海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

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纳米会唱歌(原创+科普)

已有 6367 次阅读 2009-3-22 16:30 |个人分类:纳米科技|系统分类:科普集锦|关键词:学者

沈海军 文
1990年首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科技的诞生。经过近二十年飞速的发展,纳米科技已派生了纳米材料学、纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米计量学、纳米机械学、纳米生物学、纳米力学等主流的学科分支,以及纳米伦理学、纳米经济学等非主流分支。
值得注意的是,近年来,一门与纳米科技紧密结合的学科—纳米艺术学,也悄然兴起,并逐渐吸引了艺术界与科学界的共同关注。
和纳米级的图画、雕塑,以及纳米题材的视频短片等纳米艺术形式相比,纳米音乐的发展相对缓慢。然而随着人们对纳米结构、DNA、核磁共振、化学键的形成/断裂等课题的不断深入研究,让纳米结构发声,让分子/原子歌唱,已初见端倪、指日可待。
一、纳米碳管收音机
自从1991年被发现以来,碳纳米管特殊的分子结构就引起了来自材料、物理、化学、微电子、医药等学科领域的研究者们的浓厚兴趣。2008 年,美国《技术评论》杂志评选出了前一年的国内10 大新兴技术。其中,碳纳米管收音机被公认为是碳纳米管在微波领域中应用的重大工程壮举。
碳纳米管收音机是迄今为止世界上最小的收音机:它的关键部件由一根直径仅为几十纳米(注:一纳米等于10亿分之一米)的碳纳米管构成,人们加上电池和耳机就能用它收听到自己中意的广播节目。这种碳纳米管收音机比现在的普通收音机要小10亿倍。
碳纳米管收音机是美国加州大学物理学家泽托教授2007年的杰作。在该碳纳米管收音机中,碳纳米管承担了收音机的天线、调谐器、放大器和解调器等诸多部件的功能。如图1所示,纳米收音机的碳纳米管被置于真空管中,并将一端固定在电池的负极上。碳纳米管的另一端(即自由端)和电池正极之间留有纳米量级的间隙。如果电极间的电压足够高,正极能将碳纳米管自由端的电子夺过来。当广播电台的无线电信号经过该碳纳米管收音机时,其产生的电场将不断“推”和“拉”纳米管的自由端,也就是碳纳米管随无线电信号发生共振,利用这种共振现象及回路中相应的电流变化就可以探测到无线电信号。这里,回路中受无线电信号感应得到的高频交变电流信号后经碳纳米管“调谐”、“放大”和“解调”后,便会转化为携带声音信息的低频信号,进而,通过喇叭等播出声音。
碳纳米管收音机的出现,使得纳米结构发声、甚至歌唱成为可能,为未来纳米声乐的发展提供了新的思路。
 
二、纳米吉它与单弦琴
1997年,美国康奈尔大学的科学家们采用刻蚀的方法制作了一把极其微小的“纳米吉它”,该小得可以塞进一个人的红细胞内。这显示出当今的纳米技术已经达到了什么样的水平。最小的吉它只有10个微米长,相当于单个细胞的大小。6根弦中每根弦只有50纳米粗,相当于100个 原子的宽度。比人的头发还要细2000多倍。它可以弹出调来,如果有人有足够细小的手指的话。据康奈尔大学应用工程物理学教授Harold Craighead称,如果能用某种技术拨动这把吉它的弦,它也能像其他普通吉它那样产生共鸣。
在制造这把微型吉它时,科学家克服了很多技术问题,例如,观察琴弦与激光的干扰情况,测量弦的振动力等。最终,研究发现,该吉它发出来的声音频率已超出了人听觉的范围,人耳根本无法听到。尽管如此,通过某种频率转换,该吉它还是可以为我们演奏的。
2006年另一位美国科学家Singh在两根钨探针中间连接了碳纳米管,制成了纳尺度的锯弓(也称为“纳米小刀”)。该纳米锯弓被认为将来可能用于生物细胞的手术。事实上,该纳米锯弓实际上也相当于一把单弦琴,若利用激光脉冲拨动琴弦,使得碳纳米管振动起来,该单弦琴也会发出特定频率的声音来。
 
三、纳米粒子音乐与DNA音乐
根据量子力学的观点,一个粒子它具有波粒二相性,因此,纳米粒子本身就是波的叠加。既然声音也被认为是波的叠加,那么,声就可以用微观粒子波体系来描述。2001年,《Organized Sound》第二期上曾发表了一篇关于纳米粒子音乐的文章。在该文中,作者Bob博士经过分析粒子波与声合成之间的关系后,发现了两者之间的相似性,进而从理论上阐述了利用纳米粒子波进行谱曲的全过程。最后,Bob博士认为,“利用粒子系统可以进行谱曲…在未来,粒子加速器就是乐器,而粒子物理学家就是谱曲家”。
提起DNA大家都不陌生,但如果说起音乐DNA,大家也许都会大吃一惊,难道DNA中也有音乐?音乐中也有DNA?1984年,日本癌症研究中心的两位生物学家在进行DNA研究的时候,别出心裁地用音符来代替碱基排列顺序,用音符的[2、3、5、6]来代替[G、C、T、A]。他们把人体白血病病毒的DNA的碱基排列顺序配成乐谱,并用电子乐器演奏的时候,听众无不缠绵悱恻,潸然泪下!DNA音乐问世后,整个生物学界轰动了。在美国、英国学者和日本其他科学家的努力下,DNA变奏曲,DNA组曲等也应运而生,它们以迷人的旋律赢得了众多的观众。当科学家把人体胰岛素DNA的碱基排列配成乐谱,结果发现它与肖邦的《葬礼进行曲》第三乐章的中间部分竟然十分相似。 
 
四、核磁共振演奏
核磁共振是指原子核在外磁场作用下因共振而大量吸收某种频率辐射的物理过程。核磁共振波谱是光谱学的一个重要分支。在我们的日常生活中,核磁共振通常是用来进行身体检查,用来成像的。通常,核磁共振光谱的频率远超出人的听觉范围,但是,当核磁共振遇见“好事”的音乐家,这种情况就发生了改变。最近,笔者发现,在一个自称为“磁共振遇见音乐家“(NMR meets musicians)的网站上,兰格•纽伦堡大学的有机化学的教授们详细阐述将如何将核磁共振转化为声乐的全过程。在那里,即使像酒精这样如此普通的物质,其磁共振谱也能奏出美妙的声响。
 
五、原子力显微镜弹奏
原子力显微镜是一种利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。它有一根纳米级的探针,被固定在一个可灵敏操控的微悬臂上。当探针很靠近样品时,其顶端的原子与样品表面原子间的作用力就会使悬臂弯曲,偏离原来的位置。根据该偏离量,原子力显微镜就能间接地探测出样品的表面形貌或原子、分子。
现在,利用原子力显微镜,科学家已经可以监听原子力显微镜探针针尖原子与物体表面原子之间化学键形成与断裂的声响,并且发现,不同化学键形成与断裂所发出的声音各不相同。试想,如果物体表面的原子排列得如此巧妙,那么原子力显微镜针尖和物体表面不同原子之间不断接触,化学键不断形成和断裂,那么,完全有可能像弹电子琴一样演奏出美妙的歌曲来。


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