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機械能做到多小–微奈米機械

近年來科技的發展,得以製造出微奈米尺度的機械元件,但機械究竟能做到多小?這在工程和科學上是個非常深刻的問題。
 
 
 
有一次在雜誌上看到機械表的廣告,有個師傅戴者特殊的眼鏡,把零件一個一個用鑷子組合起來,最後完成了一個具有計時功能的機械表。當提到機械能做到多小時,這是不是我們可以想到的畫面呢?

事實上,近年來由於半導體技術日新月異,已不再需要借助人的手來組合精密的機械,因為利用半導體技術所能製造的結構已經小到微奈米的尺度了,伴隨著這個技術而衍生出的機械,稱為微機電系統(microelectromechanical systems, MEMS)或奈米機電系統(nanoelectromechanical systems, NEMS)。

一般微機電系統是指100微米到1 微米尺度範圍的機械系統,奈米機電系統則是指1微米以下到幾個奈米尺度的範圍。為了容易了解這些尺度的意義,可以想像人類頭髮的直徑大概在100微米左右,細菌則約為1微米到10微米的等級。

MEMS或NEMS的製作包含許多半導體技術,其中大致可以分為3類,第1類是在晶片上製作所要的圖樣,稱為顯影術。舉光學顯影術為例,光學顯影和沖洗照片很類似,工程人員先把感光的光阻材料均勻塗抹在矽晶片上,用光照射後,曝光的部分會和沖洗照片一樣產生化學變化,最後再用合適的顯影液體沖洗,就能產生微奈米等級的圖樣。

第2類則是累加性技術,是把指定的材料沉積或鍍在晶片上,例如化學沉積術或物理沉積術。第3類則是移除技術,可以移除矽晶片上的指定材料,例如利用電漿蝕刻移除矽原子。運用這3類技術的排列組合,工程師就可以在晶片上製作出所設計的微奈米結構或元件。

利用這樣的技術,科學家在實驗室中製作了許多奈米機械元件,並量測它們的物理特性。研究結果使我們得以了解許多微小化的物理問題,也就是當日常生活的巨觀尺度物體縮小到微奈米尺度時,我們會看到怎樣的物理特性變化?

舉例來說,如果把吉他縮小到奈米尺度,它的共振頻率會如何變化?答案是,這樣的奈米吉他頻率會非常高,可以到達收音機甚至是微波的頻率。這種奈米吉他元件可以用來製作非常靈敏的人工鼻子,因為人類的鼻子是靠偵測分子而產生嗅覺的。研究人員可利用半導體材料做出奈米尺度的振盪器,當氣體分子吸附在奈米振盪器上時,它的共振頻率會因為質量的變化而改變,利用這樣的技術就可以偵測到單一個分子或原子了。

你可能會好奇,製造微奈米機械的工程師每天都在忙些什麼?大略地說,是忙著設計、製造和測試。前面已經粗略地談到半導體的製造技術,事實上在實驗開始之前,需要一個有系統的設計。首先須決定微奈米機械的形狀和材料,這種材料要能夠加工處理成所要的形狀。另為了讓微奈米機械可以動作,還需要有驅動機制。又當機械在動作時,也需要有轉換的機制轉換成可以讀取的電信號以利量測,當然也可以添加反饋的機制以穩定系統。

以原子力顯微鏡(atomic force microscope)的微懸梁來說,就是利用雷射光聚焦於其上,當光束反射後,在探測器上觀察位移。微奈米機械所處的環境也很重要,有些微奈米機械可以在室溫工作,有些在空氣中工作,有些則在液體中工作,也有些在非常低溫、高真空的極端環境中工作。

問個有趣的問題,我們可以使一個共振頻率 \nu 的奈米振盪器根據量子力學法則運轉嗎?答案是肯定的,但必須想辦法除去熱能。可以把奈米機械放在很低溫的環境中使其冷卻,就可以看到量子現象。用量子力學的語言,單一個聲子是振動的最小量子單元,你可以想像試著去「聽」非常微小的振動,小到幾個聲子的層次。

前述談及微奈米機械的製造和設計,可以再思考一個更深入的問題:一般病毒的尺度在10奈米附近,但是它們仍然可以在宿主細胞中自我複製,如果把生物體當作機械,則這種微奈米機械可以自我複製嗎?

一般而言,病毒包含了核醣核酸(ribonucleic acid, RNA)或去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid, DNA),核醣核酸或去氧核醣核酸上面有基因信息,如果要製造一個宏觀的機械結構,如前面所提及的機械手表,需要依據設計圖,利用工具機製作每一個零件,然後把每個零件適當地裝配在一起。很有趣的是,組合一個病毒也是如此,基因信息就是設計圖,所製作的零件就是各種的蛋白質。蛋白質必須從核醣核酸或去氧核醣核酸的基因信息,經過轉錄和轉譯的過程而形成。

由於病毒的核醣核酸或去氧核醣核酸的長度很小,因此病毒必須很有效地利用核醣核酸或去氧核醣核酸。憑著過人的洞察力,在1956年華生(Watson)和克里克(Crick)對於病毒結構做了很重要的貢獻,他們指出多數病毒不是球狀就是桿狀。根據基因信息必須最有效利用的原則,病毒結構應該由少數種類的蛋白質形成兩種主要形狀,一種是蛋白質形成多面體的類似球體結構,另一種是蛋白質以螺線對稱方式形成的桿狀結構。由這個原則,我們看到的病毒不是類似球體就是桿狀,不然就是兩種結構的組合。

談到自我複製,以噬菌體T4為例子。噬菌體T4可以在大腸桿菌中自我複製,T4的結構有直徑約60奈米的頭,當T4吸附在大腸桿菌表面上時,它會注射去氧核醣核酸到大腸桿菌內,然後開始進行轉錄和轉譯以形成蛋白質。當蛋白質在大腸桿菌內組合後,會產生約100到3,000個的噬菌體,大腸桿菌就因此爆裂。

雖然用病毒做為自我複製的例子,但值得一提的是,目前利用各種技術所製作的人造微奈米機械仍沒有自我複製的能力。也就是說,目前只有生物體才有自我複製的能力,自我複製的能力可說是生命的特徵。惟就基本的物理定律思考,並沒有任何的理論可以阻礙我們去製造這樣的自我複製的微奈米機械,因此人造生命的可能性仍是可預期的。

微流體晶片

現在居住在大城市中,對於一些日常用水的設施已經習以為常,但一個文明城市的水處理,對於居民的日常生活相當重要。在19世紀,倫敦市有了汙水處理系統,可以說是人類文明的一項指標。

水的處理和控制需要許多的閥門 、管路、泵浦等形成複雜配管系統,近年來,微流體晶片的技術可以把這些處理液體的管路的元件縮小在一個晶片上。微流體或稱為微流控,是指一種精確控制和操控液體的技術,「微」意味著很小的液體體積,大約是納升(nanoliter,等於 10-9 公升)。微流體在過去十年有非常蓬勃的發展,許多有趣的現象都在微流體環境中發生。

微奈米機械的一個重要指標,是如何互相整合形成一個功能強大的系統。研究人員已經可以用低雜質的矽膠,利用半導體技術在晶片上製作出微流體的管線,包括流體渠道,閥門和泵浦等。如果想培養細菌,也可以為細菌量身定做一個微流體晶片,就像一個給細菌居住的微型城市。為了使細菌能安居在晶片上,必須供應足夠的營養,這功能可以由設計適當的流體渠道導入培養液來完成。另排泄物需要排出,細菌的數目則可以在顯微鏡下觀察計數,就像是城市裡進行人口普查一般。

有趣的是,甚至可以改變大腸桿菌的基因,以控制「人口」,使它們不至於過度成長,在晶片上居住的細菌就不會太過擁擠。這樣的技術使得生物醫學人員不再依賴傳統的培養皿和大量的人工操作,因為一切的流體操作都可以自動化。

微奈米尺度的操控

除了微奈米機械的製作外,還有一個技術發展也很有趣。在篇頭曾提及一個師傅拿著鑷子組合機械表的畫面,近年來,研究人員也發展出在液體中的微奈米尺度操控技術,已可以製造利用光束形成的光學鑷子。

微型物體在液體中會呈現隨機的運動,這樣的運動稱為布朗運動,首先由蘇格蘭的植物學家羅伯特布朗(Robert Brown)在1827年觀察到。愛因斯坦對這現象提出解釋,說是由於水分子對微型物體的碰撞,使其產生不規則的隨機運動。如果要在液體中操控微奈米等級的物體,必須給它們一個力量,力量的大小必須克服隨機的布朗運動。

在1970年代,亞瑟‧阿胥金(Ashkin)在美國的貝爾實驗室發明了光學鑷子。他的想法相當簡單,試考慮一個具有一定折射率的透明微型球體,當光束受到球體折射時,由於光束具有動量,它的動量會因折射而改變方向。根據牛頓第三運動定律,這樣的光動量變化會轉移給微球體,而使後者受到一個力量,這力量經由簡單的幾何學光學可計算得知。

阿瑟‧阿胥金透過高數值孔徑的透鏡聚焦在微型物體上,以產生需要的力量。在1987年,他利用這樣的技術成功地捕捉了大腸桿菌和煙草鑲嵌病毒,大腸桿菌直徑大約是1微米,煙草鑲嵌病毒的直徑則只有20奈米。

基於阿瑟‧阿胥金的設計,現今在實驗室組裝一台簡單的光學鑷子並不難。你只需要一個雷射二極體,透過高數值孔徑的透鏡聚焦在微型物體上,就可以觀察到布朗運動消失,也可以移動光束的位置,使得微型物體跟著移動。

由於光學鑷子是基於聚焦光學,還是會受到繞射極限的限制,因此很難捕捉到遠小於100奈米的粒子或物體。最近的研究則是利用奈米的金屬結構,利用電子在金屬中的共同運動,專門術語稱為電漿子,把光局限在奈米尺度。清華大學的研究小組已成功製作出這樣的奈米光學鑷子捕捉奈米粒子。根據文獻,這樣的技術已經可以捕捉一個蛋白質分子。

本文討論了微奈米機械的設計和製造,這樣的機械可以成為非常靈敏的感測器,也讓我們對微小世界的物理現象有更清礎的了解;微流體晶片可以把繁複的流體操作縮小到一個晶片上,使生物醫學人員得以省下大量的人工操作;另外,新的微奈米操控技術使得生物醫學人員可以操控並研究單細胞、單病毒,甚至單分子。預期微奈米機械在各個領域中都會成為有用的工具。
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