来源：科学
纳米直升机 在以 ATP（细胞的动力分子）为燃料时，会旋转其微小的镍螺旋桨。这种生物马达由 ATPase (左上) 制成，它附着在镍螺旋桨上，并安装在镍柱上 (左下)。放入 ATP 和其他化学物质的溶液中，螺旋桨以每秒八转的速度旋转。 |
"这是一个令人难以置信的小世界，它就在下方，" 理查德·费曼在他1959年关于纳米技术的著名演讲《在底部有足够的空间》中说道。“在2000年，当他们回顾这个时代时，他们会想知道为什么直到1960年才有人开始认真地朝这个方向前进。” 事实上，现在可能更令人惊奇的是，纳米技术专家在40年里取得了多大的进步。仅在过去一周，大量描述各个领域进展的论文相继出现，这些论文出现在11月23日的《自然》杂志和11月24日的《科学》杂志中，《科学》杂志包含一个关于纳米技术的特别版块。
在一些人呼吁关注纳米技术的发展速度后，这些报告迅速出现。在《连线》杂志四月刊中，太阳微系统公司的联合创始人比尔·乔伊警告说，应该停止纳米技术的研究，以免它变成 K·埃里克·德雷克斯勒在他1986年出版的《创造的引擎》一书中描述的“灰色黏液”。正如德雷克斯勒所设想的那样，这种黏液将由无数的微型组装机组成，它们会无限地自我复制，消灭它们路径上的任何生物或非生物。六月份，来自前瞻研究所（德雷克斯勒是该研究所的主席）的纳米技术专家也纷纷效仿，发布了自己的预防性指南以阻止黏液的出现。
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但是，其他科学家——他们中的许多人在《科学》特刊的新闻报道中发表了自己的观点——驳斥了这些悲观的预测。而且，如果纳米技术没有吞噬人类，它似乎确实蕴藏着帮助人类的巨大潜力。《自然》杂志的封面故事中，加州大学圣巴巴拉分校的加伦·斯塔基和他的同事描述了具有纳米级孔隙、笼子和通道的玻璃材料，这些材料可以用于“检测生物毒素和从环境中去除有毒重金属”等用途。在同一期杂志中，弗吉尼亚理工大学的化学家哈里·多恩描述了一种新型的含金属富勒烯，可以用作纳米级的构建模块。
在《科学》杂志中，加州理工学院的物理学家斯蒂芬·奎克和阿克塞尔·舍雷尔回顾了软材料（可能比用于处理生物样本的坚硬硅更适合）是如何在纳米级设备中发挥作用的。康奈尔大学的研究员哈罗德·克雷格黑德解释了新型纳米机电系统 (NEMS)——微机电系统 (MEMS) 的较小表兄弟——是如何为“传感器、医疗诊断、显示器和数据存储等应用带来革命”铺平道路的。其他论文则阐述了正在进行的开发所谓的纳米护士（在体内穿梭以发现和修复细胞内问题）和芯片实验室（旨在进行基因分析和其他诊断任务）的工作。这样的例子不胜枚举。也许下面更详细地描述了三个更令人兴奋的结果：旋转的生物分子纳米直升机、基于弯曲塑料执行器的微型机器人以及跳舞的锡纳米马达。--克里斯汀·鲁特维勒
旋转的马达
康奈尔纳米生物技术中心的研究人员设计了一种利用细胞内提供能量的同一种分子三磷酸腺苷 (ATP) 来驱动病毒大小的马达的方法。在《科学》杂志中，卡洛·蒙特马尼奥和他的同事解释了他们是如何构建和测试第一个这样的生物分子马达的，将无机镍螺旋桨与 ATPase 酶结合在一起 (见图)。“通过这次演示，我们相信我们正在定义一项全新的技术，”蒙特马尼奥说。“我们已经证明，可以使用生命生理学来组装、维护和修复混合纳米设备。”
该团队在大学的纳米制造设备中，通过一系列步骤形成了镍螺旋桨——每个螺旋桨长约750纳米，宽150纳米。首先，他们使用电子束光刻技术在涂有聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 的硅晶片上定义了结构。接下来，他们使用电子枪蒸发沉积镍，并化学去除任何残留的 PMMA 和镍。他们通过各向同性蚀刻将螺旋桨从基板上弹出，并用一层薄薄的化学物质覆盖它们，以帮助将它们附着到设备的其余部分。
来源：EDWIN JAGER 等人。
纳米机器人 具有肘部、腕部和手部（有两到四根手指），可以从一个轨道抓住、抬起和移动一个 100 微米的玻璃珠到另一个轨道。由金和共轭聚合物双层形成的关节在电化学氧化或还原使聚合物发生体积变化时会弯曲。 |
事实上，螺旋桨或多或少地与 ATPase 分子自组装在一起，而 ATPase 分子是该小组从基因改造的细菌中产生的。然后，将电机-螺旋桨组合安装在 200 纳米高、80 纳米宽的镍柱上，并浸入 ATP 和其他化学物质的“燃料”溶液中。ATPase 会像在生物体中一样，破坏 ATP 分子中的原子键。但在这种情况下，该反应会启动 ATPase 内的转子状蛋白质，从而旋转螺旋桨。当科学家使用电荷耦合器件 (CCD) 摄像机观察混合电机时，他们发现螺旋桨的旋转速度大约为每秒八转，在某些情况下，这种速度持续了两个半小时。
用于制造这些设备的设备和策略需要改进。蒙特马尼奥指出，在最初组装的 400 个单元中，只有 5 个能够正常工作。在后来的批次中，一些电机失去了螺旋桨，另一些电机则失去了测试基座。此外，该团队希望使这些设备更适合在脆弱的有机分子和活细胞中使用。他们希望从成品中去除更多用于制造螺旋桨的刺激性化学物质，并添加计算和传感功能。他们还希望找到利用光能代替 ATP 为生物分子电机提供燃料的方法。尽管如此，这项工作标志着一个重大进步。
弯曲的塑料
来自瑞典林雪平大学和马里兰大学的科学家们开发了其他由共轭聚合物执行器制成的潜在有用的设备，他们在《科学》杂志的纳米技术特刊中对此进行了回顾。埃德温·贾格、伊丽莎白·斯梅拉和奥勒·英根斯研究共轭聚合物的原因有几个：首先，这些材料在水性介质中运行良好——大多数生物样本都在液体中取样和测试。其次，它们可以使用标准的光刻技术进行图案化。而且它们很容易发生体积变化（在氧化和还原反应期间），可以利用这种变化使它们以各种角度弯曲：如果你将聚合物附着到金上，例如，只有聚合物会改变大小，从而使组合的双层卷曲。
来源：EDWIN JAGER 等人
纳米手，也由金和共轭聚合物双层制成，可以卷曲在一粒沙子周围。 |
贾格和他的同事最近制造并测试了一个微型机器人手臂，该手臂由连接的微型执行器组成，这些执行器由金和聚吡咯（一种特别稳定的共轭聚合物）的双层制成。这只手臂仅长 670 微米，有肘部、腕部和手部，有两到四根手指。通过电化学氧化和还原，他们能够弯曲这些独立的“关节”，从而使手臂可以抓住、抬起和移动一个 100 微米的玻璃珠 (见图)。他们设想将这种手臂串联使用，以便在芯片实验室中转移细胞。
在《科学》论文中描述的其他设计包括具有聚合物-金双层盖的自组装盒子，这些盖子可以根据需要打开或关闭 (见图)。这种微腔可能用于更精确地递送药物、进行纳升和皮升化学测试或帮助科学家在作者称为“细胞诊所”的应用中研究细胞。同样，微型执行器可以用于阻止液体流过，例如，芯片实验室。贾格和他的同事还在与细胞生物学家一起开发一种名为“细胞敲击器”的仪器。顾名思义，该设备会敲击单个细胞，从而可以研究细胞在不同情况下施加的力。
跳舞的锡
来自桑迪亚国家实验室的研究人员的更初步但有希望的研究出现在同一期的《科学》杂志上。安德烈亚斯·施密德、诺姆·巴特尔特和罗伯特·黄报告说，他们发现了锡在铜上跳舞的现象，这种现象类似于樟脑颗粒在水面上晃动的方式。他们希望通过找到控制和编排锡晶体运动的方法，他们可以迫使合金呈现有用的纳米形状，并创造出超高效的纳米马达。
来源：EDWIN JAGER 等人。
纳米盒子 当构成它的共轭聚合物将翼片弯曲在一起时，可以打开和关闭。这种微腔可以用于更精确地递送药物，并在芯片实验室中研究和分隔细胞。 |
施密德的团队是通过使用扫描隧道显微镜 (STM) 获取材料表面的地形图和使用低能电子显微镜 (LEEM) 观察锡在该表面上的运动来实时观察锡和铜如何变成青铜的，从而发现了这一现象。他们注意到，当锡沉积到铜上时，它会在几秒钟内结成微小的二维晶体岛。这些岛屿在铜表面上滑行，在移动时将锡原子换成铜原子。当这些岛屿变成青铜晶体时，它们会排出拾取的铜原子。片刻之后，青铜团块覆盖了表面，锡岛溶解。
研究人员对跳舞的锡岛提供了解释：已经嵌入铜中的锡会排斥移动的锡岛，驱使它们寻找另一个表面点。只有当它们找到这样一个点时，它们才会进行锡换铜的原子交易。这些岛屿在寻找非竞争点的过程中非常有效，它们甚至会将自己挤到铜表面的角落，以避免任何倒退。施密德解释说，这种“完全出乎意料的合作过程”之所以发生，是因为这些岛屿“通过向表面未合金区域移动来降低表面自由能”。
在随附的一篇文章中，奥胡斯大学的弗莱明·贝森巴赫和丹麦技术大学的延斯·诺斯科夫指出，这一发现“可以被视为对纳米马达的直接观察”，因为锡岛将化学能转化为前进运动。这种自然产生的马达无疑是高效的，而且它似乎也非常强大：汽车每公斤重量提供约 0.1 马力，而锡岛的功率重量比接近 0.3 马力/公斤。最后，贝森巴赫和诺斯科夫指出，“挑战在于设计出可以外部控制其运动的纳米马达（以便它们可以随意地移动物体）并且可以补充燃料。”