这些令人难以置信的微小齿轮并非真实存在——至少目前是这样。它们仅以 NASA 艾姆斯研究中心的研究团队用超级计算机模拟的分子大小的机器部件形式存在。但从建模者的结果来看，这种纳米结构无疑是可行的，并且可能具有巨大的潜力。
“人们越来越希望最终能够构建由数千个微型机器组成的产品，这些机器可以自我修复或适应环境，”艾姆斯计算机科学家、一篇描述这项工作的论文的合著者阿尔·格洛布斯说。该论文将很快在《纳米技术》期刊上发表。
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大小齿轮 |
格洛布斯和他在艾姆斯数值航空航天模拟系统部门的同事是越来越多的研究人员之一，他们现在相信原子级工厂有朝一日将生产出新的结构材料和先进的计算机组件，甚至可能充当微小的维修工。
纳米技术的概念至少可以追溯到理查德·P·费曼 1959 年的演讲“底部有足够空间”。尽管大多数研究人员对分子机器的可行性持高度怀疑态度，但一些关键的发展似乎正在使它们更接近现实。扫描隧道显微镜等新技术使科学家能够“看到”单个原子——并随意移动它们。
怀疑论者也没有预料到一类被称为富勒烯的非凡分子的发现。这些结构由 60 个碳原子排列成球状晶格组成，很像发明家巴克敏斯特·富勒构想的测地线圆顶（因此这些分子被昵称为巴基球）。富勒烯是已知最坚固的材料之一。而且，在 1991 年，研究人员发现，这种相互锁定的碳原子也可以形成极其坚固的空心管。
艾姆斯团队设想使用这些“巴基管”作为分子级工厂的结构组件和机器零件。在本文展示的图像中，研究人员通过将苯分子连接到管的外部构建了假设的齿轮。凸出的苯分子形成齿轮相互啮合的“齿”。每个齿轮的直径约为一纳米（十亿分之一米）。
氦冷却 |
当然，齿轮只有转动才有意义。因此，研究人员回到他们的超级计算机并运行了更多的模拟，以制作齿轮旋转的视频。为了驱动齿轮，格洛布斯和他的同事模拟了一种可以作为电机的激光。“激光在纳米管周围产生电场。我们在纳米管的一侧放置一个带正电荷的原子，在另一侧放置一个带负电荷的原子。电场像转轴一样拖动纳米管转动，”格洛布斯说。
组装新材料 |
计算机模拟预测，齿轮以每秒约 1000 亿转或每分钟 6 万亿转的速度旋转效果最佳。而且这些齿轮几乎坚不可摧。模型预测，如果齿轮开始打滑，它们可能会失效，但形成它们的键不会断裂。只需减慢旋转速度或冷却齿轮，即可使其恢复正常运行。
另一位艾姆斯科学家克里恩·莱维特设想，这些分子结构可以构成“物质编译器”的基础。给定一种原材料，例如天然气，并在计算机程序的指导下，编译器会将原子排列成宏观尺度的零件或机器。“物质编译器不仅仅是科幻小说，”莱维特说。“在生物技术行业，已经在使用‘肽合成仪’。您给它们一个您想要产生的氨基酸序列，机器将创建这些肽。但是您不能用肽制造火箭。”
另一种可能性是制造微型机器，形成超强材料的组件。它们所做的只是逐个复制自身，批量制造材料，“就像活细胞可以自我复制一样，”莱维特说。这种组装复制器可能会在太空中用于制造组装空间站的材料。它们还可以制造活性或“智能”材料。“毫无疑问，可以制造活性材料，”格洛布斯声称。“看看你的皮肤。它会自我修复。它会出汗来冷却自己。它会随着生长而伸展。”
毫无疑问，真正的纳米机器可能还需要数十年的时间才能实现。但是，越来越多的研究表明，这种东西是可能的——可能比我们大多数人想象的要快。