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October 31, 2007
現在，真正的 nanopod（譯註：借用 iPod nano）要列入金氏世界記錄了。美國能源部的勞倫斯柏克萊國家實驗室（LBNL）與加州大學柏克萊分校的研究者，從奈米碳管創造出世上第一台全功能的奈米收音機，這比史上曾經製作出來的最小收音機還要小上好幾個數量級。"單一奈米碳管分子就能夠同時構成整台收音機 -- 天線、可調整的帶通濾波器（band-pass filter）、擴大器與解調器，" 物理學家 Alex Zettl 說，他領導這個奈米管收音機的發明。"利用在商業上可使用的 40-400 MHz 載波，以及 FM 與 AM 這兩種調制，我們成功的示範音樂與聲音的接收。"
由於奈米管收音機實質上能夠自我組裝，而且在製造後能輕易的調整到想要的頻帶，Zettl 相信奈米收音機將能相對容易地大量製造。潛在的應用除了不可思議的微小無線電接收器之外，還包括新一代無線電通訊裝置與監聽器。奈米管收音機技術能為生醫應用提供特別價值。
"整個收音機很容易塞入活生生的細胞中，而且這種小尺寸讓它能安全地與生物系統互動，" Zettl 說。"你可以展望具有腦部或肌肉功能的界面或著以無線電控制的裝置，能在血液中流動。"
奈米管收音機也可能植入到內耳中，成為傳遞資訊的一種全新方式，或是成為矯正受損聽力的一種新方法。
Zettl 同時在柏克萊實驗室的材料科學分部與 UCB 物理系任職，在那裡他是奈米機械系統整合中心的主任。在最近幾年，他與他的研究小組已從奈米碳管中創造出一系列驚人的裝置，包括感應器、二極體甚至是馬達。不過奈米管收音機卻頭一遭 -- 一點都不誇張 -- 讓人震驚！
"當我還是小孩時，我得到一部電晶體收音機作為禮物，那是我所能想到最棒的東西 -- 音樂自那個我能握在手中的盒中流出！" Zettl 說。"當我第一玩我們的奈米收音機時，就跟我還是小孩，第一次轉動電晶體收音機時一樣興奮。"
奈米碳管收音機由單一一個奈米碳管構成，那接上一個電極，以便能夠接近一個具有 DC（直流）電壓源的輔助電極（counter-electrode），例如來自一顆電池或著一個太陽能電池陣列，連接到電極上以提供電力。所施加的 DC 偏壓在奈米管的尖端創造出一個負電荷，使其對於振盪的電場變得敏感。電極與奈米管都在真空中連接，其幾何配置類似於傳統的真空管。
Kenneth Jensen 是 Zettl 研究小組的畢業生，完成實際上的設計，並做出這部收音機。
"我們從製作一個超敏感的力感應器開始，" Jensen 說。"奈米管就好像貓的鬍鬚一樣。微小的力，在阿牛頓（attonewtons）的等級上，使它們明顯的偏斜。藉由偵測這種偏斜，你可以推斷有哪種力正作用在奈米管上。這種超級敏感性在奈米管的彎曲共振頻率（flexural resonance frequency，那落在無線電廣播的頻率中）上變得更大。因為有這種高度共振頻率，Alex (Zettl) 指出奈米管能用來製作收音機。"
雖然它擁有相同的必要元件，但奈米管收音機並不像傳統收音機那樣靠電力運作，在某一部份上它是以一種機械方式運作，而奈米管本身則同時身為天線與諧調器。
進來的無線電波與奈米管的帶電尖端互動，導致奈米管振動。這些振動只有在進來的無線電波包含了奈米管的彎曲共振頻率時才會變得顯著，而那如同傳統的收音機，能在操作中調整，只接收電磁頻譜中預先選擇的波段，或頻道。
擴大與解調特性來自於奈米碳管的針尖幾何形狀，這賦與它們獨特的場發射（field emission）特性。藉由集中 DC 偏壓的電場，那施加在整個電極上，這個奈米管無線電產生了一個場發射電流，那對於奈米碳管的機械振動相當敏感。因為場發射電流由外部電源產生，因此要擴大無線電訊號是可能的。此外，場發射是一種非線性過程，它亦能用來將 AM 或 FM 信號解調，就如同在傳統收音機中所使用的二極體一樣。
"我們所看見的是，一台收音機中所有四種必要元件都緊密而有效地在振動與場發射的奈米碳管中實作，" Zettl 說。"這是一種完全不同的收音機製作方法 -- 是一種多重功能的電機機構的探索。換句話說，我們的奈米管收音機是一個真正的 NEMS（nano-electro-mechanical system)）裝置。"
因為奈米碳管的尺寸比可見光的波長還要小，因此它們用最強力的光學顯微鏡依然看不見。因此，為了要觀察奈米收音機的機械運動，Zettl 及其他的研究團隊，除了 Jensen 之外，還包括博士後 Jeff Weldon 與畢業生 Henry Garcia，將他們的奈米收音機放在 TEM 當中。單一波長的載波無線電訊號自鄰近的傳輸天線發射，而當已傳送之載波與奈米管的共振頻率相符時，無線電接收變得可能。
"為了要使奈米管的機械運動與真正的收音機產生關連，我們發射 FM 無線電波，傳送 Beach Boys 的 Good Vibrations 這首歌，" Zettl 說。"在奈米收音機完成接收、濾波、擴大與解調之後，新浮現的訊號更進一步被電流前級擴大機（current preamplifier）放大，送往一個喇叭並解記錄下來。這部奈米收音機忠實的重現音樂訊號，而且音樂能輕易地被耳朵辨識。"
當研究者慎重地從載波頻率調變（detuned，譯註：換頻率啦）奈米收音機後，機械性的振動逐漸淡出，然後失去無線電波的接收。當 "鎖定" 在一個給定的無線電傳輸頻道時，每次能夠維持好幾分鐘，而且不用在 TEM 當中就能操作奈米收音機。使用一種稍微不同的配置，研究者成功地傳送與接收數尺之遙的訊號。
"所有電子元件的整合都在奈米碳管本身自然地發生，" Jensen 說。"花了幾小時理解我們的力感應器實際上是一台收音機後，我們就在放音樂了！"
Zettl 補充道，"我們的奈米管收音機在其物理的操作上，相當精密且優雅，不過在技術性的設計上卻相當簡單。與它有關的每件事都運作得相當良好，而且不用額外的修補或花招。"
柏克萊實驗室的技術轉移部門現正尋求業界的夥伴，進行更進一步的開發，並將此技術商業化。
※ 下面有段 QuickTime 影片可以觀看：
＊ Research News: Make Way for the Real Nanopod: Berkeley Researchers Create First Fully Functional Nanotube Radio
http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/MSD-nanoradio.html
＊ 全世界最小的奈米無線電
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