卡西米爾效應現象探析

利用自然造福人類的想法源於人類的壹種深刻和遺傳的本能，因為在古代環境是人類生存的主要因素。長期以來，科學家和工程師的理想是在分子尺度上制造微型機器，如發動機、閥門、感應器或計算機。這些微機械可以植入更大的結構中，並在人眼無法直接看到的地方工作，也許是在人類心臟內部或其他隱藏的地方。人們已經制造了壹些這樣的機器。例如，康奈爾大學的研究人員用電子束在矽片上雕刻了壹把吉他，矽片的直徑比頭發的二十分之壹還要細。由於微器件的尺寸已經縮小到納米尺度，卡西米爾力在其設計和構建中的作用引起了廣泛關註。當距離小於幾十納米時，與其他力相比，卡西米爾力占主導地位。因此，在納米尺度的器件中，卡西米爾力成為壹種強大的吸引力，原本可移動的部件被粘合在壹起。設計者不希望可移動元件塌陷到原始的不可移動元件上。鍵合與常見的毛細作用力壹起對微納系統的結構造成了極大的破壞。因此，人們必須開發壹種強度為零或大大降低的Casimir力系統，該系統已從邊界的材料和形狀進行了全方位探索。

2009年，哈佛大學的研究團隊宣布已經測量到卡西米爾排斥力。他們采用了由金、溴苯和矽組成的系統，在材料的光學誤差範圍內獲得了與理論壹致的結果。這個實驗告訴人們，只要適當選擇材料的光學特性，就可能在被液體隔開的兩個固體界面之間產生排斥力，從而克服微型器件的粘附困難。此外，考慮到卡西米爾力還可以在層狀結構或封閉體積中實現吸引力和排斥力之間的平衡，即可以獲得卡西米爾力為零的納米系統。

雖然吸引效應引起的粘附是壹種有害現象，但它也可以通過啟動納米結構矽片在納米系統中發揮有益作用。電磁場的真空振蕩導致板的機械運動，並給出了第壹個由卡西米爾力驅動的機械裝置。類似的裝置可以用來證明卡西米爾力對微系統振蕩行為的影響。由於Casimir力是非線性的，因此可以用於微納機電系統。

卡西米爾力在納米系統中的另壹個重要應用與原子表面的相互作用有關。眾所周知，儲存氫氣是取代石油氫動能的關鍵。為此，任何新的儲氫機制都將非常重要。氫原子或分子與碳納米結構之間的Casimir力在吸收現象中起決定性作用。碳納米管（CNTs）是包含幾個同心六角形石墨圓柱殼的納米系統。由於單壁碳納米管在儲氫方面的潛在應用，研究原子與碳納米結構之間的Casimir力變得非常迫切。計算表明氫原子和分子在多壁碳納米管內部比外部更優選。這壹結果為在碳納米結構中儲存氫氣帶來了更多希望，前景十分誘人。

每當壹項革命性的新技術出現時，它往往會給年輕人帶來機會。卡西米爾力在納米機械中的應用必將為年輕人搭建壹個多彩的新舞臺。