几十年来，工业制造意味着漫长的装配线。无数工人——人类或机器人——通过这种方式建造了真正庞大的物件，例如汽车和飞机，或者创造了更小、更复杂的物品，例如药品、计算机和智能手机。
现在设想一下未来，数字处理器和内存、能量发生器、人造组织和医疗设备的组装发生在肉眼无法看到的微小尺度上，并且遵循一套新的规则。未来几年将开启一个重要的时代，我们将从仅仅包含纳米技术的产品（含有紫外线阻挡二氧化钛颗粒的防晒霜，以及用于增强医学成像的颗粒，仅举两例）过渡到本身就是纳米技术的产品。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事能够延续下去。
成功制造这些至关重要的纳米技术将需要更好地理解物质在原子尺度下的行为方式，以及用于组装的新工具和工艺。
一种方法是自下而上的定向自组装，它将小的或从属的单元（如原子和纳米级模块（纳米管等））连接成更大、更坚固的组件。科学家还可以使用 DNA 链或其他天然或工程分子作为可编程构建材料，用于精确的分子级设备和马达。另一种高效方法是卷对卷组装，其中微型器件被印刷在连续的聚合物基薄片上。
纳米制造还需要超精密工具。一些工具将是化学催化剂；另一些将是生物、光学、机械或电磁的。展望未来，纳米制造工具箱很可能包括新型分子和所谓的超材料，这些材料经过工程设计，具有看似违背自然规律的特性——例如，一种以意想不到的方式折射光的材料。
以下是一些最令人兴奋的纳米尺度技术的前景以及我们将如何制造它们。
赛博格组织支架
在细胞水平上掺杂了纳米级电子器件的人造组织，未来某天可能会在人体内扮演“赛博格式”的角色。合成组织可以从包含多个纳米级电子传感器的支架中生长出来，而不是将电子设备植入现有器官。这种纳米电子支架可以成为工程组织的基础，用于检测和报告各种健康问题。它们可以将神经系统的一部分与计算机、机器或其他生物体连接起来。哈佛大学和麻省理工学院的科学家们用非常细且有弹性的纳米线构建了一个支架，可以与单个细胞交互。研究人员表示，他们的目标是以这样一种方式将组织与电子器件融合，以至于难以确定组织在哪里结束，电子器件在哪里开始。
微型存储器
纳米制造具有巨大的潜力，可以提供更小、更强大的电子器件，以及更密集、更高效、成本更低的存储器。这是有益的，因为在某个时候，科学家和工程师将无法再通过互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术来缩小计算机芯片和冷却电路，他们数十年来一直使用这种技术来制造集成电路。一种变通方法是使用电子自旋作为存储器和逻辑器件中的信息载体。IBM、英特尔和其他公司正在开发所谓的自旋电子存储器和逻辑器件，这些器件有望实现可靠、快速和低功耗。许多其他方法涉及借助纳米级磁体来写入和存储数据。康奈尔大学的一个研究团队演示了一种节能的方式来切换纳米磁体的磁极化，这是朝着创建一种微型磁阻随机存取存储器（MRAM）迈出的一步，即使设备断电，设备也可以使用它来存储数据。该团队在锂刻蚀的钽层上施加电流。这种电流导致电子自旋的偏转足够大，足以翻转相邻磁体的磁化方向。为了将自旋翻转回来，研究人员只需反转电流。当没有电流流动时，磁体保持在原位并保留数据，即使设备处于休眠状态。这项研究可能会产生诸如即时开/关智能手机或笔记本电脑之类的设备，而无需备用电池消耗。
塑料肌肉
人造肌肉帮助人类眼睛眨眼、机器人鱼游泳和漂浮浮标从海洋中提取能量。很快，化学家将使用线状“树枝状”纳米级聚合物，当加热或冷却时，它们会膨胀或收缩，从而充当细胞膜、药物输送剂和人造心肌纤维。宾夕法尼亚大学由 Virgil Percec 领导的研究人员已经表明，这些薄聚合物可以做得足够坚固，可以举起大约比聚合物本身重 250 倍的十分硬币。制造这项技术的关键挑战是找到可以预测地自组装成结构（例如，心肌组织）的构建模块聚合物，这些结构的行为类似于微型人造肌肉。
激光快速通信
使用光来传输信息的光子集成电路应该可以加快我们不断缩小的电子设备的速度。然而，光子器件仍然面临一个根本性的挑战：您可以将它们做得多么小是有限制的。光的衍射极限阻止了将光限制在小于其波长一半的空间内，然而，光波长至少比任何纳米级电子设备本身大 10 或 100 倍。
研究人员正在努力使用固态“等离子体激元”激光来传输数据，以克服这些限制。等离子体激元激光器由纳米级半导体线和类似尺寸的金属线网格组成。网格交叉点形成用于限制光的方形腔体。这些腔体可以小到衍射极限的 1%——巧合的是，大约与计算机芯片上的晶体管大小相当。如果科学家们能够成功地诱导电线之间形成的腔体产生微小的激光脉冲，那么这项进展可以作为光学系统的基础，该光学系统足够小，可以嵌套在这些微观晶体管之间。这项工作由加州大学伯克利分校的张翔及其同事领导。
病毒制成的发电厂
病毒可用于构建发电纳米级器件。基因工程改造的 M13 噬菌体病毒在这方面尤其出色。这种杆状病毒直径约为 7 纳米，长度为 900 纳米，可将机械能转化为电能（反之亦然）。由加州大学伯克利分校生物工程师 Seung-Wuk Lee 领导的实验已使用该病毒构建了一种压电生物材料，可以提取足够的电力来为一个 10 平方厘米的 LCD 屏幕供电。这里的纳米制造方法基于自然界合成病毒中生物材料的独特能力，病毒可以以原子精度自我复制、进化和自组装。基于病毒的压电材料可以通过例如从心跳中收集振动能量来为未来的纳米级传感器和其他医疗设备（在人体外部或内部）供电。