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纳米耳将使你闻所未闻  

2011-10-24 14:22:33|  分类: 知识短文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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纳米耳将使你闻所未闻

如果你的耳朵足够灵敏,你将会听到自己的身体内部发出巨大的吵闹声:

喧闹的细菌在你的肠胃里举行闹宴;你的细胞中的线粒体如同超负荷运行的发电站一样嗡嗡作响,正在自我复制的脱氧核糖核酸束打开链接时所发出的噪声像撕裂金属一般。你身体的每一个细小部分都发出具有独特鲜明特征的噪音。在近处倾听,你身体内部的声响就像一个走调的乐队在交通高峰时刻演奏《时代广场》。

现在想象一下,在所有这一切生物学喧闹之中的某个地方,癌细胞已经开始分裂。在它们蔓延的时候,它们奏出的曲调如同英国作曲家埃尔加的大提琴协奏曲的旋律一样清晰。没有任何人工耳,无论技艺多么高超,其敏锐度足以透过这种细胞的吵闹声,听到癌细胞所发出的清晰声音。但是,佛拉维奥·诺卡希望改变这一切。

诺卡是美国航空航天局喷气推进实验室的一位物理学家兼工程师,他所在的小组研制出了登峰造极的毫微耳的样品。他们希望,这些耳朵最终将会极其微小和极其敏锐,以致能够仅仅通过两种细胞所发出的噪声就能把它们分辨开来。若把这种纳米耳注射到你体内循环的血液中,它们可能能像微型听诊器一样窃听你的新陈代谢,在患病细胞或者癌细胞蔓延之前发现它们。如果敏锐度足够高的话,诺卡的纳米耳甚至有可能被送到其他行星上侦听生物,或者辨别出外星海洋中的化学反应,所利用的却不外乎是它们所发出的喀嚓声、尖叫声和砰砰声所组成的“交响乐”。

这并非痴人说梦。喷气推进实验室生命探索中心主任尼尔森说:“当微生物四处爬动和进行生物化学反应的时候,它们发出噪音的方式与一个蒸汽核反应堆发出噪音没什么两样。”鞭毛和纤毛,甚至细胞的分裂与呼吸,都发出清晰的声音。当今最先进的传声器采用一种弹性膜,遇到声波它会振动。但是,如果你想听到微生物的窃窃私语,光靠膜是不灵的。较大的膜比较重,因此细微的声音没有足够的能量使它们振颤。把它们造得较小和较轻也无济于事,因为膜越小,就越紧,换言之,其敏感度急剧下降。

诺卡进行了数学运算,意识到微型传声器是一条死胡同。他得出结论,解决办法是模仿大自然的一个诀窍。例如在人耳中,耳鼓所接收的声音经过3块骨头传到耳蜗。耳蜗内部有一排排毛细胞,细胞上部是一簇簇细丝,称为静纤毛。噪声振动使耳蜗中的液体活动,使这些静纤毛飘荡,就像风吹动柳丝一样。静纤毛每次晃动,都触发被大脑理解为声音的电脉冲。诺卡和他的小组得出结论,碳纳米管十分适于作人造静纤毛,而且纳米管比钻石还耐用,其弹性却如同人发一般。然而,当时碳纳米管的制造量极其微小,根本不足以用来制造人工耳。就在这时,诺卡结识了当时任多伦多大学新兴科技教授的许竟鸣。2000年他们聚到一起,许竟鸣介绍了自己像草皮种植场种草那样种植碳纳米管的新颖方法:将种子播下,向其提供发芽所需的一切,然后让大自然来做其余的工作。许竟鸣的碳纤毛对于诺卡的小组来说如同雪中送炭。在一平方厘米内就能种植大约100亿根。最重要的是,许竟鸣的纳米管具有使纳米耳灵敏度大大超过人耳纤毛的潜力。诺卡说:“耳朵里的纤毛直径为100纳米左右,长度是一两个微米。而我们现在能够制造直径只有几纳米、长度却达到60微米的纳米管。纤毛越长越细,弹性就越大,灵敏度就越高。这些装置在太空中将能够大行其道,而且在地球上也大有用场。

尼尔森说:“有朝一日,我们或许能够制造一种人工耳蜗,通过监听水中游动的微生物的节奏来检验水质。”还可将这种人工耳蜗置于人体血液循环中,作为流动的纳米听诊器,专门监听细胞功能失调。

也许要不了多久,我们就会看到诺卡的装置是否灵验。虽然在医生们的出诊箱中出现纳米听诊器,还需要10年或更长时间,但是诺卡期望在3年内拥有样品。

纳米耳在其它领域中的应用可能同样惊人。例如,剑桥大学的化学家克勒纳曼已在探索“侦听”化学反应声音的新奇途径。克勒纳曼说:“分子水平上的噪声学是一个未知领域。诺卡还有许多工作要做。”诺卡则急于大显身手。他说:“分子水平上的噪声学是个完整的,嗡嗡作响的世界,许多问题在等待答案。我们的静纤毛将开始解答这些问题。”





引文来源  中基网-物理首页-物理百科-生活科普
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