奈米技術可以說是應用科學近代史上最被過度炒作的“下一個重大事件”之一。根據其最激進的倡導者的說法，奈米技術是一種分子製造系統，它將允許我們透過機械地將分子一個接一個地連線起來，直到最終的、原子上正確的產品在我們眼前出現，從而製造出幾乎任何任意複雜度的物體。
現實情況有些不同：今天，“奈米”這個詞已經被稀釋到幾乎適用於任何小東西的程度，甚至包括機油、防曬霜、口紅和滑雪蠟等各種商品中的“奈米顆粒”。那麼，誰會想到，首批真正功能性的奈米級裝置之一——會對更大的宏觀世界產生可衡量的影響的裝置——竟然會是……無線電？但是，加州大學伯克利分校的物理學家亞歷克斯·澤特爾和他的同事在2007年發明的奈米管無線電，完成了一系列驚人的壯舉：單根碳奈米管可以調諧廣播訊號，放大訊號，將其轉換為音訊訊號，然後以人耳可以輕易識別的形式將其傳送到外部揚聲器。如果您對此斷言有任何疑問，只需訪問www.sciam.com/nanoradio並收聽歌曲“Layla”。
奈米管無線電的製造者說，它可以成為一系列革命性應用的基礎：助聽器、手機和iPod，小到可以完全放入耳道內。奈米無線電“可以輕鬆地放入活細胞內，”澤特爾說。“人們可以設想與大腦或肌肉功能的介面，或者是在血液中移動的無線電控制裝置。”
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奈米管的呼喚
澤特爾領導著30名研究人員從事分子級裝置的創造工作，他決定將奈米管作為他工作的重點，因為它們是卓越的結構。關於誰首先發現它們的問題存在爭議，但日本物理學家飯島澄男通常被認為是將它們引入科學領域的功臣，他在1991年宣佈在石墨電極的尖端發現了“針狀管”，該電極發出電弧，即發光的放電。
這些奈米管具有一些令人驚訝的特性。它們的尺寸和形狀多種多樣：有單壁的、雙壁的和多壁的。有些是直的，有些是彎曲的，有些甚至以環形結構自身環繞。它們共同的特點是其出色的拉伸強度，即沿著其長度抵抗拉開而不破裂的能力。澤特爾說，這種不尋常特性的原因是，“將碳原子結合在碳奈米管中的力是自然界中最強的鍵。” 奈米管也是極好的導電體，遠勝於銅、銀甚至超導體。“這是因為電子不會撞擊任何東西，”他解釋說。“管子是如此完美的結構。”
澤特爾產生奈米無線電的想法，是在他決定想要創造能夠相互通訊並無線廣播其觀測結果的微型感測裝置時。“它們將用於監測環境條件，”他說。它們將被分佈在工廠或煉油廠附近的田野中，並將結果無線電傳輸回某個收集點。然後任何人都可以訪問谷歌，“並點選一個城市的空氣質量，即時檢視。” 在旨在生產奈米管質量感測器的一些實驗過程中，澤特爾的一名研究生肯尼斯·詹森發現，如果將碳奈米管的一端固定在表面上，形成懸臂樑，當一個分子落在其自由端時，梁就會振動。不同質量的分子會使梁以不同的頻率振動。當澤特爾注意到其中一些頻率包括商業無線電頻段中的頻率時，使用懸臂奈米管制造無線電的想法變得幾乎不可抗拒。
澤特爾知道，一個簡陋的無線電有四個基本部件：接收電磁訊號的天線；從所有廣播的頻率中選擇所需頻率的調諧器；增強訊號強度的放大器；以及將資訊訊號從其傳輸的載波中分離出來的解調器。然後，資訊元件被髮送到外部揚聲器，揚聲器將訊號的該部分轉換為可聽見的音調。
將要成為裝置核心的碳奈米管被證明是如此有利的化學、幾何和電氣特性的組合，以至於當它被放置在一組電極之間時，這個微型元件本身就同時完成了所有四個功能。不需要其他部件。
澤特爾和詹森開始著手設計一個總體方案，其中多壁碳奈米管將構建在電極的尖端，這種佈置中，奈米管將類似於山頂上的旗杆。他們決定使用多壁管，因為它比其他型別的管子稍大，也更容易安裝在電極表面上，儘管他們後來也構建了單壁管的版本。該管的長度約為500奈米，直徑為10奈米（大致相當於某些病毒的大小和形狀），將使用奈米操縱方法放置在電極上，或者透過稱為化學氣相沉積的技術直接在電極上生長，在該技術中，碳層從電離氣體中沉澱出來。
在離尖端一定距離處，以半球形巴克球的形狀圓化，將是一個反電極。將在電極兩端施加小的直流 (DC) 電壓，從而產生從奈米管尖端到反電極的電子流。想法是，來自傳入無線電傳輸的電磁波將撞擊奈米管，導致其物理振動，與電磁訊號的變化同步。奈米管與傳入的無線電波同步振動，將充當天線，但其工作方式與傳統無線電的天線不同。
在普通無線電中，天線以電子方式接收傳入訊號，這意味著傳入波在天線內感應出電流，天線保持靜止。相反，在奈米無線電中，奈米管非常纖細和輕巧，以至於傳入的電磁波足以機械地來回推動它。
“奈米世界很奇怪——不同的事物佔據主導地位，”澤特爾描述說。“重力不起任何作用，慣性效應基本上不存在，因為事物太小了，以至於殘餘電場可以發揮主導作用。”
奈米管的振動反過來會在從奈米管尖端到反電極的電流中引起變化：技術上是場發射電流。場發射是一種量子力學現象，其中小的施加電壓會產生從物體表面（例如針尖）的大量電子流。由於場發射的工作方式，預計奈米管不僅可以充當天線，還可以充當放大器。
撞擊奈米管的小型電磁波會導致從其振動的自由端釋放出大量的電子噴射。該電子噴射將放大傳入訊號。
接下來是解調，即將無線電臺的載波頻率與編碼在其上的資訊訊息（語音或音樂）分離的過程。例如，在調幅 (AM) 無線電廣播中，這種分離是透過響應幅度並忽略（濾除）載波訊號頻率的整流和濾波電路來實現的。澤特爾的團隊推斷，這些功能也可以在奈米管無線電中實現：當奈米管機械地與載波頻率同步振動時，它也會響應編碼的資訊波。幸運的是，整流是量子力學場發射的固有屬性，這意味著從奈米管出來的電流僅隨編碼或調製的 информационный 訊號而變化，而載波則從畫面中消失。這將是免費的解調——無需單獨的電路。
簡而言之，傳入的電磁訊號將導致奈米管（現在充當天線）振動。其振動的末端將放大訊號，其內建整流的場發射特性將載波與資訊波分離（或解調）。然後，反電極將檢測場發射電流的變化，並將歌曲或新聞廣播發送到音訊揚聲器，揚聲器會將訊號轉換為聲波。
進行實驗
無論如何，這就是理論。在 2007 年 1 月，澤特爾、詹森和另外兩位伯克利研究人員傑夫·韋爾登和亨利·加西亞進行了實際實驗。他們將多壁碳奈米管安裝在矽電極上，並將反電極放置在約一微米遠的地方，用導線將兩者連線起來。他們還在裝置上連線了直流電池，以在奈米管尖端和反電極之間建立小的場發射電流。為了實際觀察在來自附近天線的無線電傳輸過程中會發生什麼，他們將裝置放置在高解析度透射電子顯微鏡 (TEM) 內。然後他們開始廣播。
根據廣為流傳的故事，電話傳送的第一條訊息是亞歷山大·格雷厄姆·貝爾在 1876 年說的請求：“沃森先生，來這裡。我想見你。” 古列爾莫·馬可尼在 1894 年傳送的第一個無線傳輸是一個無線電波，使 30 英尺外的鈴鐺響起。在 2007 年 1 月，澤特爾的碳奈米管無線電的首次成功執行是無線電接收到埃裡克·克萊普頓（在與德里克和多米諾樂隊合作時）的歌曲“Layla”的音樂。
“這太棒了，”澤特爾回憶起當時的經歷。“我的意思是，這太壯觀了。我們可以[在 TEM 中]觀察奈米管，你可以看到這個分子結構在振動，同時聽到它，這真是太酷了。我從沒想過我能看到無線電工作！”
您可以親自檢視結果，因為實驗人員記錄了整個過程——音訊和影片——並將錄音轉換為 QuickTime 影片，他們將其釋出在澤特爾小組的網頁上，任何人都可以免費下載和播放。後來，他們對海灘男孩樂隊的“Good Vibrations”；約翰·威廉姆斯為《星球大戰》創作的“主題曲”；以及格奧爾格·弗里德里希·亨德爾的歌劇《塞爾塞斯》中的慢板樂章也做了同樣的事情。“這是有史以來第一首使用無線電傳輸的歌曲，”澤特爾解釋說。
聽到（是的，甚至看到）這些曲調播放是一種超現實的體驗。隨著過程開始，在單調、顆粒狀的背景下出現一根細長的靜止奈米管。該管從一個看起來像岩石的、不規則的表面水平延伸出來，旁邊是一根較短的奈米管，它在周圍發生的所有電磁騷動中都將保持不動。（較短的奈米管對廣播不敏感，因為它共振的頻率（取決於其長度）與傳入傳輸的頻率不一致。）
很快您就會聽到很多靜電噪音，但隨後當在背景噪音之上隱約但可辨認地聽到歌曲時，針頭只是在振動模糊中消失了。它聽起來可能像是來自海王星的廣播，但實際上它是可計數的碳原子與音樂同步運動的可聽報告。
在最初成功後不久，實驗人員將裝置從 TEM 中取出，對無線電的配置進行了細微的更改，然後能夠在實驗室的長度範圍內（幾米的距離）廣播和接收訊號。他們還能夠即時調諧不同的頻率，實際上是在無線電播放時“換臺”。
奈米管無線電可以透過兩種不同的方式進行調諧。一種是改變其長度。雖然您可以透過將吉他弦向下彎曲到不同的品格來改變吉他弦的音調，但您可以透過縮短奈米管的長度（例如，透過煮沸尖端上的原子）來改變奈米管的共振頻率。
然而，這種改變是不可逆的。但是，正如改變吉他絃音高的第二種方法（即改變其張力）一樣，對於奈米管也是如此。改變施加電場的強度將使奈米無線電響應無線電頻段的不同頻率。
他們的裝置實際上同時執行了無線電的所有四個功能：它集天線、放大器、解調器和調諧器於一體。如此小巧而簡單的結構結合了所有這些功能，這仍然讓澤特爾感到驚訝。他如何解釋它們在單個細長的碳分子中幾乎神奇的融合呢？
“在電子學中，通常您會面臨權衡：如果您最佳化這一點，那麼您會失去其他東西。在這裡，一切似乎都對您有利，這有點不尋常。您在科學中並不經常看到這種情況。這是看到墨菲定律沒有露出醜陋面孔的罕見機會之一。在這裡，一切可能順利進行的事情都在順利進行，”他說。
澤特爾和他的同事們對奈米無線電的訊息保密了幾個月，直到它可以在美國化學學會的期刊《奈米快報》上發表。該裝置於 2007 年 10 月在網上首次正式亮相，然後在 11 月的印刷版中亮相。在同一期印刷版中，兩位獨立研究人員克里斯·拉瑟格倫和彼得·伯克（均來自加州大學歐文分校）宣佈使用碳奈米管來解調 AM 訊號。他們稱他們的作品為“碳奈米管無線電”，但他們的無線電不像澤特爾的無線電那樣是多合一裝置。在拉瑟格倫和伯克的設定中，天線和放大功能由傳統的、真人大小的桌面單元提供。伯克本人承認，澤特爾的多合一無線電“非常優雅”。
微型藥物遞送系統
由於奈米管無線電將奈米技術從理論、希望和推測的集合轉變為實用、可工作的裝置，因此它可能是一種變革性的裝置。澤特爾本人毫不羞澀地預見到奈米無線電可以實現的一系列殺手級應用：全新一代的通訊裝置、大腦和肌肉植入物等等。雖然其中一些更具未來感的應用將需要大量的額外見解和工程技術才能使其成為可操作的現實，但其他應用更近期——例如，無線電控制的藥物遞送系統的形式。
用於縮小已經擴散的隱形癌症或治療無法手術的癌症的化療的缺點之一是，用於殺死癌細胞的化學制劑會透過血液流到身體的所有部位，並且經常會殺死健康細胞以及惡性細胞。一些與澤特爾聯絡過的醫生提出的解決方案是，首先注射分子靶向癌細胞的包裹，這些包裹包含化療藥物以及奈米無線電；在讓包裹有時間找到腫瘤後，無線電控制訊號將觸發藥物釋放到腫瘤細胞中以進行破壞。
第二種用途是將藥物注射到單個細胞中以修復它們。澤特爾的小組朝著這個方向發展，致力於奈米注射的精細方法，研究人員在其中刺穿細胞壁和膜，並將奈米管結構放入其中，他們在其中釋放特定的化學物質。
“細胞可以很好地承受這一點，”澤特爾說。“這種奈米注射技術比舊技術好得多，舊技術中人們過去嘗試使用微量移液管來刺穿細胞並注射液體。對於大多數活細胞來說，這些方法都太粗糙且具有破壞性。” 澤特爾還預見了他的原始奈米管質量感測器的應用。某些型別的炸藥含有已知質量的特徵分子，因此一種能夠快速可靠地檢測這些分子的微小儀器可以取代目前在某些機場安檢站使用的冰箱大小的炸藥感測質譜儀。目前還沒有人將這些裝置商業化。然而，澤特爾已為其奈米無線電、奈米質量感測器以及他的整合奈米機械系統中心的其他發明申請了專利，並已開始授權該技術供他人開發。
也許不足為奇的是，澤特爾最近在奈米世界中的一些成就似乎已經探究了微型世界的極限。在 2008 年 7 月，他在《自然》雜誌上宣佈，他和他的團隊已經誘導電子顯微鏡對氫的單個原子（自然界中最小的原子）進行成像。在向下方向上，已經無路可走了。