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病毒与纳米技术(原创)

已有 10866 次阅读 2008-10-8 15:35 |个人分类:纳米科技|系统分类:科普集锦|关键词:学者

 病毒与纳米技术

沈海军
 
一提到病毒,大多数人们都会联想到感冒、发烧、打喷嚏,或者是计算机速度变慢、乃至系统瘫痪等等。换句话说,在多数人们的眼中,病毒简直就是一群危害人类健康、或计算机安全的害群之马。然而,近些年来纳米技术的出现,已使得这一状况发生了改变,某些病毒已经能够为我所用,并有望在未来的微电子、医学等领域成为人们的得力帮手。
 
l         什么是纳米技术?
所谓纳米技术,就是在纳米尺度(1~100nm之间,1nm=10-9m)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的技术。纳米技术将使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子,其最终目标是以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。目前,大多数病毒的尺寸都在几十到几百纳米之间,这恰好是纳米技术“施展拳脚”的尺度范围。通过纳米技术改造某些病毒,它们就能“化敌为友”,为我们人类服务。
 
l         病毒导线
   未来的纳米计算机中将包含大量直径为纳米量级的导线。1纳米为十亿分之一米;打个比方,如果将一个典型的纳米导线比作铅笔,则一根铅笔的直径就同地球直径相当。显然,要加工如此细的导线的确不是一件容易的事,然而一种名为M13的噬菌体病毒可以帮我们做到这一点。M13噬菌体是一种瘦长的、寄生于细菌的病毒,它的宽度约为6纳米,长1微米左右。美国麻省理工学院的贝尔彻博士通过特殊材料筛选出了对金具有高度吸附能力的M13噬菌体,然后将这些病毒投入到金离子溶液中,结果噬菌体全身镀金,成为一条条一微米长的导线,这种导线被认为可以用来制作未来的微/纳电子电路。更有甚者,这些噬菌体还可以相互连接并形成长数厘米的金线,进而通过纺织,制作成“金布”。
 
l         病毒晶体管
现在的计算机芯片中含有大量的晶体管,未来的纳米计算机上也极有可能是如此。现在,美国科学家已经用烟草花叶病毒制造出了开关速度非常快的“病毒晶体管”。晶体管的开关速度直接关系到芯片处理信息的速度,如果能将“病毒晶体管”大量集成制造成芯片,可望大大提升电子设备的性能。例如,数码相机显示一张照片原本需要若干毫秒,若使用新的芯片后所需时间可缩短到微秒级别。美国加州大学洛杉矶分校的科学家最近在英国《自然》杂志上报告宣称,他们在长约30纳米的烟草花叶病毒表面涂上纳米级的金属铂粒子,平均每个病毒表面约有16个铂粒子;然后将病毒嵌入聚合物制造的网格,将网格置于两层电极中间,形成了与普通晶体管类似的“三明治”结构。对这种“病毒晶体管”施加电压后,每个铂粒子都会释放一个电子到病毒表面的蛋白质上,使晶体管切换到“开启”状态。如果电压降低到一定水平以下,电子从蛋白质跳回铂粒子,使晶体管“关闭”。在这一过程中,电荷移动的距离只有10纳米左右,所需时间仅100微秒。专家预测,4年内,数百万个这样的“病毒晶体管”有望被互联起来,从而研制出“病毒晶体管”组成的芯片样品。
 
l         病毒电池电极
近来,美国麻省理工大学的科研人员们开发出一种新的不致病病毒,可用于制作电池电极,专用于“电力”事业。该项工作的研究人员仍就是上文提到的贝尔彻博士,所利用的病毒仍为M13噬菌体。现在,贝尔彻博士在美国军方的资助下,已经用M13噬菌体制造出面积为10平方厘米,厚不到1微米的稳固薄片。这种薄片作为电极(阴极和阳极)可用来制造超轻锂离子电池,这种薄片电池电极的重量仅为40-50毫克,仅为传统电池石墨电极的几百分之一。 这种薄片电极内分布着大量的包裹着金和氧化钴的M13噬菌体,可直接在预先制作好的聚合体电解质上组配完成,最终形成“阴极/电解质/阳极”的三明治结构电池。其中,噬菌体内的金可以增加导电性,而氧化钴可以交换电解质中的离子,从而形成电流。这种电池叠加(串联)起来可得到更高的电压,且具有极高的充电和放电速度。此外,这种电池还可以结合在各种表面上,因此重量轻,体积小。除了军事用途外,它将来还可以被用于超薄MP3播放器中。
 
l         病毒检测制造缺陷
目前,科学家们发现了一种噬菌体病毒,它趋向于吸附在砷化镓半导体材料的缺陷部位。而对它的“近亲”,氮化镓材料并不敏感,即电学特性保持不变。这种辨别力可使这种噬菌体病毒被用来检测芯片上的缺陷。芯片制造商在制造氮化镓晶体时,如果晶体原子没有恰当结合,就会在局部位置产生缺陷,噬菌体正好可以大量聚集在这个缺陷处。如果让噬菌体带上荧光标记,我们就能用显微镜观察到这处缺陷。事实上,这一技术还可推向更多领域,例如,寻找飞机机翼或航天器表面上的制造缺陷等等。
 
l         病毒描绘细胞图像
科幻小说里曾描绘过这样一个情景:一群感光的纳米粒子漫游在一个人的血管中,它们可帮助医生绘制出这个人的终极医学系统映射图。在现实中,生物学家也希望能把病毒改造成“纳米摄像机”,由此拍下能展现活细胞内部情形的、独一无二的图像,并由此使人们更好地了解病毒自身工作的原理。现在,美国印第安纳大学波格丹教授的研究团队正在努力实现这一计划。他们准备将载有黄金粒子的雀麦草花叶病毒输入到人体的活细胞内,由此获得描绘细胞化学和物理活动的、前所未有的清晰图像。这种载有黄金粒子的病毒对人体无害,所携带黄金粒子的直径为5纳米左右,它和人体活细胞有很好的相容性,因此,可以在细胞中长期存在。当我们用一种被称作“拉曼射线”的光照射这些细胞时,细胞内含黄金粒子的病毒便会清晰地勾勒出细胞的轮廓。不过,目前这种图像的观察方式还只限于电子显微镜来观察。
 
l         病毒帮助寻找癌细胞
在癌症检测方面,M13噬菌体病毒也有其应用方向。“量子点”是纳米大小的发光晶体,可以由金、银等金属或者半导体制成,它体积小,却可以激发出强度高、稳定性好的荧光。目前,由于镉等重金属量子点具有稳定性好等特点,常常被用于标记癌细胞,然而金属镉对人的机体细胞有毒,这在一定程度上限制了它的临床应用。现在,美国的科学家正试图用M13噬菌体吸附更为安全的氮化镓、氮化铟等半导体量子点,进而用它来标记和寻找癌细胞,这项研究已得到了美国癌症研究所的大力资助。


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1 陆绮

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