纳米技术可以说是应用科学近代史上最被过度炒作的“下一个重大事件”之一。根据其最激进的倡导者的说法，纳米技术是一种分子制造系统，它将允许我们通过机械地将分子一个接一个地连接起来，直到最终的、原子上正确的产品在我们眼前出现，从而制造出几乎任何任意复杂度的物体。
现实情况有些不同：今天，“纳米”这个词已经被稀释到几乎适用于任何小东西的程度，甚至包括机油、防晒霜、口红和滑雪蜡等各种商品中的“纳米颗粒”。那么，谁会想到，首批真正功能性的纳米级设备之一——会对更大的宏观世界产生可衡量的影响的设备——竟然会是……无线电？但是，加州大学伯克利分校的物理学家亚历克斯·泽特尔和他的同事在2007年发明的纳米管无线电，完成了一系列惊人的壮举：单根碳纳米管可以调谐广播信号，放大信号，将其转换为音频信号，然后以人耳可以轻易识别的形式将其发送到外部扬声器。如果您对此断言有任何疑问，只需访问www.sciam.com/nanoradio并收听歌曲“Layla”。
纳米管无线电的制造者说，它可以成为一系列革命性应用的基础：助听器、手机和iPod，小到可以完全放入耳道内。纳米无线电“可以轻松地放入活细胞内，”泽特尔说。“人们可以设想与大脑或肌肉功能的接口，或者是在血液中移动的无线电控制设备。”
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纳米管的呼唤
泽特尔领导着30名研究人员从事分子级设备的创造工作，他决定将纳米管作为他工作的重点，因为它们是卓越的结构。关于谁首先发现它们的问题存在争议，但日本物理学家饭岛澄男通常被认为是将它们引入科学领域的功臣，他在1991年宣布在石墨电极的尖端发现了“针状管”，该电极发出电弧，即发光的放电。
这些纳米管具有一些令人惊讶的特性。它们的尺寸和形状多种多样：有单壁的、双壁的和多壁的。有些是直的，有些是弯曲的，有些甚至以环形结构自身环绕。它们共同的特点是其出色的拉伸强度，即沿着其长度抵抗拉开而不破裂的能力。泽特尔说，这种不寻常特性的原因是，“将碳原子结合在碳纳米管中的力是自然界中最强的键。” 纳米管也是极好的导电体，远胜于铜、银甚至超导体。“这是因为电子不会撞击任何东西，”他解释说。“管子是如此完美的结构。”
泽特尔产生纳米无线电的想法，是在他决定想要创造能够相互通信并无线广播其观测结果的微型传感设备时。“它们将用于监测环境条件，”他说。它们将被分布在工厂或炼油厂附近的田野中，并将结果无线电传输回某个收集点。然后任何人都可以访问谷歌，“并点击一个城市的空气质量，实时查看。” 在旨在生产纳米管质量传感器的一些实验过程中，泽特尔的一名研究生肯尼斯·詹森发现，如果将碳纳米管的一端固定在表面上，形成悬臂梁，当一个分子落在其自由端时，梁就会振动。不同质量的分子会使梁以不同的频率振动。当泽特尔注意到其中一些频率包括商业无线电频段中的频率时，使用悬臂纳米管制造无线电的想法变得几乎不可抗拒。
泽特尔知道，一个简陋的无线电有四个基本部件：接收电磁信号的天线；从所有广播的频率中选择所需频率的调谐器；增强信号强度的放大器；以及将信息信号从其传输的载波中分离出来的解调器。然后，信息组件被发送到外部扬声器，扬声器将信号的该部分转换为可听见的音调。
将要成为设备核心的碳纳米管被证明是如此有利的化学、几何和电气特性的组合，以至于当它被放置在一组电极之间时，这个微型元件本身就同时完成了所有四个功能。不需要其他部件。
泽特尔和詹森开始着手设计一个总体方案，其中多壁碳纳米管将构建在电极的尖端，这种布置中，纳米管将类似于山顶上的旗杆。他们决定使用多壁管，因为它比其他类型的管子稍大，也更容易安装在电极表面上，尽管他们后来也构建了单壁管的版本。该管的长度约为500纳米，直径为10纳米（大致相当于某些病毒的大小和形状），将使用纳米操纵方法放置在电极上，或者通过称为化学气相沉积的技术直接在电极上生长，在该技术中，碳层从电离气体中沉淀出来。
在离尖端一定距离处，以半球形巴克球的形状圆化，将是一个反电极。将在电极两端施加小的直流 (DC) 电压，从而产生从纳米管尖端到反电极的电子流。想法是，来自传入无线电传输的电磁波将撞击纳米管，导致其物理振动，与电磁信号的变化同步。纳米管与传入的无线电波同步振动，将充当天线，但其工作方式与传统无线电的天线不同。
在普通无线电中，天线以电子方式接收传入信号，这意味着传入波在天线内感应出电流，天线保持静止。相反，在纳米无线电中，纳米管非常纤细和轻巧，以至于传入的电磁波足以机械地来回推动它。
“纳米世界很奇怪——不同的事物占据主导地位，”泽特尔描述说。“重力不起任何作用，惯性效应基本上不存在，因为事物太小了，以至于残余电场可以发挥主导作用。”
纳米管的振动反过来会在从纳米管尖端到反电极的电流中引起变化：技术上是场发射电流。场发射是一种量子力学现象，其中小的施加电压会产生从物体表面（例如针尖）的大量电子流。由于场发射的工作方式，预计纳米管不仅可以充当天线，还可以充当放大器。
撞击纳米管的小型电磁波会导致从其振动的自由端释放出大量的电子喷射。该电子喷射将放大传入信号。
接下来是解调，即将无线电台的载波频率与编码在其上的信息消息（语音或音乐）分离的过程。例如，在调幅 (AM) 无线电广播中，这种分离是通过响应幅度并忽略（滤除）载波信号频率的整流和滤波电路来实现的。泽特尔的团队推断，这些功能也可以在纳米管无线电中实现：当纳米管机械地与载波频率同步振动时，它也会响应编码的信息波。幸运的是，整流是量子力学场发射的固有属性，这意味着从纳米管出来的电流仅随编码或调制的 информационный 信号而变化，而载波则从画面中消失。这将是免费的解调——无需单独的电路。
简而言之，传入的电磁信号将导致纳米管（现在充当天线）振动。其振动的末端将放大信号，其内置整流的场发射特性将载波与信息波分离（或解调）。然后，反电极将检测场发射电流的变化，并将歌曲或新闻广播发送到音频扬声器，扬声器会将信号转换为声波。
进行实验
无论如何，这就是理论。在 2007 年 1 月，泽特尔、詹森和另外两位伯克利研究人员杰夫·韦尔登和亨利·加西亚进行了实际实验。他们将多壁碳纳米管安装在硅电极上，并将反电极放置在约一微米远的地方，用导线将两者连接起来。他们还在装置上连接了直流电池，以在纳米管尖端和反电极之间建立小的场发射电流。为了实际观察在来自附近天线的无线电传输过程中会发生什么，他们将设备放置在高分辨率透射电子显微镜 (TEM) 内。然后他们开始广播。
根据广为流传的故事，电话发送的第一条消息是亚历山大·格雷厄姆·贝尔在 1876 年说的请求：“沃森先生，来这里。我想见你。” 古列尔莫·马可尼在 1894 年发送的第一个无线传输是一个无线电波，使 30 英尺外的铃铛响起。在 2007 年 1 月，泽特尔的碳纳米管无线电的首次成功运行是无线电接收到埃里克·克莱普顿（在与德里克和多米诺乐队合作时）的歌曲“Layla”的音乐。
“这太棒了，”泽特尔回忆起当时的经历。“我的意思是，这太壮观了。我们可以[在 TEM 中]观察纳米管，你可以看到这个分子结构在振动，同时听到它，这真是太酷了。我从没想过我能看到无线电工作！”
您可以亲自查看结果，因为实验人员记录了整个过程——音频和视频——并将录音转换为 QuickTime 影片，他们将其发布在泽特尔小组的网页上，任何人都可以免费下载和播放。后来，他们对海滩男孩乐队的“Good Vibrations”；约翰·威廉姆斯为《星球大战》创作的“主题曲”；以及格奥尔格·弗里德里希·亨德尔的歌剧《塞尔塞斯》中的慢板乐章也做了同样的事情。“这是有史以来第一首使用无线电传输的歌曲，”泽特尔解释说。
听到（是的，甚至看到）这些曲调播放是一种超现实的体验。随着过程开始，在单调、颗粒状的背景下出现一根细长的静止纳米管。该管从一个看起来像岩石的、不规则的表面水平延伸出来，旁边是一根较短的纳米管，它在周围发生的所有电磁骚动中都将保持不动。（较短的纳米管对广播不敏感，因为它共振的频率（取决于其长度）与传入传输的频率不一致。）
很快您就会听到很多静电噪音，但随后当在背景噪音之上隐约但可辨认地听到歌曲时，针头只是在振动模糊中消失了。它听起来可能像是来自海王星的广播，但实际上它是可计数的碳原子与音乐同步运动的可听报告。
在最初成功后不久，实验人员将设备从 TEM 中取出，对无线电的配置进行了细微的更改，然后能够在实验室的长度范围内（几米的距离）广播和接收信号。他们还能够实时调谐不同的频率，实际上是在无线电播放时“换台”。
纳米管无线电可以通过两种不同的方式进行调谐。一种是改变其长度。虽然您可以通过将吉他弦向下弯曲到不同的品格来改变吉他弦的音调，但您可以通过缩短纳米管的长度（例如，通过煮沸尖端上的原子）来改变纳米管的共振频率。
然而，这种改变是不可逆的。但是，正如改变吉他弦音高的第二种方法（即改变其张力）一样，对于纳米管也是如此。改变施加电场的强度将使纳米无线电响应无线电频段的不同频率。
他们的设备实际上同时执行了无线电的所有四个功能：它集天线、放大器、解调器和调谐器于一体。如此小巧而简单的结构结合了所有这些功能，这仍然让泽特尔感到惊讶。他如何解释它们在单个细长的碳分子中几乎神奇的融合呢？
“在电子学中，通常您会面临权衡：如果您优化这一点，那么您会失去其他东西。在这里，一切似乎都对您有利，这有点不寻常。您在科学中并不经常看到这种情况。这是看到墨菲定律没有露出丑陋面孔的罕见机会之一。在这里，一切可能顺利进行的事情都在顺利进行，”他说。
泽特尔和他的同事们对纳米无线电的消息保密了几个月，直到它可以在美国化学学会的期刊《纳米快报》上发表。该装置于 2007 年 10 月在网上首次正式亮相，然后在 11 月的印刷版中亮相。在同一期印刷版中，两位独立研究人员克里斯·拉瑟格伦和彼得·伯克（均来自加州大学欧文分校）宣布使用碳纳米管来解调 AM 信号。他们称他们的作品为“碳纳米管无线电”，但他们的无线电不像泽特尔的无线电那样是多合一设备。在拉瑟格伦和伯克的设置中，天线和放大功能由传统的、真人大小的桌面单元提供。伯克本人承认，泽特尔的多合一无线电“非常优雅”。
微型药物递送系统
由于纳米管无线电将纳米技术从理论、希望和推测的集合转变为实用、可工作的设备，因此它可能是一种变革性的设备。泽特尔本人毫不羞涩地预见到纳米无线电可以实现的一系列杀手级应用：全新一代的通信设备、大脑和肌肉植入物等等。虽然其中一些更具未来感的应用将需要大量的额外见解和工程技术才能使其成为可操作的现实，但其他应用更近期——例如，无线电控制的药物递送系统的形式。
用于缩小已经扩散的隐形癌症或治疗无法手术的癌症的化疗的缺点之一是，用于杀死癌细胞的化学制剂会通过血液流到身体的所有部位，并且经常会杀死健康细胞以及恶性细胞。一些与泽特尔联系过的医生提出的解决方案是，首先注射分子靶向癌细胞的包裹，这些包裹包含化疗药物以及纳米无线电；在让包裹有时间找到肿瘤后，无线电控制信号将触发药物释放到肿瘤细胞中以进行破坏。
第二种用途是将药物注射到单个细胞中以修复它们。泽特尔的小组朝着这个方向发展，致力于纳米注射的精细方法，研究人员在其中刺穿细胞壁和膜，并将纳米管结构放入其中，他们在其中释放特定的化学物质。
“细胞可以很好地承受这一点，”泽特尔说。“这种纳米注射技术比旧技术好得多，旧技术中人们过去尝试使用微量移液管来刺穿细胞并注射液体。对于大多数活细胞来说，这些方法都太粗糙且具有破坏性。” 泽特尔还预见了他的原始纳米管质量传感器的应用。某些类型的炸药含有已知质量的特征分子，因此一种能够快速可靠地检测这些分子的微小仪器可以取代目前在某些机场安检站使用的冰箱大小的炸药传感质谱仪。目前还没有人将这些设备商业化。然而，泽特尔已为其纳米无线电、纳米质量传感器以及他的集成纳米机械系统中心的其他发明申请了专利，并已开始授权该技术供他人开发。
也许不足为奇的是，泽特尔最近在纳米世界中的一些成就似乎已经探究了微型世界的极限。在 2008 年 7 月，他在《自然》杂志上宣布，他和他的团队已经诱导电子显微镜对氢的单个原子（自然界中最小的原子）进行成像。在向下方向上，已经无路可走了。