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    《電子技術應用》
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    美媒文章:納米技術革命已經到來!

    2022-03-06
    來源:參考消息

    參考消息網3月5日報道 美國《華爾街日報》網站1月22日發表題為《納米技術革命已經到來,只是我們尚未注意到》的文章,作者系克里斯托弗·米姆斯。文章稱,納米技術革命已經開始。全文摘編如下:

      在有“元宇宙”之前,在有加密貨幣百萬富翁之前,在幾乎每個美國孩子都想成為網紅之前,技術領域中炒作最多的是“納米技術”。納米指的是十億分之一米,而納米技術通常指在原子或分子規模上操縱材料。

      幾十年來,計算機科學家和物理學家都在猜測,納米技術將隨時讓我們的生活發生翻天覆地的變化,掀起一波拯救人類的發明浪潮。事情并沒有像他們預言的那樣展開,但納米技術革命已經開始。

      應用廣泛

      你可以感謝微芯片。工程師和科學家們正在利用幾十年來不斷完善的技術制造微芯片,創造從超微機器到新型鏡片等其他各種微型奇跡。這些納米級的小裝置已經融入我們生活的經緯,和我們口袋里的裝置融為一體,以至于我們似乎忽略了一個事實:它們是50年來承諾給我們的納米技術革命的真實范例。

      受益于納米技術的日常用品包括:氣囊、手機、雷達、噴墨打印機、家用投影儀、5G和其他高速無線技術。不久之后,納米技術可能帶來超小型相機以及一系列令人眼花繚亂的其他傳感器,可以探測一切,從空氣污染和黑冰到黑客入侵和皮膚癌。

      這與過去有關納米技術未來的奇異預測相差甚遠?,F在并沒有在血流中巡視并修復損傷的分子機器人,也沒有那種微小工廠——它們能不斷自我復制,直到整個地球淪為納米技術先驅埃里克·德雷克斯勒于上世紀80年代所擔心的“灰色黏質”。

      在更遙遠的未來,這項技術或許能使美國物理學家理查德·費曼在1959年那篇著名演講《底下的空間還大得很》中闡述的設想成為可能:他當時假設用某種辦法在原子上建造三維結構。實現他所提出目標的哪怕一個零頭都將打開誘人的可能性——從探測空氣中病毒的傳感器到我們口袋里的量子計算機。

      目前,制造真正的納米機器意味著要好好利用自1959年微芯片問世以來我們在完善這項技術上投入的成千上萬億美元。芯片公司為生產速度更快、更節能芯片所取得的進展帶來極其復雜昂貴的設備。通過使用同樣類型的機器、技術和微芯片工廠,納米制造商可以利用摩爾定律的不斷進步讓它們生產的設備變得更小。

      技術復雜

      荷蘭阿斯麥控股公司(ASML)的首席執行官彼得·溫寧克說,ASML是全球微芯片生產設備的主要制造商之一,其研發工作圍繞英特爾、三星和臺積電這些大客戶。他說,ASML還一直設有一個部門,與希望制造常規微芯片以外產品的客戶合作,設計有關的技術以滿足這些客戶的需求。

      其中包括微機電系統,這是用芯片制造設備生產出來的微小機器的經典范例。幾十年來,微機電系統的體積大大地縮小了。

      以智能手機為例。要傳輸和接收它與基站、無線網絡或無線耳機連接需要的各種無線電頻率,就必須過濾掉比以往任何時候都更影響頻譜的各種雜散干擾。

      所以,手機使用微小的無線電過濾器。沒有這些過濾器,我們的無線設備就無法運轉。美國“諧振”公司(Resonant)就是一家制造這種過濾器的公司,其首席執行官喬治·霍姆斯說,微芯片和無線電天線是靜態的、完全固態的設備,而它們所依賴的無線電過濾器實際在振動。它們的振動頻率與接收或傳輸的信號相同,有時甚至與被過濾出去的頻率相同,就像一串微小的音叉。

      這意味著,當你把手機放在辦公桌上用耳機聽音樂時,這涉及內部的數十種微小元素,形狀很像微小的梳子,每秒振動數十億次。它們能發揮作用恰恰是因為體積很小。只有某種東西小到這種程度——原子之間的鍵相對于物體的大小要強大得多——才能在這種高頻率上發生振動且不會散架。

      同樣,要讓飛機上的地面感應雷達正常工作,它必須過濾掉其他許多干擾,比如在美國迅速擴大的5G手機網絡?;裟匪拐f,問題在于,老式飛機上的雷達是在人們得知5G網將會流行之前設計制造的。解決這個問題可能代價高昂,因為可能意味著更換或升級一些舊雷達。航空公司和美國聯邦航空局擔心的其實是,由于缺乏足夠的微型梳子以每秒數億或數十億次的頻率振動來過濾掉附近的一座手機信號塔的干擾,飛機可能會失事。

      我們的手機還包含許多其他的微機電系統。微機電系統最初發明并安裝在阿波羅飛船上時比籃球還大。而現在,這套系統并不比一粒米大,它使手機(以及智能手表和其他健康跟蹤器)知道自己的方位以及加速度的幅度和方向。這樣小的傳感器還能告訴汽車安全氣囊何時彈出。

      現代納米機器的另一個例子是操縱光線而不是電。麻省理工學院材料科學副教授胡崛雋說,研究人員已經在實驗室中展示了一種被稱為“超透鏡”的新型透鏡,這種透鏡能夠以過去需要一整套常規透鏡才能做到的方式折射光線。超透鏡的優勢在于很薄,而且幾乎是平的——至少肉眼看來如此。

      在電子顯微鏡下,超透鏡的表面看起來就像剪絨地毯。在這種規模上,超透鏡表面看起來覆蓋著細微的柱子——每根柱子的直徑是人類頭發的千分之一。這種紋理使超透鏡能夠以類似于傳統透鏡的方式折射光線。這些微型硅“纖維”的工作方式太新穎了,迫使物理學家重新思考光和物質如何相互作用。

      一些初創公司開始把超透鏡技術轉化為商業應用。比如,美國梅塔倫茲公司(Metalenz)剛剛宣布與半導體制造商意法半導體有限公司達成協議,為智能手機生產3D傳感器。超透鏡的這種應用可以讓更多類型的手機制造商實現蘋果面部識別技術的那種3D傳感。

      該公司首席執行官羅伯特·德夫林說,面容解鎖手機只是開始。超透鏡還具備用傳統鏡片難以復制的能力。例如,因為超透鏡可以幫助探測極化光(或稱偏振光),它們能夠“看到”常規鏡片看不到的東西,包括探測光污染水平、讓汽車安全和自動駕駛系統的攝像頭檢測到黑冰,以及使我們的手機攝像頭檢測皮膚癌等。

      前景廣闊

      美國佐治亞理工學院的安德烈·費多羅夫博士說,進一步縮小納米機器的尺寸,并達到理論上的最小限度——即人類操縱單個原子的程度——將需要與我們目前用來制造哪怕是最先進微芯片的技術截然不同的技術。他的團隊發表的一些研究顯示,他們利用電子束在石墨烯和其他二維材料上蝕刻圖案,或者在上面構建碳原子結構。

      石墨烯等材料已經是密集研究的對象,作為未來微芯片中硅的替代品。但費多羅夫博士說,未來可能涉及在二維石墨烯薄膜上建立三維結構。如果能夠以原子精確度完成這一工作,那么就可以創造出政府和技術公司都在設法建造的下一代超高速量子計算機所需的結構。

      費多羅夫博士的大部分研究都得到半導體研究公司的支持,后者是非營利性機構,得到全球幾乎所有主要先進芯片制造和設計公司的贊助,成立于上世紀80年代初,目的是進行有朝一日可能用于電子制造的基礎研究。

      因此,半導體行業在探索相關技術以帶領我們超越今天微芯片的局限時,有朝一日也可能采用費多羅夫團隊或其他許多從事類似技術研究的人首創的技術。

      最終目標是能夠利用電子束迅速去除、添加或修改表面上的原子。最后的結果是在原子規模上做出類似3D打印的系統。

      費多羅夫博士在談到自己的研究時,向聽眾講述了理查德·費曼在1959年提出的設想:“我說,‘這就是理想’,然后我又說,‘60年后,我們實現了費曼的理想?,F在它就在我們手中’?!?/p>




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