纳米科技第四次工业革命

一、何谓“纳米”？

纳米：物质世界的新大陆

　　 　　　——与中国科学院纳米科技项目首席科学家白春礼院士的谈话

　　 一个崭新的1—100纳米的世界提供给人类的将是不同以往任何经验的东西，它不仅会给人类生活带来一场革命，海会使我们再一次感受到：科学与技术以日新月异的速度发展着，远没有终结的时候。
在物质世界的微观＆宏观两个领域内，人类在小步地前进；而在介于它们之间的1—100纳米的世界里，20年前科学家们发现了深藏其中的一些物理＆化学上的奇异现象，比如物体的强度、韧性、比热、导出率、扩散率、磁化率等完全不同于我们现有的常识。由这些全新的发现可能导致的全新理论问世将会给人类带来怎样的影响，会成为一场持续多久的革命呢？为了进一步阐述有关纳米技术的概念和应用的前景，专门走访了从80年代中期开始扫描隧道显微学的研究，在纳米研究领域作出了开创性工作的首席科学家白春礼院士。
　　 按照半导体行业著名的摩尔定律，每18个月左右，芯片的速度增加一倍、尺寸减小一半，到2010年，它就会达到其物理的极限，因为按照微电子技术越来越小的发展思路，它就会碰到无法逾越的量子效应。现在人们越来越倾向于纳米技术的思路，即从单个原子、分子做起，认为它是突破这个极限的唯一希望。
40年前，诺贝尔奖获得者、量子物理学家费曼做过一次题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为纳米技术思想的来源。
　　 他当时问道，为什么我们不可以从另一个角度出发，从单个分子甚至单个原子开始组装，以达到我们的要求呢？“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”费曼假定，一旦原子的语言被简洁地编码后，就可以对分子进行精确的工程加工，把一个原子放到另个原子上，制造出最小的人工机器来。
　　 今天科学家认为，操控这些单个原子就像马铃薯的蛋白质操控土壤、空气和水里的原子来复制自己一样、因为蛋白质就是操控我们日常生活里单个原子的分子机器。当人类学会了这种微观上的操作时，世界将焕然一新。但需要等多久呢？也许15年？如果更多的人知道纳米所能做的一切时，他们也许会毫不犹豫地把自己的未来同纳米联系在一起，这也许会促使纳米时代加速到来。
　　 问：中国现在已有100家纳米技术企业，十几条纳米生产线，这是否意味着纳米时代已经成熟了？
　　 白春礼：不是。纳米时代是否来临，是否成熟，很重要的一个标志应该是指纳米器件本身的研制水平和应用程度。我们现在讲的纳米技术可能会对人类的生活和生产造成比现在的微电子技术和信息技术更深远的影响，所以纳米时代真正来临的话，最快也要二三十年。
　　 问：相对于纳米时代，我们现在是否处于一个后微米技术时代呢？
　　 白春礼：对。微米技术时代主要是指信息技术及其应用，比如说计算机大规模集成电路的设计、加工、信息存在单元的大小，目前都是在微米尺寸上进行的，尤其是器件。现在线条的宽度已经到了深亚微米，但是器件本身还都是微米级的。
　　 问：在现实生活中，哪些东西已经是纳米的产品了？
　　 白春礼：目前这100多家企业都有自己的产品，但是绝大部分是以生产纳米粉体材料为主，就是把材料做成纳米级非常小的颗粒，再把粉体做成材料供大家使用。比如：纳米洗衣机是在洗衣机内胆涂上一种纳米材料以抑制霉菌的生长；纳米冰箱也是同理；还有纳米领带，普通领带的表面经物理、化学两种纳米方法处理后，便有了很强的自洁能力，不沾水、不沾汕；此外，布料、瓷砖等材料经处理后也可具有自洁功能。
　　 问：为什么会有很多人看好纳米技术的前景？
　　 白春礼：一个是它能促进人类认知领域的革命。纳米这个尺度研究的是从1-100纳米这个范围内的事情，这个区间物理上有很多和新的现象和新的效应，所以它具有很多原始创新机会。因此科学家愿意在这个领域进行探索，建立新的理论和新的规律，它是新技术的源头。比如信息技术依赖于量子理论的研究，生命科学的发展离不开1953年建立双螺旋DNA模型。另外，纳米科技是一个多学科交叉的领域，在这样的领域内往往会出现创新的机会，这样科学家愿意到这个领域去探知。
　　 第二个是它会吸引一场新的工业革命，企业很感兴趣。有人预计，目前微米级的信息技术到2010年时会走到尽头，就是说其发展会受到物理的局限。根据美国半导体协会的预计，我们整个器件的尺度可以小到100纳米，而小于100纳米时，量子效应就会起到很重要的作用，这时就需要用全新的理论和方法来构建新的纳米器件。由微电子器件对人类产生的重大影响不难想象纳米器件会对人类产生怎样的影响：计算机速度更快，存储密度更高，能耗大大减少……会突破现在的物理瓶颈，带动一场新的工业革命。纳米技术的发展也会对生命技术产生重大的影响活体细胞治疗，对环境、能源等等很多方面都会产生重大影响。所以科学界预计纳米技术是21世纪可能会取得重要突破的三个领域之一，美国人甚至认为纳米科技会成为21世纪经济发展的发动机。而根据德国科技部的预期，到2010年纳米技术市场使得很多企业愿意进行先期投入，比如风险投资，鼓励成果的转化。所以，不仅美国搞了一个国家纳米计划，从欧洲到日本，一些发达国家纷纷制定自己的发展战略，投入很多的人力和物力，在加上企业的投入，就形成了今天的纳米热。
　　 问：你认为中国也应该像发达国家那样进行大规模投入吗？
　　 白春礼：我正在参与我国纳米科技发展纲要的制定工作，现在正处于酝酿之中。这里面要讲究布局，包括一些专项的行动，一些科技中心的建立，但是投入多少还没有确定。
　　 问：在纳米世界里，既不遵循微观的量子定律，又不遵循宏观的牛顿力学和欧姆定律。那你觉得它会遵循怎样一种全新的物理和化学原理？
　　 白春礼：科学家目前掌握的是微观世界的量子力学和由牛顿力学来描述的宏观问题，那么介于二者之间，是不是有新的理论，需要科学家继续研究。现在在纳米尺度上观察到的一些现象，我们一方面要看看它能否符合实验的规律和量子力学的预期；另一个方面，如果实验现象用我们现有的理论不能够描述、解释，那就要推出一种新的理论。
　　 问：要实现纳米技术的那些诱人前景，你觉得这其中最关键的技术是什么？
　　 白春礼：很多前景作为基础的。在纳米材料方面，我们往往是做成粉体掺进某个东西中去，看看它是否有不同于以往的性能，然后把这个材料推出去，目前基本处于这样一个水平。我们现在做了最细、最长的纳米碳管，但是我觉得还应该做出强度和韧性都比原有的材料（比如钢）强10倍以上而重量又轻的材料，这种新材料会带来很多的工业应用和革命。以达到这个程度，但是要想批量生产并降低成本还有问题。另外纳米器件有三种方式可供考虑：一是用现有的微电子技术不断地缩小器件；二是通过化学和生物学的方法搞分子计算机、DNA计算机，用分子开关、DNA开关来进行计算；三是用量子的方法，量子器件通过量子力学的方法进行计算。微电子技术因为发展得比较成熟，利用现有的技术还可以不断地缩小、改进，但是研制成本会呈指数增加，另外在什么程度上量子效应会占多大比例，任何克服量子效应，这些都是需要解决的问题。就我国而言，微电子力量跟国外有很大的差距，如果在这个基础上去发展纳电子技术，我们无疑是处于劣势。假如从化学分子、生物分子和量子器件来做的话，我们有些理论还做的不错（尤其在量子器件方面），这些方面全世界都处于刚刚起步的阶段，如果措施得力，我们还有迎头赶上的机会。
　　 问：当用纳米技术做成大物体时，这个宏观尺度的物体为什么还会保留纳米尺度的特性呢？
　　 白春礼：拿晶体材料来说，它的晶格有序，原于排列从微观到宏观都是以同样的方式排列，所以整体的性质和一颗不是太小的颗粒的性质差别并不大，而这个小一点的颗粒可以到纳米级。因为物质的结构决定它的性质，如果结构是单一的，那么性质基本是均衡的。比如说金刚石，其晶格呈四面体排列，距离、角度都一样，如果一无限延伸到宏观上整个一块宝石，它表面的性能也都是一样的。以前我们追求完美的晶体做材料，因为它具有相同性质，但是晶体并不是很完美，比如这里有一位错，那里有一杂质，但后来偶然发现这个缺陷到了一定的程度，它的性质就和整体不同了，这就是纳米材料的起源。
　　 问：如何理解细胞里的活动就是纳米特性的活动。自然界中是否还有其他纳米特性的活动？
　　 白春礼：我认为这主要是指在纳米尺度上可以来描述。一条DNA链的粗细为一纳米，蛋白的链也是在纳米尺度上，如果这些分子聚集在一起，纳米的团球或者一个蛋白，它除了有分子链本身化学键的结构以外，也还有与纳米尺度上一样的相互作用，从这一点上来说，纳米科技对生命科技会有很大的影响。从另一个角度上看，纳米科技最终的目标是直接用原子和分子来制造具有特定功能的产品，要达到这样的目标，就要充分了解原子和分子的性质，尤其是原子、分子之间相互作用的本质，这样就能设计、控制、生产使它能形成特定形状的东西。生命体都是非常复杂的，主要靠自我复制、自我组装，一个很小的受精卵为什么长成这么大的一个人，脱离了母体的人并没有受到人为的控制却会遗传信息去长，如果我们在分子尺寸上掌握了分子之间各种相互作用的本质，那就可以用今天生命技术的方法长出其他的东西来，可以长出人体的代用品。塑料世纪有机的？可不可以长出一张桌子来呢？一方面是纳米科技问题，另一方面要集中于生命科学已有的成果。纳米生物学，就是在纳米的尺度上研究分子的操纵、分子间的相互作用以及它们可能形成的自我组装和自我复制，然后把这些东西用于纳米材科学、纳米化学以及其他领域，这几个不同领域的综合会达到纳米科技的最终目标。中国古代安徽出的墨，其颗粒可以是纳米级的，非常非常细，从烟道里扫出来后一遍遍地筛，研制出来的墨非常均匀、饱满，写字非常好，这实际就是纳米颗粒，但尺寸小并不一定有特殊效应。一定要有纳米尺寸所具有的与宏观物体不一样的量子效应、表面效应和界面效应，这样才能说这是一个纳米的现象。
　　 问：现在是用什么方法来控制原子和分子的？
　　 白春礼：我们现在做得多的就是扫描探针显微镜，这也是我的本行，它不仅可以观察到原子和分子，还可以操纵单个原子和分子的排列某种特定的结构，这种结构提供给科学家一个微小的实验室，用它来研究纳米世界里的一些新奇的现象，一些新的效应，这是其他技术做不到的。
　　 问：这一过程是用电原理操控的吗？
　　 白春礼：扫描隧道显微镜有一个针尖在表面上扫描，样品表面就是原子，针尖和样品之间的距离小于1纳米，就会有隧道电流，这个隧道电流对针尖和样品之间的距离非常敏感，如果我们控制了隧道电流恒定不变，就意味着控制了针尖和样品之间的距离不变，距离不变，针尖就随着表面起伏，把针尖高低运动的轨迹记录下来，就得到原子表面的形状，但是这只是从原理上说，技术上还很复杂。那原子怎么操纵呢？扫描隧道显微镜的操纵原理是，在针尖上加一个很微弱的电流，这个电流产生一个电场，当两个物体非常接近的时候，会排斥力，但是一定程度它又会有吸引力，在吸引力的范围内，一般在几个埃的时候，把针尖提上来，原子就跟着上来了，把它放在哪儿它就在哪，这个方法可操纵吸附在表面的原子和分子。
　　 问：人们最终能够自如地操控原子和分子吗？
　　 白春礼：利用扫描隧道显微镜的方式来操纵原子，目前仅仅说明人类有了这个能力，但是要到宏观世界上，大量地操纵单个原子和分子还不行，因为西哦率不高，主要是研究用的。不过，通过小范围的研究使我们更多地了解原子、分子之间相互作用的本质，利用这种本质，人们就可以在宏观上去合成相应的东西，就像化学合成一样。
　　 问：在制造纳米器件时，首先会用哪些元素的原子和分子？用不同的元素会有不同的效果吗？
　　 白春礼：这个肯定会有不同。比如说用C60纳米器件，里面可能会掺杂一些金属的原子，不一同的金属原子可定有不同的性质和功能，这取决于这个器件的用途。目前所做器件还是从有机的和生物分子做得更多，最主要的是C、H、N、O这四种元素，当然金属的原子是少不了的，要具有导电性就离不开金属原子。
　　 问：纳米技术在未来50年内会给人类带来哪些影响？
　　 白春礼：我相信在50年内，我们目前所拥有的信息技术、通讯技术绝对要发生难以想象的变化。存储就像克林顿所说的，可以把整个国会图书馆压缩到一个方块大的东西上。会出现很多自然界并不存在的强度高、对环境友好、节省能源和资源的新型材料。这影响不会低于现在的计算机、微米技术给我们人类带来的影响。
　　 问：现在市场上炒作“纳米概念”，还出现了“伪纳米现象”，如何才能区分这种伪纳米现象？
　　 白春礼：这主要是指纳米材料。作为纳米材料，首先要看它是否在纳米级，均匀度怎么样；另一个要看它是否具有纳米材料所具有的特异性能。对此，我建议国家制定一个指导市场的纳米技术标准。
　　 问：据说纳米武器比核武器要厉害的多，连蟑螂这种生命力极强的生物度不会存活下来，整个世界都会变成同一种物质。
　　 白春礼：这只是个别人的一种说法。目前纳米技术在国防上应用主要是信息领域，使新式传输更为快捷；另外就是做成微小的机器人——纳米军队、纳米直升机之类的，主要用于侦察和抗干扰。
　　 问：如果纳米技术完全成熟的话，人类下一步会在更小的尺寸上，比如在皮米的尺度上去寻找技术突破吗？
　　 白春礼：不可能。问什么呢，纳米再往下，就是原子、原子核内部了，原子核内部完全是另一种方式。因为原子和分子是保持物质性能的最基本的单位，小于0.1纳米，如果把原子和分子分割了，它们就会失去原有的特性。高能物理能打开电子、质子、中子，但它们很难独立地稳定存在，再发生链式反应，比如原子弹、氢弹，惠泽只存在几个毫秒的一个粒子。
　　 问：强大的技术力量带给人类的并非巨大的幸福，你有这种感觉吗？
　　 白春礼：对于这个问题有一些争论，我觉得人类是不断进化的，就该去创造世界，不断认知新的世界。但是技术的发展不仅带来了舒适，还使人变懒，每天不得不为减肥而锻炼；空调还使你呼吸不到新鲜空气或患上空调病；生产出很多好的东西，但同时又造成环境的污染，得花很多钱去清洁天空。人类要学会更加理性地对待科学，通过法规对科学带俩的负面影响防患于未然。我觉得科技的发展还是要有禁区的，有些东西不该去涉足。

　　 　　 　　 　　 　　 ——文章来源：本篇文章选自《牛顿科技世界》