纳米技术之父——埃里克·德雷克斯勒

本文来自 PingWest 品玩特约作者啸语,首发于他的同名微信公众号。“原创技术观察,写给万分之一的创新者”。

埃里克·德雷克斯勒(K. Eric Drexler)是纳米技术的教父。但是这个设想出分子机器人的 MIT天才如今却被科学界排挤出局,成为了行业的弃儿。

显然世界上最小的技术越来越重要。美国能源部2004年6月在华盛顿举办的纳米峰会(NanoSummit)上,能源部长Spencer Abraham 在来自大学、产业界和国家实验室的科学家们面前致开幕词。前首席军备控制谈判代表保罗·罗宾逊在午宴讲话。因为发现富勒烯(足球状的碳分子)而获得1996年诺贝尔奖的莱斯大学化学家理查德·斯莫利进行了闭幕发言。行业精英们在会议中描绘了这个新兴学科的未来。

只有一个人缺席,埃里克·德雷克斯勒,无可争议的纳米技术教父,纳米技术这个术语的创造者。

早在1977年,麻省理工学院的本科生德雷克斯勒想出了一个难以置信的想法。他构想微型机器人可以快速移动分子并且精确定位,从而在几个小时之内利用普通原料生产几乎任何产品。向装有分子装配机的盒子里倒入廉价原材料,生产出汽油、钻石、宇宙飞船,没有特别的资本或者人力支出。在血管中,微型机器可以治愈疾病,在空气中,可以去除污染物。德雷克斯勒的愿景鼓舞了一代化学家,计算机学家和工程师专注于纳米科技。

“德雷克斯勒抓住了人们,尤其是年轻人的想象力,”专注于分子模拟的加州理工学院教授威廉·戈达德说。 “他让人们接受了小东西可以有大作为的想法,并且走得更远。他是个英雄。”

然而,一直有科学家认为德雷克斯勒是极端分子。纳米峰会六个月前,他的反对者做出了决定性一击。12月1日,技术杂志《化学与工程新闻》发表了德雷克斯勒与诺贝尔化学奖得主斯莫利之间的一系列信件,斯莫利明确表示:分子组装是不可能的。“分子装配机所需要的化学复杂性,精确性难以实现,更不用说自我复制机,不能简单的把两个分子糊在一起。” 斯莫利写到。

这是迅速取代德雷克斯勒成为纳米技术领军人物的斯莫利对他的公开打击。斯莫利并没有停止。他指责德雷克斯勒用自我复制机逃出实验室,吞噬一切,把地球变成灰色粘质的可能性来恐吓世界。

“你们吓坏了孩子,”斯莫利高呼。“我不指望你停下来,但是我希望化学界的其他人和我一起科普,告诉孩子们虽然世界面临很多威胁,但是自我复制纳米机器人并不会出现。”

两天之后,当布什总统签署了21世纪纳米技术研究与发展法案,给分子级研发分配37亿美元的时候,德雷克斯勒遇到了第二个打击。在签署前的几个月内,该法案曾经把德雷克斯勒的议程作为国家科研的重点,但是最后没有给分子制造分配经费。取而代之的是,大部分资金分配到利用常规化学的变种开发新材料 “材料特性的新组合,包括但不限于强度,韧性,密度,导电性,阻燃性和膜分离特性”。

经过这两件事,德雷克斯勒突然发现他在自己激发的领域被边缘化了。他成年之后一直为分子制造的梦想奋斗,但是现在他对于物质富足、医疗进步和环境复苏的梦想遇到了困难。

让德雷克斯勒尤其愤怒的是,他为他的理念创造的名字被彻底挪用了。“我从没想到一群研究员使用纳米技术的标签并且试图重新定义这个词。这给每个人留下了烂摊子。”

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埃里克·德雷克斯勒出生于1955年4月25日。1974年作为MIT的大一新生,他向关于宇宙殖民的第一普林斯顿会议提交了一篇关于开采小行星的论文。当时,他希望作为一个宇宙学家,利用高推重比太阳帆把人送往其他星球。

但当时也是基因工程的最初几年,德雷克斯勒钻研最新的研究之后,开始考虑是否有可能再现细胞的机制。利用微型机器模拟DNA,核糖体和酶的功能,他认为可以超越生物,分子工程可以终结所有技术。他说“如果你可以用复杂模式操作原子,你可以造出物理允许的任何东西”。

虽然德雷克斯勒独立想到了这一点,他很快发现他不是第一个。1979年11月他在图书馆找到了类似的提议,由著名物理学家和诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼提出,他被广泛认为是爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家。在1959年的演讲中,费曼主张 “微观有很大的发展空间,我们可以操纵原子。”(”There’s Plenty of Room at the Bottom, we can arrange atoms the way we want: the very atoms, all the way down!”)

(译者注:虽然有一些人因此把费曼当成纳米技术之父,但实际上费曼在直接推动纳米技术研究方面贡献很小,“Plenty of Room” 演讲在最初20年几乎无人问津,直到德雷克斯勒的著作提起,因为费曼的声望有助于推动研究经费投入。)

让人类操纵原子成为了德雷克斯勒的追求。一方面,这个MIT的天才缺乏取得科研成功的技巧。另一方面,他的兴趣过于古怪。尽管如此,德雷克斯勒的想法是可敬的,在1981年,他在声望很高的美国国家科学院学报发表了他的第一篇主要论文“分子工程:一种发展分子操纵的方法”。

他的第一本书《创造的发动机 Engines of Creation》于1986年出版,全面介绍了纳米技术一词。除了描述该技术的潜力,它提出了灰色粘质的可能性,并介绍了避免的方法。前言由MIT数学家和人工智能的先驱马文·闵斯基撰写。闵斯基宣称 “在物质存在方面,纳米技术可能比用金属和水泥替换棍棒和石头、以及电力利用这两个进步具有更大的影响。”

德雷克斯勒在1991年获得博士学位。麻省理工学院给他授予了第一个分子纳米技术学位。

尽管他厌恶政治,德雷克斯勒在1992年向国会讲述了他的理论。他在参议院科技和空间小组委员会的 “可持续发展世界的新技术” 听证会上作证。小组委员会主席阿尔·戈尔对此很感兴趣,表示会为探索性研究提供经费。

同年,德雷克斯勒出版了一本550页的分子制造系统蓝图:《纳米系统:分子机械,制造和计算》,这本巨著展示了原料分子如何归类提纯,由操纵臂以分子级制造物体。

《纳米系统》是一本孤独的杰作,前无古人后无来者。但是也许因为横跨太多学科,这本书很少被科技媒体关注。来自Nature的唯一主要评论指出德雷克斯勒方案的可行性 “还没有被证实。”

这种试探性的评论暗示从一开始就在困扰德雷克斯勒的问题。他的想法可行吗?危险还是荒谬?对于物理本质的洞察还是对基本化学的误解?即使是在MIT,他也让教师们产生分歧。

“毫无疑问这让人印象深刻” 德雷克斯勒的论文指导教师,MIT化学家 Rick Danheiser在1992年说。“我不能做得更好”

“这蔑视化学,”反驳 Danheiser 的同事 Julius Rebek 说。“我在这篇文章读到的机械化合成还不如别人写的受控物质”

即使是相信德雷克斯勒愿景的人也表示了担心分子组装造成严重后果的恐惧。2000年4月发行的《Wired》,Sun微系统创始人和首席科学家 Bill Joy 推测,虽然德雷克斯勒的装配可能在20年内实现,但这将是一个严重错误。“纳米技术可以明显用于军事和恐怖袭击,灰色粘质可能源于一个简单的实验室事故。”

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在很多科幻作品里面,自我复制纳米机器人都是灭世级的武器,比如《地球停转之日》《超验骇客》《机动战士高达Turn A》《三体第二舰队覆灭记》《特种部队:眼镜蛇的崛起》

在2001年9月的《Scientific American》,理查德·斯莫利首先提出,分子组装不可能成功。他认为一个纳米装配机将需要大量的手指来控制所有参与反应的原子——多到没有足够的空间容纳。文章结尾斯莫利打趣道,“在微观没有足够的空间”,抨击之前不可质疑的费曼。

虽然遭受了各方攻击,德雷克斯勒依然在华盛顿取得了胜利。在远见研究所的多年游说之后,2003年5月众议院以 405 对 19 的压倒性投票通过了纳米技术研究和发展法案。该法案包括一条由在远见研究所上一次年度活动发言的德雷克斯勒支持者、加州议员布拉德·谢尔曼撰写的条款:呼吁研究“发展或者推进关于分子制造在技术上的可行性的共识”。如果该技术被认定可行,研究报告需要确定 “分子制造技术实现商业应用的时间表;以及实现这一目标所需的研究议程的建议”。

有了这句话,国会就要让德雷克斯勒的梦想变成现实了。但到了11月——5个月后——这一条从法案上消失了。

什么改变了国会山的风向?德雷克斯勒的观点一直古怪,并且他的政治技巧不强。随着两个季度之后反对派的出现,这成了他的阿喀琉斯之踵。首先,一个叫做纳米产业联盟的组织加入了辩论,这个成立于2001年10月的联盟并不对不切实际或者说可怕的自我复制分子机器人感兴趣;他们只希望卖出新奇的产品,比如“纳米技术”的防晒霜,滑雪蜡,油漆。该协会创始人之一,风险投资家 F. Mark Modzelewski 是德雷克斯勒臭名昭著的对手;在一封之后发给博主和纳米技术推进者 Glenn Reynolds 的邮件中,他把德雷克斯的理论比喻成“一个贫民窟的酒鬼声称虫子正在他的皮肤下爬行”。

与此同时,德雷克斯勒的观点在华盛顿的其他地方也遇到了问题。白宫科技政策办公室担心 Crichton 和 Joy 激起的恐惧会让公众反对纳米技术,就像对于转基因食物和核能的恐惧一样。正如新罕布什尔州的 John Sununu 在参议院说:“有人担心纳米机器人攻击甚至统治人类”。一个参议员表示:“分子制造是一个敏感词,这让很多人担心。”

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比起保证对德雷克斯勒的想法提供拨款,众议院法案的支持者更关心法案顺利通过参议院。因此,当众议员和参议员们讨论各自法案的时候,他们砍掉了分子制造研究。在参议院版本的法案,亚利桑那州的约翰.麦凯恩引入了一个“替代性的修正案”,不再支持分子制造。

这个打折扣的法案在11月18日通过参议院一致同意,12月3日由布什总统签署生效。在仪式上,理查德·斯莫利站在总统旁边。

国会12月通过的法案暴露了纳米技术社区的分裂。一方是德雷克斯勒和他分子组装的激进愿景。另一方是斯莫利和大多数科学家。在他们看来,纳米技术是指在纳米级的任何工作。它本质上是小分子化学,或者原子水平的材料科学。

斯莫利在参加六月份纳米峰会的宾馆房间里表示他曾经痴迷于德雷克斯勒的理念:“《创造的发动机》让我陶醉,我一口气读完,然后又读了一遍。”在1999年他对于 “如果我们实现原子级的制造,可以实现什么” 在国会作证。

但是斯莫利重新思考理论时产生了疑问:“我纠结了几个月我们怎么会错过这项技术?真的可以这样进行化学反应吗?随后我发现了一些问题,我越思考,问题越多,最后我停止思考,这项技术没有希望。”

斯莫利回忆他大约十年前在斯坦福与德雷克斯勒的一次见面。“我希望讨论细节,我很喜欢分子机器人的想法,所以我希望与他一起讨论细节,但是他回避了,似乎认为细节是以后的工作。”

德雷克斯勒对于这次见面也同样失望,他说:“我发现很难给他解释,他要求对于每一个原子运动的控制,这无关并且不可能实现。问题不在于个别方面是否不可行,而在于是否有足够的可行性。”

事实是,斯莫利不再对德雷克斯勒的理念感兴趣。相反,他开始尝试创造具有非凡性能的化学结构,这产生了两方面结果,首先,他发现了富勒烯。然后,他利用这个发现成立了碳纳米技术公司并且担任董事会主席,该公司标榜自己是“碳纳米管的卓越制造商”。

碳纳米管比钢强100多倍,并且比任何已知物质具有更优秀的导电性——是远距离电缆的优秀材料。碳纳米线缆极为高效,斯莫利预测,有可能“很容易取代世界上每一个地方的高压电缆。”

(译者注:2013年7月,日本新能源产业技术综合开发机构与单层CNT融合新材料研究开发机构、日本产业技术综合研究所开发出了由单层CNT和铜组成的复合材料。这种材料实现了划时代的性能,在电导率与铜相当的前提下,电流密度高达铜的100倍,而且还不会发生断裂。只需铜线的百分之一的截面积,就能通过与铜等量的电流,而且,即使温度升高,电阻也不易增加。如果将其应用于纯电动汽车的马达,可以大幅缩小马达的体积和重量。同样没量产,比起某个用稀土电机跟特斯拉感应电机比功率密度,出道半年多但名下专利仍然为0的硬核派科学家不知要高到哪里去了。)

正是这样的实际应用——比分子装配更快取得回报的成果 – 让国会接受,同时放弃了分子制造。斯莫利等人领导的公司从这一决定中获利。而德雷克斯勒只剩下崇高的愿景而一无所有。

在远见研究所5月在帕洛阿尔托的年度会议中,德雷克斯勒的追随者堆蔑视斯莫利。斯莫利在《化学与工程新闻》发表的 “吓唬孩子” 评论不断遭到攻击,比如 “这是这是严谨的批评吗?”

然而有迹象表明,德雷克斯勒希望继续努力,即使这意味着倒退和妥协。首先他已经放弃了他的主要论点。“对于分子制造来说自我复制机并不必要,不再作为一个目标强调” 他在2004年1月的远见研究所时事通讯中写道。相反,这会被 “桌面纳米工厂” 取代,被称为 “通用制造系统”。其次,他现在经常援引物理学家理查德·费曼的名字,“原则上,物理学能够创造化学家写出的任何物质。很简单,只要把粒子放到适合的位置,这一物质就被创造出来了。”(这是理查德·费曼的著名预言,已经可以看到不少实例)最后,他提出把他设想的分子操作改名为zettatechnology,默认他在拉锯战中已经失去了他所创造的那个词。

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桌面纳米工厂的设想图

无论批评者说什么,关于德雷克斯勒纳米技术的最主要问题,分子制造是否可行,并不能用理论、模拟、会议、辩论、或可行性研究来判断。作为科学问题,只能通过实验来验证。也许几年之后才有赞助商资助必要的测试。在此之前,德雷克斯勒的机器仍然只是一个诱人的可能性,不多不少。

与此同时,德雷克斯勒回到原点,再次试图说服怀疑者。他撰写技术论文,固执地追逐着自己的梦想,漫长而孤独地攀登着。

德雷克斯勒的梦幻工厂

理论

按照德雷克斯勒的概念,纳米技术的目标是建造分子装配机——能够在原子级组装任何尺度物体的纳米尺度组装厂。不同于传统的化学反应,无数的分子共同反应,德雷克斯勒提出了“机械化合成”的方法,包括把单个分子固定在足够近的距离,从而使化学作用力以可控的方式根据需要沉积或者移除原子。

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疑问

在实践中,德雷克斯勒的批评者指出,化学反应比这更复杂。分子中的每个原子都与附近的原子相互作用,也包括了他提出的“传送带”、“水车”等。因此,为了沉淀单一原子,一个纳米装配机需要抑制附近的每个原子。需要控制的原子数量让“机械化合成”无法实现。

原文来自 http://archive.wired.com/wired/archive/12.10/drexler.html,由公众账号啸语独家翻译。

补充:

在德雷克斯勒公布纳米系统概念之后,分子机器得到了实际研究成果的支持。

波士顿学院化学系教授 T. Ross Kelly 利用78个原子制造的化学驱动马达登上了 Nature。C. D. Montemagno 领导的生物分子研究团队创造了一个利用ATP(细胞中普遍存在的能量载体,参见初中生物课本)作为燃料的纳米马达。荷兰格罗宁根大学的Ben Feringa 也创造了58个原子建造的太阳能分子马达。在包括齿轮、转子和杠杆在内的其他分子尺度机械部件方面也取得了类似进展。

德雷克斯勒的同门师兄,雷·库兹韦尔认为分子组装可行性存在的终极证据就是生命本身,他还认为纳米技术的进步可以实现用纳米系统替换细胞核中的遗传信息,从而消除DNA转录的误差积累,结束衰老。

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