堆叠在一起以建造一堵墙。
根据朗讯科技贝尔实验室(Murray Hill, NJ)纳米技术研究副总裁Dave Bishop的说法，纳米技术处理的是那些“比原子大，但比人类红细胞小”的东西。典型的人类红细胞直径约为10微米，是人类头发直径的十分之一。1纳米是1米的十亿分之一，大约是10个氢原子的宽度。
许多观察家认为纳米技术是小型化的下一个合乎逻辑的步骤，在许多行业感受到其影响只是时间问题。因此，投资银行家和风险资本家都在抓住从众多初创企业和合资企业中获利的机会。
美林公司(纽约)全球技术策略师Steven Milunovich说:“我们相信纳米技术可能是下一个增长创新，其重要性类似于过去50年的信息技术。”“纳米技术是真的——问题通常是什么时候，而不是会不会。”
米卢诺维奇补充说:“在纳米尺度上建造可以在材料、半导体和生物制剂中产生新的相互作用。”“新的量表允许在细胞水平上进行操作，这应该会使制药、生物防御和许多医疗保健行业有新的发现。”
米卢诺维奇警告说:“就像互联网一样，纳米技术也有被过度炒作的风险。”然而，他说互联网和纳米技术之间有很大的区别。米卢诺维奇解释说:“与互联网不同，重要的知识产权和专利是进入的障碍，但采用的障碍很低。”
全世界有1500多家公司宣布了纳米技术研发计划。Lux研究公司(纽约)预测2004年将有86亿美元用于研究。但是，今年标志着纳米技术领域的一个转折点。Lux Research的常务董事Mark Modzelewski声称，这将是“政府在纳米技术上的投入超过企业的最后一年”。“今年，各国政府将向纳米技术研究投入46亿美元，而全球企业将投入38亿美元。少量资金将来自大学和其他来源。”
小技术，大应用
虽然大多数纳米技术公司都是小型初创企业，但传统的制造业巨头，如通用电气公司(GE, Fairfield, CT)、通用汽车公司(GM, Detroit)和朗讯技术公司(Lucent Technologies)正在向该领域投入大量资源。通用汽车目前正在使用纳米复合材料为GMC Safari货车制造更轻、更坚固的踏板，为悍马H2运动型多用途车(suv)制造货物床，为雪佛兰黑斑羚(Impala)轿车制造外部面板。通用汽车研发科学实验室(沃伦，密歇根州)执行董事艾伦·陶布表示，纳米复合材料比传统的热塑性烯烃更坚固、更轻，而且在低温下不那么脆。此外，由于添加剂较少，它们的可回收性更强。而且，不需要新的工具来塑造或组装这些部件。
2004款雪佛兰黑斑羚是通用汽车产量最高的车型，采用纳米复合材料制成的车身侧面模具，可减轻7%的重量，并改善表面质量。2005年H2 SUT货床使用了7磅成型的彩色纳米复合材料部件，用于装饰、中心桥、帆板和箱轨保护器。H2项目工程经理Bill Knapp说:“我们设计这款车时使用了纳米复合材料部件，因为它们很轻，而且在温度变化时不会改变形状，这提高了车辆的整体质量。”
Taub称，通用汽车目前每年使用66万磅纳米复合材料，这是世界上使用烯烃基纳米复合材料最多的。与其他热塑性塑料一样，纳米复合材料是通过将固体材料引入塑料树脂中以增加强度而制成的。陶博说，通用汽车的纳米复合材料通过改变粘土的分子，使它们能够附着在石油上，从而实现了强度和灵活性的独特结合，否则它们不会这样做。该公司的研究人员已经设计出一种方法，可以剥开非常薄的粘土薄片，类似于书页的分离方式。与传统填料相比，纳米填料的尺寸在分子尺度上，厚度为十亿分之一米，约为人类头发宽度的十万分之一。
“将纳米复合材料用于汽车应用的优点是，与传统材料相比，需要更少的填充材料来提供相同或更好的性能特征，”通用汽车的科学家威尔·罗杰斯(Will Rodgers)说。“纳米复合材料的下一个应用将是外部包层、内部部件和非支撑装饰。”
GE全球研究中心(Niskayuna, NY)的科学家已经提交了许多纳米技术相关的专利申请。通用电气纳米技术高级技术负责人玛格丽特•布洛姆(Margaret Blohm)表示，纳米技术是终极材料科学，有可能创造出具有强度、导电性和耐热性等新特性的纳米铝等材料，这些材料可用于建造更好的诊断扫描仪或更高效率的能源系统。例如，通用电气正在寻求使用高温和高强度纳米金属合金和纳米陶瓷来减轻飞机发动机的重量，使其能够在更高的温度下运行，这将显著提高燃油效率并减少排放。
布洛姆说，她的研究团队最近开发了由碳纳米管(一种微小的空心分子圆柱体，具有显著的抗拉强度和不同的电学性能)制成的二极管，这将使更小、更快的电子设备具有更强的功能。与传统的二极管不同，GE的碳纳米管器件具有多种功能，这应该使它能够发射和探测光。
布洛姆指出:“就像硅晶体管取代了旧的真空管技术，开启了电子时代一样，碳纳米管设备可以开启一个新的电子时代。”“我们对这一突破感到兴奋，并渴望开始开发新的应用程序。”
通用电气研究人员正在探索的另一个应用是新一代先进传感器，它有望具有无与伦比的灵敏度。例如，布洛姆说，安全应用中的下一代传感器可以检测出来自化学和生物危害的潜在恐怖威胁，即使它们的数量非常小。她指出:“这将增强机场、办公楼和其他公共场所的安全。”
贝尔实验室的毕晓普表示，除了传感器之外，“为了在芯片上构建无线电，我们还在各种射频组件上进行了大量的研发工作。如果你有一个按钮大小的收音机，只花5美分，那么你就可以把收音机放在任何地方。你可以给你的狗狗、孩子或借给朋友的书装上收音机，这样你就知道它在哪里了。
毕晓普补充说:“也有机会创造出修复人类的微观设备。”“从植入式耳朵和眼睛，到进入血管进行修复或清除血栓的设备，应有尽有。例如，我们正在开发非常灵敏的传感器，可以放在导管上，放在人们的心脏内，以测量心脏的机械性能。”
分子制造
传统上，典型的制造过程包括切割或变形大块物质，然后将剩余部分连接在一起制成机电产品。与之形成鲜明对比的是，分子制造——纳米技术的长期目标之一——涉及通过机械化学和纳米机械过程构建复杂结构。机械化学是指由机械系统直接控制反应物分子所完成的化学，即化学键在直接机械控制下的形成或断裂。纳米机械指的是一种小型机械装置，比如机器人，可以操纵单个分子。为了在表面上添加一个原子，研究人员首先将原子绑定到机械操纵器末端的一个称为“工具尖”的分子上。
分子制造有望比传统制造更高效，通过直接用最小的原子和分子组装产品，生产出质量更好的产品。其基本思想是开发一组可以反复应用于构建大分子的化学反应，然后通过计算机控制反应的顺序或位置来构建工程分子系统。
负责任纳米技术中心(CRN, Brooklyn, NY)的执行主任Mike Treder说:“分子制造不同于生物学，因为生物系统不是工程设计的。”他指出，一个细胞，甚至是一个蛋白质的功能特性都是复杂而难以预测的。
“然而，从小分子片段构建蛋白质分子的过程是相当可编程的，科学家们正在开发设计和合成具有所需特性的蛋白质的能力，”Treder指出。“这将使蛋白质化学应用于工程，而不是生物学。这将是分子制造的一种方法。其他使用不同化学物质的方法也可能有效，生产出更好的材料。”
根据Treder的说法，分子制造的讨论经常被扭曲。例如，一些著名的科学家声称分子制造是不可能的。“然而，他们的论据是站不住脚的，”Treder说。“一些论点将工程困难提升到基本限制的地位。另一些则建立在对提案的基本误解之上。
“虽然还有一些实际问题有待回答，但没有科学研究证明分子制造理论的局限性或问题，”Treder指出。“事实上，生命的化学机制表明，某种机器可以由分子构成，并且可以制造更多的机器。
“一些预测的现象，例如在某些情况下异常低的摩擦，已经被观察到，”Treder补充道。“一个原子被机械地从晶体中移走，然后放回原来的地方。虽然这些实验并不是为了证明分子制造理论，但它们表明，至少有一些预测是正确的。”
一些观察人士认为，分子制造可能是革命性的。而且，由于化学是非常精确和可重复的，制造操作应该足够可靠，以实现完全自动化。单个制造商可以通过改变控制程序来制造各种各样的产品。“此外，以这种方式建造的机器可以具有非常精确的功能，”特雷德说。“这是一件好事，因为用分子构建会非常缓慢，而小型机器可以更快地构建出来。
“事实上，如果计算正确，一个完整的纳米制造系统可以在几个小时内构建一个完整的自身副本，”Treder声称。此外，他说，制造系统生产的材料似乎具有极高的性能，使产品更加紧凑和强大。
纳米工厂:虚构还是事实?
总有一天，纳米工厂可以应用分子制造的原理，一个分子一个分子地从下往上组装产品。被称为制造机的微型机器将操纵原子和分子制造小部件，然后将它们连接在一起。单个制造商无法制造大型产品，因此纳米工厂将包括许多制造商，并执行多个步骤来组装产品。在一个自给自足的、自动化的、可编程的纳米工厂能够制造有用的人类规模产品之前，许多问题必须解决。但是，Treder和他的同事们认为这个概念是可行的。
为了建造一个纳米工厂，科学家们需要从一个工作的制造器开始——一种可以将单个分子组合成有用形状的纳米级设备。CRN的研究主管克里斯•菲尼克斯(Chris Phoenix)表示:“但是，一旦你掌握了这一点，接下来的事情就相当简单了。”“大规模分子制造的发展可能比许多人想象的更容易、更快。
“分子制造的早期计划设想了许多自由浮动的组装者一起工作，一个分子一个分子地构建一个单一的大型产品。更有效的方法是固定有序的化学制造商阵列，指示每个制造商创建产品的一小部分，然后将这些部件固定在一起，在纳米工厂中传递它们，就像在装配线上一样。”
菲尼克斯说，纳米工厂生产的产品将由纳米块组装而成，这些纳米块将在纳米工厂内制造。从纳米工厂生产出来的产品将是一个固体块或砖块，可以像弹出式书籍一样展开，也可以像充气床垫一样充气。菲尼克斯声称:“计算机辅助设计程序将使仅仅通过指定预先设计的纳米块的模式就可以创造出最先进的产品。”
菲尼克斯指出，一个人类规模的纳米工厂将由数万亿的制造商组成，并且只能由另一个纳米工厂建造。但是，一个制造商可以建立一个非常小的纳米工厂，只有几个制造商在里面。较小的纳米工厂可以建造更大的纳米工厂，以此类推。
菲尼克斯解释说:“纳米工厂的大部分质量都以工作的制造者的形式存在，根据我们目前所拥有的最好的估计，一个制造者可以在短短几个小时内制造出自己的质量。”“因此，一个纳米工厂可以在短短几天内制造出另一个两倍大的纳米工厂——也许不到一天。这样做大约60次，你就有了一个桌面模型。”
在一个纳米工厂里，每个制造者都会制造纳米块。根据菲尼克斯的说法，纳米块的合适尺寸可能是一个边长200纳米的立方体，这是人类指甲在3分钟内生长的距离。菲尼克斯说:“它足够小，可以由一个制造商在几个小时内完成，但也足够大，可以容纳一个小型CPU、一微瓦的电机或发电机，或者一个足够灵活的制造商系统，如果得到正确的命令，就可以复制自己。”“换句话说，每个制造商都可以制造出大量的纳米工厂功能，而相同的模块化部件将在其他产品中重复使用。”
菲尼克斯说，一旦制造出纳米块，“它们将通过简单可靠的机器人进行组装。每块砖的表面都覆盖着机械紧固件，所以只要拿起两块砖，把它们推在一起，就能让它们粘在一起。8个立方体可以组合成一个两倍大的立方体:一个制造8万亿个纳米块的工厂可以把它们组合在一起，得到1万亿个更大，但仍然非常小的立方体。
“我们什么时候能看到大量分子纳米技术产品的问题归结起来就是第一个制造机多快能设计和制造出来的问题，”Phoenix总结道。“除了制造机制，纳米工厂设计的每个方面都在当今工程实践的能力范围内。建造一个制造机需要化学设计，这将需要大量的研究和开发。但是，目前还不知道为什么不能建造一个基本的制造机，然后很快就能建造一个纳米工厂。”
