钻石的科学想象
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作者: Richard Lee
闪闪亮的钻石可以镶嵌在各式各样的饰品中，而应用于科学领域它还能具有高性价比?
英国布里斯托尔大学有这样一个地方，出入口有严格的门禁系统。墙壁和地板足有两米厚，由坚固沙石为原料的钢筋混凝土浇注而成。通风管道会自动闭合，甚至连手机信号也不可能“偷溜”进来。这个地方的安全措施堪比银行的金库，但是这里储藏的不是黄金和钞票，而是钻石。这个地方就是布里斯托尔大学纳米科学及量子信息中心(Centre for Nanoscience andQuantum Information)的一个科学实验室。
在这个“神秘”实验室中储藏的每一粒钻石的大小，都比一粒灰尘还要小。这类大小的钻石对银行家们没有丝毫的吸引力，但是它们却正在成为物理学家们的至爱。
还不仅仅是钻石，金、银也越来越受实验室中科学家们的青睐，这些材料在近一个世纪以来，被公认为具有最高的硬度、光泽度和耐腐蚀性，但是现在，科学家以及开始尝试将它们缩小到纳米级，发展出其他具有价值的特性，来改变那些传统的电子配件构建模式。这些以钻石、金、银为材料的“闪亮”技术正一步步突破人们的想象空间。
钻石惹人爱
纳米世界是一个蕴含着巨额财富的世界，这也是为什么布里斯托尔大学实验室建造得如此坚固的原因。在这里，物理学家尼尔・福克斯(Nell Fox)每天的工作就是研究那些和人类头发丝差不多直径的、精密的钻石薄膜，试验非常的敏感，哪怕最轻微的震动都有可能导致试验失败。
福克斯的试验目标是将这些钻石薄膜转变成一种新型的太阳能电池单元，通过吸收热量而不是可见光的波长来产生电能。他正在开拓的“热电子发射”是利用了一些材料遇热时发射电子的特性，而极薄的钻石在这点上表现的最突出。福克斯计划使用一个反射盘将太阳光集中到一个用两片钻石薄膜组成的设备中，而这两片钻石薄膜中间有一个近百微米的真空层，当太阳光照射在外层薄膜上时，最活跃的电子放射出来，并被其他薄膜收集，从而产生电流。
福克斯表示。这项技术还可以脱离对太阳的依赖，这类电池还可以吸收电厂、工厂的废气和汽车的尾气中的热量。
为了使钻石薄膜能够更有效的工作，福克斯必须首先将锂原子植入钻石薄膜中，这些原子在薄膜表面产生正电荷，这将帮助热电子发散。但这时技术问题出现了，钻石中因含有碳原子才具有了很好的硬度，而这却给植入相异原子带来了非常巨大的困难。当钻石薄膜热量非常高时，锂原子将慢慢渗入，但是最后这些电子会成团并失效。现在，福克斯已经将注意力转到了锂离子上，他相信锂离子在整个结构中更容易扩散，“让所有事情都达到我们的要求，确实需要更多的尝试。”
纳米钻石也许还将成为微芯片中硅元素电路的替代者，美国国防部高级研究规划局(US Defense Advanced Research Proiects Agency，DARPA)正在领导该项目的研究。该研究旨在用以钻石为材料的精微机械部件来替代以硅元素为基础的电子电路。美国国防部高级研究规划局的工程师们相信，这种新型设备通过集成新型的电子部件，将具有重大的优势，尤其是如果这些电子部件可以使用超微晶纳米钻石(UItraNanoC rystalline Diamond，UNCD)材料的话更是如此。
超微晶纳米钻石材料由位于美国芝加哥的阿贡国家实验室(Argonne National Laborato ry，ANL)研发，该研究室是美国政府最老和最大的科学与工程研究实验室之一。
超微晶纳米钻石材料吸引许多科学家的最大原因在于具有超平整的表面机构，以及许多其他优越的特性，在目前被应用在发射元件、表面声波元件、强化表面镀膜、红外线玻璃、微机电元件(MEMS)等。并且应用了超微晶纳米钻石材料的部件可以直接集成到硅芯片中，降低了硅芯片的制造成本。“钻石确实是一种非常特殊的材料。”瑞典乌普萨拉大学的工程师简・艾斯伯格(Janlsberg)表示，他正在研究超微晶纳米钻石材料在电子学中的应用。
美国国防部高级研究规划局资助的研究员们希望能够使用他们所研究的钻石部件，创建一个在宽带速度下操作的军用无线电接收装置，而这正得益于钻石所具有的刚性和耐腐蚀性。
iPod嵌在衣料中
除了钻石外，同样发出耀眼光芒的金和银这两种材料也在被科学家们拿来进行更多科学尝试，当有一天，iPod不是拿在手中而是内嵌在随身穿着的外套里，千万不要惊讶。
钻石利用新方法“操纵”电子，而另一些形式的“闪亮”物质通过光子。可以完全替代电子。与电子在电路中通过碰撞和冲突产生能量不同，光子可以互相不冲突而与光学纤维产生作用。这意味着光子可以比电子具有更高的密度，因而光学电路可以传输更多的数据。
找出一种方式来控制这些光子，到目前为止仍是一大挑战。一种解决办法是使用等离子体激元(plasmon)，等离子体激元可以想象为在内部含有电子的金属表面捕获的一条光波。近期，韩国大田市电子及通信研究所的研究团队使用等离子体激元在黄金电线上传送宽带光信号，从而实现了计算机芯片之间传输数据。包括因特尔公司在内的部分生产商，已经开始使用这种技术来替代个人电脑中的传统配线技术。
等离子体激元技术的终极目标是，自发光并执行每一个微芯片的操作。现在该目标还存在的部分问题是是否能够产生光脉冲。并使它们能够在极小的空间里以极高的速度进行自由转换。
今年年初，一个由中国和美国的物理学家组成的科学团队展示了一种有史以来最小的激光器。该激光器的基本组成部分是一个直径仅为44纳米的纳米粒子，该器件能产生一种称为表面等离激元(surface plasmon)的辐射而被命名为“spaser”。这项新技术可允许光子局限在非常小的空间内，一些物理学家据此认为，spaser也许将成为未来光学计算机的基础。
工程师们使用钻石、金、银这些“闪亮”物质构建光学计算机还需要很长时间，而在这个过程中。金和银的纳米微粒也许能发挥一些其他功能。比如可以将这些纳米微粒添加到织品中，这些织品暴露在光线下，金纳米颗粒可以生成等离子体激元，遇热后放射出不同波长的光。这项技术可以用光谱学的方法来分析细胞化学，从而在医疗诊断学中发挥重要作用。
而银纳米颗粒也有大展拳脚的领域，它们可以使LED(发光二极管)发挥更高的效率。根据Applied PhysiCSLetters的数据显示，添加了银纳米颗粒的LED的输出量增加了8倍，这也许意味着未来将有更加节能的显示屏幕或照明系统。“这是一个目前才刚刚起步的、未来发展空间非常大的研究领域。”美国西北大学从事纳米技术研究的泰瑞・欧多姆(Teri Odom)表示。
当然，如何将前沿技术与市场相结合才是最重要的。未来这些“闪亮”技术也可以被集成到最普通的消费品中，给消费者带来切身的体验。目前非常时髦的小设备，比如手机和音乐播放器，可以通过“闪亮”技术集成到我们随身穿着的衣服中，“我们不必再携带iPod，只要将所有的电子系统嵌入到我们的夹克中。”伊利诺伊大学乌尔班纳一香槟分校的材料科学家珍妮弗・路易斯(JenniferLewis)表示。
路易斯教授正在研究如何实现这些技术的可穿着性。去年，路易斯教授和她的团队研制出一种由银纳米粒子构成的新型墨水，可应用于电子和光电等领域，创造出更易弯曲和伸展的、跨度较大的微电极，实现信号从一个电路元件到另一个电路元件的传递。刻有图案的银微电极可以利用高浓度的纳米粒子墨水在宽度小于2微米的半导体、塑料和玻璃基质上进行全方向的打印。路易斯教授目前在做的尝试是，是否可以将此打印技术应用于更加柔软的材料中，比如织物中。
无论你的下一件外套或开衫是否内置了定制的电路系统，可以肯定的是，使用钻石、金和银材料的电子学技术将有一个非常值得期待的未来。即使是那些讨厌这些“闪亮亮”东西的人也没必要为这项技术发愁，因为那些“闪亮”技术都将隐于“无形”。
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