納米計算機與納米技術(shù)-閱讀頁
2025-08-15 00:27本頁面
【正文】 們很少能按照特定要求組裝復(fù)雜分子?；瘜W(xué)家制造這些結(jié)構(gòu)的方式類似于基因機器，他們一次一個地把分子依次接到鏈上。 但是如果面對一個團狀的，有上百個氫原子在表面上的疙疙瘩瘩的分子，化學(xué)家又怎樣才能從上面分離一個特定的原子或者放些東西在它表面呢？使用簡單化學(xué)藥品是幾乎不可能做到的，因為一般小分子是不能選擇在什么位置和大分子起反應(yīng)的，但是蛋白質(zhì)機器是有選擇性的。象一個酶那樣它會把兩個分子結(jié)合起來。這正是化學(xué)家所欠缺的關(guān)鍵能力。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。盡管核糖體只能制造未折疊的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)機器卻可以建造組成金屬、陶瓷或鉆石的微小的固體塊——小到看不見，但是卻是粗糙的?！ ⊥ㄓ媒M裝機 這些第二代納米機器——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。通過不同的設(shè)計，這種類似酶的第二代納米機器將能作為化學(xué)家手中的工具去操縱幾乎任何反應(yīng)分子，具有可編程機器的精確性。我們可以把這樣的納米機器想象成一個裝配工。這導(dǎo)致的結(jié)果是意義深遠(yuǎn)的，因為我們的原始的工具只讓我們探索了自然法則允許的可能性的很小一部分?！ ≡卺t(yī)藥、航天、計算、制造以及軍事方面的技術(shù)進步——都依賴于我們排列組合原子的能力。在這點上來說我們應(yīng)該退后一點以便看清前景，并且能使我們確信組裝機和納米技術(shù)不僅僅是個未來的幻影。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。它限定了分子機器的動作，就象它限定了任何別的事物的動作一樣。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)。如果原子不能被穩(wěn)定放置，那么分子將不存在。 “分子的熱振動會使分子機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)存的分子機器仍然證明了分子機器可以在常溫下工作。為了達到這樣的精度，細(xì)胞使用了機器（例如DNA聚合酶）來保證復(fù)制以及糾正錯誤。 “輻射會分解分子機器使它們失去作用嗎？” 高能射線可以打斷化學(xué)鍵從而分解分子機器。由于單個分子機器是這樣小，以至它們對射線來說太小而很少被擊中。這種達到可靠性的方法被飛機和飛船的設(shè)計者所熟知。這是一個簡單而有力的案例，證明了自然法則允許一團原子組成可控機器，能建造其它的納米機器。例如，沒有一種細(xì)胞能制造出鉆石纖維。是否這就暗示了進步是不可能的？進化是通過微小的改變來完成的，DNA的進化不能簡單地取代DNA。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。汽車比美洲豹跑得快，噴氣飛機比獵鷹飛的快，計算機比人心算的快?！ 奈锢砩蟻碚f，為什么先進的組裝機能比現(xiàn)存的蛋白質(zhì)機器做更多的事是顯而易見的。因為它們將用比蛋白質(zhì)更堅硬、更穩(wěn)定的原料制成，所以能發(fā)出更大的力，運動精度更高，以及適應(yīng)更苛刻的環(huán)境。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)。這種想法被稱為“生機論”，生物學(xué)家已經(jīng)拋棄了它因為他們在活細(xì)胞研究的所有方面都找到了化學(xué)和物理的解釋，包括它們的運動、生長和復(fù)制?！ 〖{米機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。例如， R. B. Merrifield使用化學(xué)技術(shù)來組裝簡單的氨基酸，制成牛胰島素，一種分解RNA的酶?！ 敖M裝機和其他納米機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。更甚者，下面的章節(jié)的結(jié)論將說明等待觀望的政策代價將是很昂貴的——可能會搭上幾百萬人的生命，也可能會結(jié)束地球上的生命。這就是（1）現(xiàn)存的分子機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)雜的機器。 納米計算機 組裝機將帶來的一個顯而易見的重要的突破是：工程師們將可以用它們來大幅減小計算機的尺寸和價格并且大大地提高運算速度。而如果使用組裝機，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。無論它的極限在哪兒，都會由于組裝機的使用而被達到。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。這種圖案可以代表幾乎任何事物?！ ≈圃旒儥C械計算機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械計算機，它的合作者Augusta Ada女伯爵，發(fā)明了計算機程序，Babbage無休止地重新設(shè)計這臺機器，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有什么用?。沟眠@臺機器最終沒有完成。它看起來像一個巨大的球棍分子模型，因為是用兒童玩具做成的。若使用只有幾個原子寬的元件，一臺機械計算機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。但是它會工作得很快，雖然機械信號傳導(dǎo)比電信號慢100,000倍，但是它只需要傳導(dǎo)1/1,000,000的距離，所以延遲很小。 電子納米計算機將比微型電子計算機快幾千倍——也許幾十萬倍，如果被諾貝爾獎得主理查德通過縮小尺寸來提高速度是電子工業(yè)的老套路了。擁有分子存儲裝置的納米計算機也可以存儲分解的指令。組裝機是基于象酶和化學(xué)反應(yīng)那樣的形成鍵的機制，而分解機則基于象酶和化學(xué)反應(yīng)那樣的打斷鍵的機制，以及由機器控制的處理過程。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?！ 】梢宰錾鲜龉ぷ?，同時一層一層記錄下它去掉了些什么的納米機器就是分解機。例如，一臺納米計算機將能指導(dǎo)分解一個物體，記錄下它的結(jié)構(gòu)然后指導(dǎo)組裝機實現(xiàn)完美的拷貝，這暗示了納米技術(shù)的威力。第一步已經(jīng)邁出，頂著“基因工程”和“生物技術(shù)”的名頭。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。 為了獲得理解未來的希望，我們必須先理解組裝機，分解機和納米計算機。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。
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