對于材料科學家而言，他們一直想弄明白一個問題：為什么像鮑魚和海蝸牛這樣的動物能用難于利用的礦物質(zhì)制造出堅硬的外殼,？如果弄清楚這個原理,，他們就能制造出相似的材料。對于同一個問題,，安吉拉•貝爾徹教授有另外一種思路：能不能讓這些動物為人類制造物品呢,？
貝爾徹將一片很薄的玻璃片插入到鮑魚和它的外殼之間，這樣就可以在不殺死鮑魚的情況下研究它如何制造外殼,。她發(fā)現(xiàn),，鮑魚會制造蛋白質(zhì)來引導碳酸鈣分子形成兩種完全不同卻又密切相連的混合晶體形式———一種非常堅硬，一種生長迅速,。由于這項研究,，貝爾徹在拿到了加州大學圣巴巴拉分校的博士學位后，成為了珍珠行業(yè)的顧問,，她目前是麻省理工學院的教授,，并在加州創(chuàng)辦了一家公司。
貝爾徹有一項宏大的計劃———讓生物體能夠把分子當作磚一樣,，組裝出建筑物,，這種策略在納米技術(shù)領(lǐng)域被稱為“自組配”。然而要想完成這個工作,，必須先找到一種比鮑魚更聽話的生物,，而且它還必須又小又有活力。
細菌導線
貝爾徹首先想到了單克隆抗體,，這種材料經(jīng)過人為設計能夠吸附多種物質(zhì),，但是因為難度太大沒有成功。20世紀90年代中期,，貝爾徹轉(zhuǎn)向噬菌體M13,，這是一種瘦長的、寄生于細菌的病毒,，但對人體無害,。它寬約6納米，長1微米,，它有一條單鏈DNA封裝在蛋白質(zhì)外殼中,，整個絲狀外殼由大約2700個同一種蛋白質(zhì)組成，兩端有幾個其他蛋白質(zhì),。通過改變端部的蛋白質(zhì),，理論上就可以制造出數(shù)十億種有各種特殊化學功能的噬菌體。噬菌體的側(cè)面和兩端可以粘接上不同的材料,。
長期以來,，生物學家一直在研究這些化學特性,，比如用M13粘接特殊的有機物來檢測未知樣本。不過,，貝爾徹首次證明了這種病毒也能被用來標記并操作無機物分子,，如許多產(chǎn)品都要用到的金屬和半導體。
為了得到能結(jié)合特定分子的噬菌體,，貝爾徹進行了被稱為“定向進化”的試驗,，研究人員將上億個噬菌體投入到含有某種物質(zhì)的燒杯中，然后增加溶液的酸性,，洗去不能與該材料特定結(jié)合的噬菌體,，再將用剩下的噬菌體通過感染細菌的方式進行繁殖。
接下來,，這些噬菌體將接受新一輪定向進化的考驗,，溶液環(huán)境將使它們更難與目標材料結(jié)合,。接下來,，研究人員再次洗去不合適的噬菌體進行繁殖。這個過程在不同要求下不斷重復,，直到大約3個星期后,，只有一種噬菌體幸存下來———它是最容易與這些材料結(jié)合的噬菌體。
最后,，研究人員把對金有高度吸附能力的噬菌體投入到金離子溶液中,，結(jié)果噬菌體全身鍍金，成為一條一微米長的導線,，可被用來制作微型電路,。這些噬菌體甚至還可以相互連接形成長數(shù)厘米的金線，從而可以被織入布料中,。
更輕更薄的電池
貝爾徹已經(jīng)用噬菌體M13制造出面積為10平方厘米,，厚不到1微米的薄膜，在加入其他化學物質(zhì)后,，得到了一片穩(wěn)固的薄片,。她和她的同事希望用這種薄片作為電極來制造超輕鋰離子電池。這項研究得到了美國軍方的資助,。貝爾徹說：“電池重量對他們來說是個大問題,。我們的電極只有40—50毫克，而傳統(tǒng)電池電極有幾克重,。”
電池陰極由包裹著金和氧化鈷的噬菌體形成的薄片構(gòu)成———金能增加導電性,，氧化鈷交換電解質(zhì)中的離子，從而形成電流,。這個電極直接在預先制作好的聚合體電解質(zhì)上組配完成,，然后,，研究人員再在電解質(zhì)的另一面用噬菌體生成陽極，電池最終呈一種三明治結(jié)構(gòu),。他們還設想將這種電池疊加起來從而得到更高的電壓,，而且電極間距離很短也使充電和放電更加迅速。此外,，這種電池可以結(jié)合在各種表面上,，因此不僅重量輕，而且體積小,。除了軍事用途,，它將來還可以被用于超薄MP3播放器中。
檢測制造缺陷
噬菌體的本領(lǐng)還遠不僅于此,，有一種噬菌體能特異性吸附半導體材料砷化鎵,，而對它的“近親”氮化鎵卻不敏感。這種辨別力使它可以被用來檢測芯片上的缺陷,。芯片制造商有時在其他半導體上用這些材料中的一種生成晶體,，而微小的晶格空間差異將產(chǎn)生機械變形，最終會影響到電學特性,。如果晶體沒有恰當結(jié)合,，就會有額外的原子產(chǎn)生，噬菌體正好可以吸附在這個缺陷上,。如果再讓噬菌體帶上熒光標記,，我們就能用顯微鏡觀察到這處缺陷。
貝爾徹還想將這一技術(shù)推向更多領(lǐng)域,。她說：“我們想看看能不能在機翼等物體上尋找制造缺陷,。”此外，她的研究小組還試圖用噬菌體M13制造出完整的晶體管,，她表示,，盡管病毒晶體管可能并不會更小，性能更好,，但它不使用化學工藝,，其制造產(chǎn)生的有毒廢料肯定更少。
幫助尋找癌細胞
在癌癥檢測方面,，貝爾徹也找到了噬菌體的應用方向,。她希望可以用噬菌體M13來連接癌細胞和被稱為“量子點”的標記物。“量子點”是納米大小的發(fā)光晶體,，可以由金,、銀等金屬或者半導體制成。它體積小,，卻可以激發(fā)出強度高,、穩(wěn)定性好的熒光,，許多科學家都看好用它來標記癌細胞。然而,，量子點中的重金屬比如鎘對機體細胞有毒,，這個缺陷在一定程度上限制了它的臨床應用。貝爾徹等人正在試圖用噬菌體吸附更為安全的氮化鎵,、氮化銦等半導體,。這項研究得到了美國癌癥研究所的資助。
制造柔性觸摸屏
盡管貝爾徹在麻省理工學院的大部分項目還需要數(shù)年時間才能進入商業(yè)應用,，但她創(chuàng)辦的Cambrios公司卻需要能在兩年內(nèi)推向市場的應用,。這家公司的總裁透露，他們將在明年中期推出一種產(chǎn)量不需要很大,，利潤卻很高的產(chǎn)品———一種使用柔性塑料做成的觸摸屏,。軍方需要一種可以用在擋風玻璃上的柔性屏幕，這樣駕駛員可以快速操作計算機界面,。對于其他人來說,，在顯示屏不用時能夠卷起來將會省出不少空間。
貝爾徹表示她正計劃成立一家新公司,，開發(fā)更多的產(chǎn)品,。利用這些微小的病毒組裝工人和各種無機物，科學家將為我們帶來更多,、更奇妙的新產(chǎn)品。
