納米計算機(jī)與納米技術(shù)-wenkub.com
2025-07-28 00:27 本頁面
【正文】 為了理解未來的意義深遠(yuǎn)的變化，探尋在過去的巨變中幸存下來的法則是有意義的。除非世界毀滅或者世界被完全控制，技術(shù)競賽將持續(xù)下去，不管我們愿不愿意。例如，一臺納米計算機(jī)將能指導(dǎo)分解一個物體，記錄下它的結(jié)構(gòu)然后指導(dǎo)組裝機(jī)實現(xiàn)完美的拷貝，這暗示了納米技術(shù)的威力。因為沒有什么東西能抵抗侵蝕，所以分子工具也可以使任何東西分離，一次一些原子。擁有分子存儲裝置的納米計算機(jī)也可以存儲分解的指令?！ ‰娮蛹{米計算機(jī)將比微型電子計算機(jī)快幾千倍——也許幾十萬倍，如果被諾貝爾獎得主理查德若使用只有幾個原子寬的元件，一臺機(jī)械計算機(jī)體積將只有一立方微米的1/100，比我們現(xiàn)在說的微電路小幾十億倍?！ ≈圃旒儥C(jī)械計算機(jī)的想法不是什么新想法，在十九世紀(jì)中葉的英格蘭，Charles Babbage 就發(fā)明了一臺由黃銅齒輪組成的機(jī)械計算機(jī)，它的合作者Augusta Ada女伯爵，發(fā)明了計算機(jī)程序，Babbage無休止地重新設(shè)計這臺機(jī)器，制造精度帶來的問題、預(yù)算監(jiān)督人的反對意見（一些人懷疑這臺計算機(jī)有什么用?。沟眠@臺機(jī)器最終沒有完成。這看起來有點奇怪，但是計算的本質(zhì)卻和電子一點關(guān)系都沒有。而如果使用組裝機(jī)，無論如何，工程師們可以在三維空間中建造電路，精確到一個原子。這就是（1）現(xiàn)存的分子機(jī)器提供了很多種基本功能，以及（2）提供這些基本功能的部件可以被連接起來組成復(fù)雜的機(jī)器。 “組裝機(jī)和其他納米機(jī)器的可能性聽起來有道理，但是我們?yōu)槭裁床坏鹊瓤矗此鼈兪欠衲鼙话l(fā)展出來？” 純粹的好奇心可能是檢驗納米技術(shù)為我們創(chuàng)造的可能性的足夠的理由，但是還有更重要的理由。 納米機(jī)器漂浮在消過毒的試管中，在細(xì)胞之外，表現(xiàn)了所有它們在活細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)出的行為。這些優(yōu)勢使它們可以組裝形成比活細(xì)胞已經(jīng)制造出來的更多得多的分子結(jié)構(gòu)?！ 奈锢砩蟻碚f，為什么先進(jìn)的組裝機(jī)能比現(xiàn)存的蛋白質(zhì)機(jī)器做更多的事是顯而易見的。任何產(chǎn)品經(jīng)理都會感激這個理由，比工廠更甚，生命不能承受被關(guān)閉以便更換舊的系統(tǒng)帶來的后果。例如，沒有一種細(xì)胞能制造出鉆石纖維。這種達(dá)到可靠性的方法被飛機(jī)和飛船的設(shè)計者所熟知?！ 拜椛鋾纸夥肿訖C(jī)器使它們失去作用嗎？” 高能射線可以打斷化學(xué)鍵從而分解分子機(jī)器。 “分子的熱振動會使分子機(jī)器不能工作或者太不穩(wěn)定而沒有用處嗎？” 熱振動將會引起比不確定性原理更大的問題，然而現(xiàn)存的分子機(jī)器仍然證明了分子機(jī)器可以在常溫下工作。不確定性原理使電子的位置很模糊，事實上這種模糊決定了原子的真實尺寸和結(jié)構(gòu)。但是人們還是會基于根深蒂固的物理學(xué)和生物學(xué)觀念提出某些疑問，對于這些疑問應(yīng)該給出更直接的回答?！ ≡卺t(yī)藥、航天、計算、制造以及軍事方面的技術(shù)進(jìn)步——都依賴于我們排列組合原子的能力。我們可以把這樣的納米機(jī)器想象成一個裝配工?！ ⊥ㄓ媒M裝機(jī) 這些第二代納米機(jī)器——不僅由蛋白質(zhì)構(gòu)成——將能做所有蛋白質(zhì)能做的工作，以及更多的工作。不同于核糖體，它們可以操縱更多種小分子（不僅是氨基酸分子）并且可以把它們安裝到工件的任何位置而不只是在鏈的末端。象一個酶那樣它會把兩個分子結(jié)合起來?；瘜W(xué)家制造這些結(jié)構(gòu)的方式類似于基因機(jī)器，他們一次一個地把分子依次接到鏈上。化學(xué)家不能控制液體中的分子碰撞，因此分子任意地起反應(yīng)，僅取決于它們?nèi)绾谓Y(jié)合，但是他們?nèi)匀辉噲D讓反應(yīng)分子形成規(guī)則結(jié)構(gòu)諸如立方體或十二面體，或者形成不太穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)比如鍵高度繃緊的分子環(huán)。它們將開創(chuàng)一個新的充滿了可能性的世界，使工程師們擺脫蛋白質(zhì)的限制，直接設(shè)計和制造納米機(jī)器。宇航工程公司將排著隊來成噸地買這樣的纖維去造性能先進(jìn)的復(fù)合材料。酶通過這種方法來組裝DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂肪、激素以及葉綠素——事實上是生物體內(nèi)的所有分子?！ ∥覀儗⒃鯓又圃爝@些更好的機(jī)器？一直以來，工程師們利用技術(shù)本身來改進(jìn)技術(shù)。就象普通工具可以把零件組裝成普通機(jī)器一樣，分子工具把分子組裝在一起形成微小的齒輪、馬達(dá)、杠桿、外殼然后把它們組合成復(fù)雜的機(jī)器。我們在將來仍將這么做。他們已經(jīng)走上了蛋白質(zhì)工程之路，就象本章開頭引用的Kevin Ulmer的話說的那樣，這條路將帶我們“走向一條可以讓我們獲得一個原子一個原子地構(gòu)成物質(zhì)的更通用能力的分子工程之路。VLSI研究公司的報告中寫道：“看起來生物芯片（分子電子系統(tǒng)的另一種叫法）的競賽已經(jīng)開始?！?Genentech的William Rastetter在“應(yīng)用生化技術(shù)”上寫道：“新酶的設(shè)計和合成還要多久？10，15年？”他答道，“也許不需要那么久。他們改進(jìn)現(xiàn)有的酶，按可預(yù)測的途徑改變它們的行為。為什么自然的蛋白質(zhì)鏈要按照科學(xué)家容易預(yù)測的方式折疊？它們會按照自然的需求正確折疊，而不是按照人們?nèi)菀桌斫獾姆绞秸郫B。生物化學(xué)家已經(jīng)學(xué)到了一些關(guān)于氨基酸鏈如何折疊的規(guī)律，但是這些規(guī)律還不是很確定，嘗試預(yù)測一條氨基酸鏈如何折疊就象解一道七巧板難題，并且沒有可見的形狀讓你知道拼圖是否是正確的，每個小塊都有很多種方式與別的小塊結(jié)合，但是除了一種之外其他的結(jié)合方式都是錯誤的。但是他們?nèi)匀徊恢廊绾问沟鞍踪|(zhì)鏈條折疊成正確的形狀來完成特定功能。和今日的工程師們用普通馬達(dá)、軸承和動作部件來制造機(jī)械手一樣，明日的生化學(xué)家將能使用蛋白質(zhì)分子構(gòu)成馬達(dá)和軸承以及動作部件來組裝成機(jī)械手以便可以操縱單個分子。 為了看到這一切是如何發(fā)生的，我們可以想象不同的T4蛋白質(zhì)鏈漂浮在水中，每種都折疊纏繞成特殊的團(tuán)狀，具有各自不同的突起和凹處，形成不同的粘度、濕度和電荷分布。蛋白質(zhì)分子甚至可以不用額外輔助就可以連接并成形，僅僅由熱運動和化學(xué)力驅(qū)動。就象征服者奪取工廠為他們生產(chǎn)坦克一樣，這些DNA會指導(dǎo)細(xì)胞機(jī)器制造更多的病毒DNA和注射器。一個半世紀(jì)以前，JosephMarie Jacquard 建造了一臺織布機(jī)，在一串穿孔卡片的控制下它可以編織復(fù)雜的圖案。一臺可反轉(zhuǎn)的，可變速的馬達(dá)通過旋轉(zhuǎn)螺絲錐形的螺旋槳來驅(qū)動細(xì)菌在水中潛行。激素和酶可以用機(jī)械術(shù)語來描述，但是它們更經(jīng)常地被用化學(xué)術(shù)語來描述?！ 』蚬こ處焸儸F(xiàn)在可以通過為細(xì)菌編程來生產(chǎn)從人的生長荷爾蒙到RENNIN，一種制造干酪的酶。核糖體（圖中央的綠色土豆?fàn)钗矬w）通過讀取RNA分子（圖中那串
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