世界上體積最小的收音機

　　什麼樣的收音機體積最小?小編為你解答。

　　——碳奈米管收音機

　　一根碳奈米管，就是一個收音機，可以接收無線電訊號，並播放音樂。

　　奈米技術堪稱“下一代科技領袖”最熱門的候選者。最激進的倡導者宣稱，奈米技術其實就是一套分子製造系統，可以通過機械方法讓一個一個分子彼此相連，自動構架出各種各樣的結構，最終制造出各種結構複雜的成品。

　　然而，事實卻並非如此。“奈米”這個術語已經被過度濫用，幾乎任何微小物件都在用“奈米”這個名字為自己臉上貼金，甚至連機油、防晒霜、脣膏、滑雪蠟之類的商品都號稱含有“奈米粒子”。即使如此，誰又能料想得到，第一批真正可以發揮作用、能夠對巨集世界產生明顯影響的奈米器件當中，居然會有收音機呢?

　　2007 年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的物理學家亞歷克斯·策特爾***Alex Zettl***及其同事發明了一種奈米管收音機，擁有一身令人稱奇的好功夫：單單一根碳奈米管就可以接收廣播訊號，放大並轉換成音訊訊號，傳送到外接擴音器上，讓人耳能夠輕鬆識別。不信?好吧，請登入 canal***的助聽器、手機和iPod 等等。策特爾宣稱，奈米收音機將“輕鬆嵌入一個活細胞。到時候，製造一個與大腦或肌肉功能介面的裝置，或者能用無線電控制在血管中游動的器件將不再是夢想”。

　　奈米管的魅力

　　奈米器件體積極小，重力和慣性效應影響甚微，而一些微弱的電場卻能在奈米世界裡興風作浪。

　　策特爾率領30 多名研究人員，致力於分子尺度器件的研究工作。奈米管具有不同尋常的結構，成了他們的研究重點。儘管誰先發現奈米管仍具爭議，但奈米管能在科學界大出風頭，應歸功於日本物理學家飯島澄男***Sumio Iijima***。1991 年，飯島教授宣佈，他在發出電弧***即放電所形成的明亮弧狀閃光***的石墨電極頂端發現了一些“針狀碳管”。

　　這些奈米管的特性令人稱奇。它們大小相差懸殊，形狀多種多樣，包括單壁管、雙壁管和多壁管等。其中有的直，有的彎，有的甚至首尾相接形成環，就像一個麵包圈。但所有奈米管都具有一個共性，那就是擁有相當高的抗拉強度***tensile strength，材料被拉斷前能承受的最大應力***。

　　策特爾指出，奈米管之所以具有這種非凡特性，是因為“一種自然界中最牢固的化學鍵將碳奈米管內的碳原子結合在一起”。單壁奈米管還具有優異的導電效能，不但大大超過銅、銀等金屬，甚至還超過了超導體 ***superconductor***。“這是因為電子在奈米管中移動時不會撞上任何東西，”他解釋說，“奈米管的結構簡直是太完美了。”

　　策特爾決定要打造一種能夠通過無線方式彼此聯絡，並能無線傳送探測結果的微型感測器，奈米收音機的創意由此產生。他說：“這類器件將監測環境狀況。”把這些感測器件安置在一座工廠或煉油廠周圍，它們便會把探測結果發回到某個收集站。任何人只要登入谷歌，“點選某城市名稱，就能檢視當地的實時空氣質量了”。策特爾希望發明一種奈米管質量感測器，在以此為目標的實驗中，他的研究生肯尼思·詹森***Kenneth Jensen***發現，如果將碳奈米管一端固定於某一表面，形成一根懸臂樑***cantilever***，當一個分子落在懸臂樑的自由端時，懸臂樑就會振動。分子質量不同，振動頻率也就不同。策特爾注意到，這些振動頻率覆蓋了某些商業無線電頻段，於是把這種懸臂式奈米管做成收音機的構想就變得再誘人不過了。策特爾知道，一臺收音機至少有四個基本部件：天線，用來接收電磁波訊號;調諧器，從所有正在廣播的頻道中選擇想要收聽的頻道;放大器，用於增強訊號;解調器，將訊號中的有效資訊從攜帶資訊的載波中分離出來;有效資訊被傳送到外接揚聲器上，由揚聲器將這部分訊號轉換成可以聽得到的聲音。

　　碳奈米管註定會成為這種收音機的核心器件，它集優秀的化學特性、幾何特性及電氣特性於一身。只要把這個微型裝置放在一組電極之間，便能同時具備上述四種功能，而無需其他部件。

　　策特爾和詹森首先制定了一個總體設計方案。此方案要求在電極末端做出一根多壁碳奈米管，就好像是插在山頂上的旗杆。之所以選用多壁管，是因為它比其他碳奈米管略大，而且更易安置在電極表面，不過後來他們也曾用單壁碳奈米管制作出一臺奈米收音機。這種多壁管長約500 奈米，直徑10奈米，大小與形狀都同某些病毒差不多。它可以通過奈米操控技術***nanomanipulation***安置在電極上，或者通過所謂化學氣相沉積法[chemical vapor deposition，從電離氣體***ionized gas***中沉積出一層又一層碳原子]直接在電極上生長出來。

　　電極頭圓圓的， 就像半個巴基球***buckyball***，不遠處有一個反電極***counterelectrode***。在這兩個電極間施加一個很小的直流電壓，便會產生一股從奈米管端頭流向反電極的電子流。這個發明的想法就是，無線電廣播中的電磁波會撞擊奈米管，使奈米管隨著電磁訊號的振動而發生機械振動。既然奈米管能與入射的無線電波共振，它就能起到天線的作用，當然這種天線的工作只用一根奈米管，便可實現部件眾多的普通收音機的所有功能。由於奈米管極其微小，因而它一遇到無線電訊號便會快速振動。把這根奈米天線與外圍電路接通，我們便可以操縱它完成選臺、放大，將音訊成分同無線電波的其他成分分離開來***解調***，最終使我們能聽到“海灘男孩”或喬治·弗雷德裡克·漢德爾的音樂。

　　奈米管收音機接收

　　普通收音機的天線通過電磁效應接收訊號，也就是說，電磁波在天線內產生感應電流，但天線本身始終靜止不動。而在奈米收音機中，奈米管是一個極其纖細、輕巧的帶電物體，入射的電磁波足以推動它機械地來回運動。“奈米世界神奇無比，與巨集觀世界大不一樣，”策特爾指出，“奈米器件體積極小，以致重力和慣性效應影響甚微，反倒是殘餘電場對這些小玩意兒起主要作用。”奈米管的振動會改變從奈米管端頭流向反電極的電流——用專業術語說就叫做場致發射電流。場致發射***field-emission***是一種量子力學現象，也就是一個較小的外加電壓可以引發一個物體***如針尖***的表面發射出一股較大的電子流。基於場致發射的工作原理，人們不僅期望奈米管能充當天線，還希望它能完成訊號放大任務。入射到奈米管的微量電磁波將使奈米管振動著的自由端釋放出一股較大的電子流。這股電子流將放大入射訊號。

　　下一步就是解調***demodulation***，也就是把聲音或音樂等有用資訊從無線電臺發射的載波中提取出來。在調幅***amplitudemodulation，AM***無線電廣播中，這種分離是靠整流濾波電路來實現的，這種電路只對載波訊號的振幅有反應，對頻率則完全無視。策特爾的團隊推想，奈米管收音機也可以實現這一功能：當奈米管隨著載波頻率發生機械振動時，它同樣也會響應載波中編碼的資訊成分。說來也巧，整流正好就是量子力學場致發射與生俱來的一項特質。這就意味著，從奈米管流出來的電流僅隨訊號中的編碼成分*** 即被調製的資訊成分***而變，載波則被拒之於門外了。這一功能的實現不需要任何額外電路。

　　簡單地說，電磁訊號到來時會引起奈米管的振動，奈米管在這一過程中起著天線的作用。奈米管振動端將訊號放大，同時依靠內建整流裝置的場致發射特性使載波與資訊成分分離。然後反電極將探測到場致發射電流的變化，並把歌曲或新聞等廣播內容傳送到揚聲器，由揚聲器把訊號轉變為聲波。