费曼的演讲与纳米科技.docx
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费曼的演讲与纳米科技
费曼的演讲与纳米科技
第一部分:
费曼在其《底层的丰富》中都有哪些构想,
一组:
费恩曼在1959的美国物理学会会议上做出了《底层的丰富》演说。
在演说在针尖上写中，费恩曼提出了许多关于纳米尺度上的构想，主要分为四大点。
1.下24册的大英百科全书（包括如何写微小文字和如何读取这些文字的猜想，拓展到在卡片上写下所有的书籍）2.对显微镜的展望（精度的提升，不同原理的显微镜的发明）3.纳米机械装置（包括微型电脑，微型工厂，微型工具）4.任意排列原子，用物理的方法得到想要的各种化学物质。
二组:
费曼在演说中共提出了五大设想:
（1）微观信息的存入——把全套24册的大英百科全书全写在大头针的针头上
（2）微观信息的读取——更好的电子显微镜（3）在分子或原子的尺度上加工和制造原料和器件——微型计算机、电子器件等（4）重新排列原子（5）微尺度下产生的新性质——微观世界里的原子。
三组:
粗略概括一下费恩曼的构想大致就是以下几个方面:
1.把全套24册的大英百科全书全写在大头针的针头上以及扩展后的批量生产—”之类的符号加密技术来压缩文字以便高效利用空间2.利用“。
3.更好的电子显微镜，文中所讲的性能提高100倍
4.微型计算机，微型机床，微型元件的生产
5.用于人体检查，治病等功能的微型机器人
6.主从系统，利用小机器制造小小机器以此迭代下去的方法
7.最终目的:
用物理的方法来排列原子已达到造物者的境界:
创造新的物质四组:
（一）关于刻字
1（在针头上写大英百科全书。
2（读取大英百科全书:
（保守方法，当今已知）
（1）把这些金属字压进塑料材料中，将之做成一个模子，
（2）然后把这个塑料模子很小心地撕下来，（3）蒸发一层很薄的硅膜到模子上，（4）接着以某种角度蒸发黄金到硅膜上，使文字能够清楚地呈现，（5）最后把塑料膜溶掉，留下硅膜，（6）然后我们就可以用电子显微镜来阅读了
3（拷贝刻在大头针头上的文字。
4（将人类所有的书缩小刻在一本小册子上，只要3*0。
83612736平方米（相当于星期六邮报的四分之一）。
5（如果用编码来记录信息，一个字大概要六到七个编码，一个编码大概要125
个原子表示，那么人类所以的资料是将是边长1/200英寸的大小的物体就可以保存的，相当于人类肉眼能够看到的最小的尘埃。
（二）更好的电镜（与课上内容有关）1（将电镜改良一百倍，医学上很多问题都将得到解决，因为可以直接看得见。
2（同时很多化学分析问题也很方便得到解答，直接用电镜观测。
3（改变理论中的假设（如换用别的方法），让电镜变得更强。
（三）制造微观物体
1（制造极小同时按我们计划行事，听从人类指挥的物体。
2（在小尺度上制造出大容量内存。
3（将计算机做得更小，可能会出现很多新的特质（如多通道计算，图像识别），同时还可以降低能耗等。
4（用蒸镀法制造一些材料，如计算机内部导线。
5（制造小而有用的机器人。
6（重新设计能容忍较大误差的微型汽车，利用同样的原理可以制造更多微型工具。
7（利用非晶体材料制造小机器。
8（电机零件在小尺寸上需要重新设计以保证能够顺利运行。
（四）制造微观机械零件
1（制造小而不需要润滑剂的机械零件，因此物体散热加快。
2（制造小型车床和小型机械工具，并利用其制造更小型的。
3（小机器帮助实施手术。
4（（通过极其精巧而小心的设计）通过伺服马达和主从手臂的关系用大机械零件制造小机械零件，并逐层深入，最终制造极其微观的机械零件。
5（在每个阶段都可以改善机械制造时的精度。
6（设计时要充分考虑小尺度下的各种相互作用的问题。
（五）重新排列原子（最终问题）
1（通过重排原子，制造出高纯度甚至绝对纯的物体。
2（控制原子的排列，将会有很多美妙的事情。
3（制造微观上的震荡电路，将其排布到一起，使得无线电波辐射密度、强度和功率大大增加。
（或大功率光柱）
4（利用超导或其他技巧解决小尺度下的阻抗太大等电器问题。
5（因为小尺度下的量子力学性能制造出有奇妙性能的物体。
6（小尺度下的制造可以没有误差，因为原子在某种程度上是一模一样的。
7（一个个原子地计划制造东西，如排列和制造新的原子。
（六）实验室间和学校间的竞赛
1（各个学校间通过竞赛鼓励制造更加微观的物体。
2（通过奖励措施鼓励科学家制造出微观物体。
五组:
一（原子的操作性问题
（一）在针头上书写大英百科全书
1.可行性针头面积与纸张面积相比较
2.操作性
（1）如何写小字
A.离子源射出电子，聚焦
B.蒸发法
C.电子束撞击
（2）如何印刷书籍塑胶硅膜为载体
（3）如何阅读蒸发——电子显微镜
（二）制造微型设备（以计算机、汽车、电器元件为例）
1.优越性
（如模仿人脑的模糊记
使计算机能够作出判断，提高计算速度，获得新的特质
提高电器元件的强度
2.操作性
A.蒸发法
B.电力带动的主从手臂系统
3.相关效益由于元件小，散热快，也许可以省略润滑油
（三）重新排列原子
意义:
制造小线圈和蓄电器，及其他电器元件;化学合成新分子二（原子的可视化
（一）对设备的要求
提高电子显微镜的精度
（二）应用
存储信息（5X5X5立方体）
第二部分:
费曼的设想是否都正确，有哪些得到了证实,
一组:
费恩曼介绍了两种方法来做写小字这件事情，这两种方法共同的原理都是将显微镜用来做放大功能的镜头反置过来，将之用来缩小，不同的仅仅在于如何把小字写上去。
费恩曼还提到一种关于小尺度的资讯，他假设用一点一横（"（?
••〃）的符
号来替代字母，当然也可以是数字之类的，而每个字母会有六或七位元。
应用到材料上时不是将所有的字写到针头表面，而是将这些位元写上去，其实这就是当代计算机技术中的循环二进制码，二进制码在1953年就取得了美国的专利，费恩曼在做此次演讲时肯定是参考了这种技术。
关于大量信息储存在微小空间的事实，费恩曼类比到复杂的生物信息储存在一个个微小的生物细胞中。
关于重新排列原子，在费恩曼这次演讲的四十年后，美国西北大学的一个化学系教授将这篇演讲稿的大部分内容刻在了一个大约只有10个香烟微粒大小的表面上。
过去被认为异想天开的纳米技术，变成了一项严肃认真的研究工作。
关于制造某些微型机器:
如用于生物医学方面的纳米机器人（可以注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗，对人体器官进行修复等）。
一台能够在纳米尺度上操作的纳米机器人系统样机近日由中国科学院沈阳自动化所研制成功，并通过国家“863”自动化领域智能机器人专家组验收。
在一个演示中，沈阳自动化研究所的
研究人员操纵“纳米微操作机器人”，在一块硅基片上1*2um的区域上清新刻出
“SIA”三个英文字母；另一个演示中，在一个5*5um的硅基片上，操作者将一个4um长，100nm粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。
由美国加州IntuitiveSurgical公司制造的“达芬奇”（DA-Vinci）和由ComputerMotion公司制造的“宙斯”（Zeus）机器人手术系统都是三臂机器人，一只手用来捏住摄像机（所谓“扶镜”），另外两只操作手术器具。
2000年“达芬奇”成为世界上首套可以正式在医院手术室腹腔手术中使用的机器人手术系统；微型机电系统（MEMS的诞
生:
尖端直径为5微米的能夹起一个红细胞的微型镊子；3毫米大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机；纳米机械专家设计出了只有几个分子组成的微小齿轮和马达。
二组:
关于电子显微镜，近年来有极大发展。
1932年，德国物理学家Knoll和Ruska
研制成功第一台透射电子显微镜。
1938年，Ardenne研制成功第一台扫描电子显微镜。
1981年，瑞士科学家Binning等发明扫描隧道显微镜。
1990年，中国科学院白春礼支持研制成功首台原子力显微镜。
电子显微镜的发展随着科学技术和生产实践的发展，电子显微镜得到不断改进、更新和完善，分辨率得到提高。
现代高性能透射电子显微镜的点分辨率（pointersolution）已优于0（3nm,晶格分辨率（latticeresolution）已达0（1,0（2nm。
放大倍数从第一台电镜的十几倍提高到几十万甚至百万倍。
此外，电子显微镜的种类不断增加，功能不断扩展。
除观察样品内部超微结构（ultramicrostructure）的透射电子显微镜和揭示样品表面形貌的扫描电子显微镜外，能同时观察样品表面和内部超微结构，乃至单个原子像的高分辨场发射枪扫描透射电子显微镜（scanningtransmission
、可观察活细
nelectronmicroscope，STEM已经问世。
此外，用于对样品中某些化学元素进行综合分析的分析电子显微镜（analyticalelectronmicroscope）胞的高压透射电子显微镜（highvoltagetransmissionelectronmicroscope
HVTEM、）能观察含水样品的低温透射电子显微镜（cryotransmissionelectron
microscope,CTEM等各种专用电子显微镜也已开始使用。
最近几年来，计算机技术开始用于电子显微镜。
电镜观察时大部分操作可用计算机控制，如样品的移动和放大倍数的调控等，使电镜操作简便易行。
而计算机在图像显示、处理和存储等方面的优势，则更为电子显微镜的应用提供了极大方便。
可以预料，基于Internet网络技术的电子显微镜技术在远程教学和科研方面将发挥越来越重要的作用。
第二节电子显微镜技术的发展与应用续表三、电子显微镜的发展随着科学技术和生产实践的发展，电子显微镜得到不断改进、更新和完善，分辨率得到提高。
现代高性能透射电子显微镜的点分辨率（pointersolution）已优于0（3nm,晶格分
辨率（latticeresolution）已达0（1,0（2nm。
放大倍数从第一台电镜的十几倍提高
到几十万甚至百万倍。
此外,电子显微镜的种类不断增加,功能不断扩展。
除观察样品内部超微结构（ultramicrostructure）的透射电子显微镜和揭示样品表面形貌的扫描电子显微镜外,能同时观察样品表面和内部超微结构,乃至单个原子像的高分辨场发射枪扫描透射电子显微镜（scanningtransmission
electronmicroscope，STEM已经问世。
此外，用于对样品中某些化学元素进行综合分析的分析电子显微镜（analyticalelectronmicroscope）、可观察活细胞的高压透射电子显微镜（highvoltagetransmissionnelectronmicroscope，
HVTEM、）能观察含水样品的低温透射电子显微镜（cryotransmissionelectron
microscope，CTEM等各种专用电子显微镜也已开始使用。
最近几年来，计算机技术开始用于电子显微镜。
电镜观察时大部分操作可用计算机控制，如样品的移动和放大倍数的调控等，使电镜操作简便易行。
而计算机在图像显示、处理和存储等方面的优势，则更为电子显微镜的应用提供了极大方便。
可以预料，基于
Internet网络技术的电子显微镜技术在远程教学和科研方面将发挥越来越重要的作用。
费恩曼提出的微小机器在医学上已经研发成功。
特别是他引用他的朋友所说的动手术时能把手术医师吞下去会很有趣。
把机械手术医师弄到血管里，它跑到心脏里四处看（资讯当然要送出来）。
它找出有问题的瓣膜，拿出一只小刀割掉。
其它小机器也许能永久装在身体内，以协助功能异常的器官。
这在现代医学上可以查找到很多例子。
如:
（1）爬行摄像胶囊，由意大利圣安娜高等学校的CRIM实验室开发。
这个机器人可携带摄像机，通过有弹性的“腿”爬进患者的消化道，替代传统内窥镜进行检查。
它可用来检查食管、胃和十二指肠内部的损伤或溃疡情况。
（2）游动摄像胶囊，这款摄像胶囊由微型螺旋桨驱动，也设计用于检查人体消化系统。
在被患者从嘴里吞服下以后，它会“游动”检查医生所怀疑的区域。
（3）ARES机器人，即“可重构装配腔内手术系统”。
患者只需将机器人一块块地吞服进肚子，或由医生通过人体自然的孔将机器人一块块插进人体，然后机器人在人体内自行组装。
一般来说，患者将吞服下15块机器人块。
随后机器人块会按照设定好的路线，滑到有病的地方。
ARES^器人可以让需要动外科手术的人不用担心身体留下疤痕。
（4）Ritsumeikan大学和Shiga医科大学的研究人员，最近开发出了一款微型机器人原型，通过手术切开病灶，将其放入体内，遥控操纵。
和现在那些可吞服的照片拍摄和信息采集机器人不同，这款微型机器人通过病人体外附近的外磁场控制，在某些情况下，可以不进行外科手术就完成治疗。
到现在为止，研究人员已经试验了5种不同的形态，测试比如拍摄照片，采集组织样本，服用药剂等功能。
机器人就位后通过病人事先做好的核磁共振成像操纵，并通过细小的电缆将数据和照片传回电脑。
该机器人由塑料制成，长0.8"，直径0.4"，在人体内爬行时应该不会感觉到这个小东西。
据推测已通过了动物测试，下次就要进行人体测试。
费恩曼在演说的最后说，他还想提供1000美元給首先造出工作电动马达的
这是个旋转电动马达，可以由马达外面控制，而且不计算连进马达的线，人。
为1/64英寸边长的立方体。
”演说后的第二年，即1960年，比尔?
麦克里兰就制造出了合乎规格的发动机，要求获得奖励。
虽然麦克里兰并未能设计出新的生产方法，费曼还是奖励了他。
另外，我们认为构想中存在着缺陷:
1、最好的显微镜虽然更好的显微镜已经研制出，但是并没有能完成用电子显微镜观察的方法代替传统的化学分析;2、“如此小的机器，由外部供应点能可能是最方便的。
”外部供能不能持久，据考证，已经研制出了内部供能的小尺寸机器;3、完全用搬动原子实现“化学合成”粒子间有很多的作用力，当物理搬运的时候很可能自然地出现撞击，发生化学反应。
4、“一
百双小手臂”，一百双小手臂的提出是为了要制造小的机器，但是当小手臂趋于小尺寸的时候，它本身的制造确实问题。
很多纳米元件都是以分子形式存在，比如分子开关。
而当我们要进行机器制造这种高水平操作时这种分子元件不一定能满足需求，所以我们进行小尺寸操作的开始究竟在哪里。
三组:
A（微型计算机。
（为达到更高运算速度，需要将零部件做的足够小）纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。
纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围,质地坚固,有着极强的导电性,能代替硅芯片制造计算机。
现在纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。
应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。
纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其
性能要比今天的计算机强大许多倍。
前景光明〜B（用于医疗的纳米机器人。
（让病人吞下去来达到救死扶伤的目的）我认为这是完全可以实现的，就目前而言，已经
有类似的机器人问世了。
意大利比萨一所高中的教师最近成功研制出一台微型机器人，它可以在人体的肠道内穿梭自如，既可以拍照，也
能操作小型外科手术。
据意大利媒体报道，一年前仅仅是图纸上的智能机器人，经过专家的潜心研究，如今已成为现实。
这台微型智能机器人大小如同一粒感冒胶囊，外观像一只长着脚的“昆虫”，可以在食道和直肠之间穿越自如。
据称，病人可以像服药一样，用水把这台机器人送到肠道内，然后医生只要手持遥控器，微型机器人就能按照医生的指令进行工作。
专家在评论这台机器人时说，它的最大特点是能够在人体内做一些小的外科手术，如同外科大夫在现场操刀做手术一样。
专家认为，如果沿着这个思路设计机器人，可以出入于人体各个器官的微型智能机器人今后都将成为现实。
此外还有吞服式机器人、采血机器人、结肠诊疗机器人等。
最新的报告显示纳米机器人的发明者是美国哥伦比亚大学生物工程学研究人员米兰?
斯托诺维克等人，组成机器人的原料是DNA分子，它们的外形很像蜘蛛，因此又被称为“纳米蜘蛛”微型机器人。
它们能够跟随DNA勺运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止。
虽然以前研制出的DNA分子机器人也具有行走功能，但不会超过3步，而新的机器人却能行走50步。
C（微型机床。
（假如人类能够用普通尺度的仪器（来制造体积较小的仪器，而较小的仪器又可以制造更小型的仪器，就这样一步步逐级地缩小仪器，以致最后可可以实现按照人类意志来排列、重组的原子，如此将可以对人类的科技与生活创造出新的奇迹。
）这个是已经达到了部分实现的。
日本通商产业省的机械技术研究所成功地研制出
微型数控车床。
该车床只有手掌大小。
此次开发的关键在于世界上最小车床—
改进了压电调节器的驱动方式,使之可以平滑地进行控制操作,同时还装配检测滑块位移的微型线性编码器,使其动作控制可以象普通机床那样进行数字化编程控制。
该微型线性编码器由奥林巴斯光学工业公司制造,通过将这种编码器和改进了驱动方式的压电调节器内部直动微型滑块相配合,就可以完成对精密动作的数码控制。
该车床还装备了袖珍用户数控装置,同其他普通车床一样使其数控化成为可能。
用户数控装置采用了微处理器的NC电路板。
D（微型汽车。
老实说，我并不认为这一技术有什么实现的必要。
但是如果能通过这个来达到对其他产品的微缩，不失为一个好的方向。
E（主从手臂实现若干机床同时工作并生产出产品。
我认为这个是不太可能实现的。
因为庞大的联系网络，以及数控阶段的每一个环节都必须做到精准无误，在手臂的生产前期也需要做到万无一失，这样才有可能实现这个构想。
而目前并未查到相关报道。
1.发展进步暗视野显微镜、相位差显微镜、视频显微镜、荧光显微镜、偏光显微镜、超声波显微镜、解剖显微镜、共聚焦显微镜、扫描隧道显微镜等等，不仅提高了显微镜的精度而且适用于不同条件下的观测，实现了费恩曼关于提高显微镜放大倍数100倍的构想。
2.微型马达的发明，推动了微型电动机发明，其主要应用于三个领域:
1、无特殊控制要求的驱动场合作为运动机械负载的动力源。
2、音
像设备。
例如，在盒式录像机中，微特电机既是磁鼓组件的关键元件，又是其主导轴驱动、收供带和磁带盒的自动装载以及磁带张力控制的重要元件。
3、办公自动
化设备、计算机外部设备和工业自动化设备。
如磁盘驱动器、复印机、数控机床、机器人等都应用了微型电动机。
3.纽曼用五百万分之一的电子束作字母刻字，完成《双城记》刻写，赢得了费恩曼的奖金，一定程度上实现了费恩曼的写小字的构想。
4.纳米机器人在生物领域，医学领域，军事领域等诸多领域屡建奇功。
例如沈阳自动化所研究团队开发了单细胞活动状态表征技术、液体环境探测噪声抑制技术、抗原分子特异性识别技术以及细胞表面改性方法等。
这些方法与技术的突破，表明沈阳自动化研究所在纳米机器人与生命科学融合研究方面取得了实质性进展，为纳米操作机器人在细胞分子生物学的应用开
辟了新的道路。
5.微型机床的制造，德国在此领域有着许多发明专利，日本发明了世界上最小机床只有手掌大小。
微型操作工具如微型镊子等的发明，为在纳米尺度上操作机器人提供可能。
6.医用纳米机器人与在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。
在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。
纳米机器人的研制。
纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。
还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的,,,，或把正常的,,,安装在基因中，使机体正常运行。
第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。
四组:
理论上、技术上都可行也不一定能付之于实践或者说普及，他自己也承认“也许这没法让你们去做，而只有经济利益可以。
那么我想做点事鼓励你们，但是我现在还没准备好。
我个人在此提供,1,000给首先把书上一页长宽都缩为1/25,000，写成电子显微镜可以看到的样子的人。
”事实上也是如此，例如芯片:
芯片的原料晶圆晶圆的成分是硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99.999%），接着是将些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体需要的晶圆。
晶圆越薄，成产的成本越低，但对工艺就要求的越高。
因特尔公司没有再将芯片变小，而是转向其它方面的拓展，不是技术上有多难，而是会得不偿失，有损利益，事实上历史上的多次科技革命总是由经济利益带动的无论是瓦特的蒸汽机还是法拉第的发电机。
两年前，研究人员研制出电子甲虫，可通过笔记本电脑进行无线导航。
借助于植入装置，他们能够刺激甲虫大脑操控翅膀，进而控制甲虫的起落和飞行。
分子导线:
分子导线是指所有由单分子或多分子构成的能够起到传导作用的体系，其传导
的对象包括电子、光子和离子。
它是分子元件与外部连结的纽带,起传输信息作用。
分子导线可分为两类:
一类是在高分子链方向形成共轭双键结构，导电方向是链方向;另一类是在某种平面分子晶体中，分子面互相堆砌成柱状结构，其导电方向是分子柱的堆砌方向。
由于芳香类烃类分子具有共轭n键，其电子离域化程度
很高，因此具有着很好的电子传输能力，是作为分子导线理想的材料。
分子存储器:
分子存储器是指用来存储信息的量子化体系。
分子水平上的存储是通过具有双稳态或多稳态特性的分子材料实现的。
在外界条件的作用下，这种材料可从原来的绝缘态直接跃迁为导电态，相当于计算机存储器中的“0”和“1”两
种状态。
分子存储器的机制有:
分子内或分子间的氢转移、二聚化反应、顺-反式异构、电荷转移、苯-醌转变。
例如，半苯醌具有价态互变异构体，是带有对称双位阱的模型分子，在粒子交换使偶极矩发生改变时两个互变异构体仍能维持相等的基态能量。
由于信息是用二进制进行编码，要实现这一点，两种构型间必须按要求转换并能识别每一个构型。
分子电路:
分子电路是以分子作为功能电子器件构成的电子线路。
目前分子电子学面临的最大难题就是如何将分子器件组装为逻辑电路并与宏观世界相连接。
Lieber等利用交叉排列的半导体纳米线构筑了各种逻辑电路[38]。
Avouris[39]和Dekker[40]分别利用不同的方法用碳纳米管制得晶体管和逻辑电路。
进而，人们组装了包含有机分子的逻辑电路[13]，这种可以作为存储器的电路使用了微流体技术，所用的有机分子作为分子开关，整个器件即能用作可寻址的存储器。
分子开关:
分子开关是具有双稳态的量子化体系。
具有双稳态的分子通过施加一定的影响，如光、电、热、磁、酸碱性的改变等，分子的形状、化学键的生成或断裂、振动以及旋转等性质会随之变化，通过这些几何和化学上的变化，分子在两种状态之间可
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