如何在針尖上寫一部百科全書_風聞

撰文 | 嚴壯

一根縫衣針的直徑大約是0.5毫米，一本1000頁的百科全書攤開的面積大約是60平方米，差不多是針尖橫截面積的3億倍，在針尖上寫下整部百科全書可以説是天方夜譚。然而六十多年前，一位偉大的物理學家就曾提出這一構想，並且人們沿着他的思路，到現在我們可以將成千上萬本書存在指甲蓋大小的存儲卡中，最終將這件看似不可完成的事完成了，他就是理查德·費曼（Richard Feynman）。

費曼（左圖）和存儲卡（右圖）

費曼因量子動力學方面的貢獻獲得諾貝爾物理學獎，他更為民眾熟知的貢獻是參與美國秘密研製原子彈的“曼哈頓計劃”，以及調查挑戰者號航天飛機失事原因。他的物理學講義也成為大學物理的經典教材之一，在全世界範圍內都有大量讀者。正如費曼在自傳《你幹嗎在乎別人怎麼想》中自述他是一個滿是好奇心的人，在1959年冬天，加州理工學院召開的美國物理學會年會上，他將一段時間以來非常感興趣的領域——小尺度下操縱和控制物質的問題向大會報告，這就是那篇著名的演講：“底部大有空間”（“There is plenty of room at the bottom”）。

費曼的演講

在演講中，費曼首先簡要的回顧了當時物理學的一些發展方向，例如昂納斯（Heike Kamerlingh Onnes）引領的超低温方向（低温超導），布里奇曼（Percy Bridgeman）引領的超高壓方向（人造金剛石）以及超高真空方向等。費曼自然而然地將話題轉移到超小尺度這個有着重大應用價值的方向上。在針尖上書寫一本百科全書，即是費曼提出的一個構想。實現這一構想主要需要兩部分工作，第一部分是在針尖上寫下百科全書的全部內容，這一步要求在小尺度上操縱和控制“筆”來寫出很小的字，第二部分是要讓人的眼睛可以看到這些很小的字，也就是需要有相應的放大顯示設備。

現在討論如何在針尖上寫很小的字的問題，費曼提出了三種解決方案，第一種是將電子顯微鏡的放大鏡頭倒置過來用於縮小，將離子源射出的離子束經過這種倒置的放大鏡頭進行聚焦，進而在線掃描時控制離子束強度，形成字體的一個個像素點，這種方法與現在的聚焦離子束（FIB）加工技術原理上類似，感興趣的讀者可以再深入瞭解。第二種方法是在第一種方法的基礎上進行改進，通過製造一些字體的模板，讓離子束透過這些模板自然的變成字體形狀的離子束，再進行聚焦，從而避免進行線掃描，加快書寫速度。第三種方法是直接將電子源通過倒置的電子顯微鏡進行聚焦，不斷轟擊在針頭上，留下相應的刻痕，這個過程很像雕刻，聚焦的電子束像一把刻刀，用電子束在針頭表面進行雕刻即可獲得想要的形狀，現在的電子束曝光（EBL）直寫技術與此原理類似，在電子束難以在材料表面留下刻痕時，還可以通過電子束抗蝕劑來幫助留下印記。此外，在將字寫得更小的同時，費曼也在考慮用一種新的符號形式來更簡潔的表達字母或者字符，類比於DNA分子鏈通過四種鹼基進行編碼，他希望使用材料本身的性質，即不同元素作為基本編碼工具，相較於二進制中的0和1，顯然一百多種的元素可以存儲更多的信息，當然這一構想直到現在還未實現。

世界上最小的徽標——35個氙原子（左圖），麻省理工學院的科技人員利用電子束曝光技術加工出2.2納米的間距（右圖）

為了讓人的眼睛看到這麼小的字，需要製造出更好的顯微鏡。費曼列舉了很多擁有更好的顯微鏡可以完成的工作，對於生物學家而言，DNA的結構和序列是怎樣的，與蛋白質中氨基酸的序列有何關聯，RNA的結構是怎樣的？對於化學家而言，化學反應的過程是怎樣的？這些問題最簡單的解決方法就是——直接看一看這些過程。儘管那時顯微鏡的極限分辨率大概是1納米，費曼預言未來電子顯微鏡的分辨率將達到其所在時代顯微鏡的100倍，現在最先進的顯微鏡分辨率可以達到0.039納米，雖然沒有達到100倍的目標，但25倍的提高已經足夠強大到可以看清單個原子。2017年，三位在冷凍電鏡領域做出開拓性貢獻的科學家共享了諾貝爾化學獎，他們的工作使得生物學家能夠更容易的看清蛋白質等生物大分子的結構。

冷凍電鏡解析穀氨酸脱氫酶結構分辨率逐漸提高

除了在針頭上書寫百科全書這樣大膽的構想，費曼關於製造微型機械的想法更令人心潮澎湃，他設想可以製造像生物細胞一樣的微型機器人，費曼引用一位朋友的話，做手術時能將手術醫師吞進身體裏會很有趣，這在現在已經有一些應用場景。同時他認為隨着微型計算機運行速度的提高尺寸必定會降低，擁有更多元件的計算機可以實現更多更復雜的功能，他舉了一個圖像識別領域的問題，設想計算機和人一樣識別人的面孔，這一定程度上已經由現在的深度神經網絡實現，而推動深度學習發展的動力，正是由於計算機元件的不斷縮小和因此產生的不斷提高的處理速度。

費曼的終極目標是通過一雙強有力的手直接控制原子的排列，通過物理的方法控制原子排列來實現各種化學物質的合成，從而成為“造物者”，而這種操控產生的物質在小尺度下可能產生新奇的性質，值得去深入的探索。對於納米科技的研究意義，費曼已經提出了一些可能的應用價值，但正如他在演講結尾處提到的 “But have some fun”，除了應用價值以外，研究人員還應該對於納米科技本身充滿好奇心，這樣在“底部空間”中才能行走的越來越遠。

強有力的手直接控制原子的排列（左圖），自下而上創建原子級的精確結構（右圖）

參考文獻：Feynman R P. There’s plenty of room at the bottom[J]. California Institute of Technology, Engineering and Science magazine, 1960.

本文經授權轉載自微信公眾號“國家納米科學中心”，原標題為《科普原創 | 如何在針尖上寫一部百科全書》。