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让病毒成为纳米电路加工厂 |
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| http://cn.newmaker.com
10/23/2006 9:28:00 AM
佳工机电网
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对于材料科学家而言，他们一直想弄明白一个问题：为什么像鲍鱼和海蜗牛这样的动物能用难于利用的矿物质制造出坚硬的外壳？如果弄清楚这个原理，他们就能制造出相似的材料。对于同一个问题，安吉拉?贝尔彻教授有另外一种思路：能不能让这些动物为人类制造物品呢？
贝尔彻将一片很薄的玻璃片插入到鲍鱼和它的外壳之间，这样就可以在不杀死鲍鱼的情况下研究它如何制造外壳。她发现，鲍鱼会制造蛋白质来引导碳酸钙分子形成两种完全不同却又密切相连的混合晶体形式——一种非常坚硬，一种生长迅速。由于这项研究，贝尔彻在拿到了加州大学圣巴巴拉分校的博士学位后，成为了珍珠行业的顾问，她目前是麻省理工学院的教授，并在加州创办了一家公司。
贝尔彻有一项宏大的计划——让生物体能够把分子当作砖一样，组装出建筑物，这种策略在纳米技术领域被称为“自组配”。然而要想完成这个工作，必须先找到一种比鲍鱼更听话的生物，而且它还必须又小又有活力。
细菌导线
贝尔彻首先想到了单克隆抗体，这种材料经过人为设计能够吸附多种物质，但是因为难度太大没有成功。20世纪90年代中期，贝尔彻转向噬菌体M13，这是一种瘦长的、寄生于细菌的病毒，但对人体无害。它宽约6纳米，长1微米，它有一条单链DNA封装在蛋白质外壳中，整个丝状外壳由大约2700个同一种蛋白质组成，两端有几个其他蛋白质。通过改变端部的蛋白质，理论上就可以制造出数十亿种有各种特殊化学功能的噬菌体。噬菌体的侧面和两端可以粘接上不同的材料。
长期以来，生物学家一直在研究这些化学特性，比如用M13粘接特殊的有机物来检测未知样本。不过，贝尔彻首次证明了这种病毒也能被用来标记并操作无机物分子，如许多产品都要用到的金属和半导体。
为了得到能结合特定分子的噬菌体，贝尔彻进行了被称为“定向进化”的试验，研究人员将上亿个噬菌体投入到含有某种物质的烧杯中，然后增加溶液的酸性，洗去不能与该材料特定结合的噬菌体，再将用剩下的噬菌体通过感染细菌的方式进行繁殖。
接下来，这些噬菌体将接受新一轮定向进化的考验，溶液环境将使它们更难与目标材料结合。接下来，研究人员再次洗去不合适的噬菌体进行繁殖。这个过程在不同要求下不断重复，直到大约3个星期后，只有一种噬菌体幸存下来———它是最容易与这些材料结合的噬菌体。
最后，研究人员把对金有高度吸附能力的噬菌体投入到金离子溶液中，结果噬菌体全身镀金，成为一条一微米长的导线，可被用来制作微型电路。这些噬菌体甚至还可以相互连接形成长数厘米的金线，从而可以被织入布料中。
更轻更薄的电池
贝尔彻已经用噬菌体M13制造出面积为10平方厘米，厚不到1微米的薄膜，在加入其他化学物质后，得到了一片稳固的薄片。她和她的同事希望用这种薄片作为电极来制造超轻锂离子电池。这项研究得到了美国军方的资助。贝尔彻说：“电池重量对他们来说是个大问题。我们的电极只有40—50毫克，而传统电池电极有几克重。”
电池阴极由包裹着金和氧化钴的噬菌体形成的薄片构成——金能增加导电性，氧化钴交换电解质中的离子，从而形成电流。这个电极直接在预先制作好的聚合体电解质上组配完成，然后，研究人员再在电解质的另一面用噬菌体生成阳极，电池最终呈一种三明治结构。他们还设想将这种电池叠加起来从而得到更高的电压，而且电极间距离很短也使充电和放电更加迅速。此外，这种电池可以结合在各种表面上，因此不仅重量轻，而且体积小。除了军事用途，它将来还可以被用于超薄MP3播放器中。
检测制造缺陷
噬菌体的本领还远不仅于此，有一种噬菌体能特异性吸附半导体材料砷化镓，而对它的“近亲”氮化镓却不敏感。这种辨别力使它可以被用来检测芯片上的缺陷。芯片制造商有时在其他半导体上用这些材料中的一种生成晶体，而微小的晶格空间差异将产生机械变形，最终会影响到电学特性。如果晶体没有恰当结合，就会有额外的原子产生，噬菌体正好可以吸附在这个缺陷上。如果再让噬菌体带上荧光标记，我们就能用显微镜观察到这处缺陷。
贝尔彻还想将这一技术推向更多领域。她说：“我们想看看能不能在机翼等物体上寻找制造缺陷。”此外，她的研究小组还试图用噬菌体M13制造出完整的晶体管，她表示，尽管病毒晶体管可能并不会更小，性能更好，但它不使用化学工艺，其制造产生的有毒废料肯定更少。
帮助寻找癌细胞
在癌症检测方面，贝尔彻也找到了噬菌体的应用方向。她希望可以用噬菌体M13来连接癌细胞和被称为“量子点”的标记物。“量子点”是纳米大小的发光晶体，可以由金、银等金属或者半导体制成。它体积小，却可以激发出强度高、稳定性好的荧光，许多科学家都看好用它来标记癌细胞。然而，量子点中的重金属比如镉对机体细胞有毒，这个缺陷在一定程度上限制了它的临床应用。贝尔彻等人正在试图用噬菌体吸附更为安全的氮化镓、氮化铟等半导体。这项研究得到了美国癌症研究所的资助。
制造柔性触摸屏
尽管贝尔彻在麻省理工学院的大部分项目还需要数年时间才能进入商业应用，但她创办的Cambrios公司却需要能在两年内推向市场的应用。这家公司的总裁透露，他们将在明年中期推出一种产量不需要很大，利润却很高的产品——一种使用柔性塑料做成的触摸屏。军方需要一种可以用在挡风玻璃上的柔性屏幕，这样驾驶员可以快速操作计算机界面。对于其他人来说，在显示屏不用时能够卷起来将会省出不少空间。
贝尔彻表示她正计划成立一家新公司，开发更多的产品。利用这些微小的病毒组装工人和各种无机物，科学家将为我们带来更多、更奇妙的新产品。
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