040213大师语录-白春礼解读纳米-第1章

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　　在炎热的暑季大家从不同地方赶来，听这个报告，首先我对各位听众表示欢迎！那么我这个报告题目是纳米科技的现在与未来。　

　　因为这个暑期作一个科普报告，所以我今天这个报告也是从科普的角度上来讲这个问题，报告我想分为这么几个内容，第一我想介绍一下关于纳米科技它的意义和发展过程。　

　　第二介绍一下关于纳米科技的研究领域，它包括哪些研究领域，第三个方面介绍关于纳米科技它的发展的前景和展望。然后第四第五方面简单的介绍一下发达国家在纳米科技方面的研究水平和部署情况，以及我们国家纳米科技一个发展状况。　

　　那么，纳米科技为什么要进行这方面研究，它的意义何在呢，我们知道著名的科学家爱因斯坦曾经说过，他说未来科学的发展，无非是继续向宏观世界和微观世界进军，那么宏观世界是什么，宏观世界就是说我们人类的肉眼可以分辨出来的物体，当然大至宇宙，宇宙的深处。　

　　那么微观世界我们指的是原子分子，以及原子分子以下那些层次，那么纳米大家知道是个长度单位，那么这个长度单位如果说，我们把我们科学家目前所研究的这个物质世界的对象，都给予一个长度单位来表征出来。　

　　比如以米作为单位，那么10个25次方米这个大约十亿光年，这个十亿光年这个范围是我们人类目前已经观测到的，这个宇宙大致的范围。如果减小到10的21次方米，这个大约是十万光年，这个范围我们可以看到银河系的全貌，到10的14次方米，这是一千亿公里，可以看到冥王星的完整轨道，那么到10的7次方米，这是一万公里，我们就可以分辨出地球的一部分，像从航天飞机上可以看到，那么到10的3次方米是一公里，从飞机上，我们看到分辨城市建筑物的排列，街区，到10的1次方米，这是十米，那么我们就可以看到足球场上运动员，看得很清楚，如果说我们把我们目光聚焦在运动员的腿部，膝盖这山，继续缩小我们的观测范围，到10的－2次方米，是一个厘米，就可以看到他腿上汗毛孔了，皮肤表面的皱纹就可以看到。　

　　再继续往下走，到10的－4次方米，是一百个微米，就可以分辨细胞，细胞大小在十几个微米，到10的－6次方米是一个微米，那么我们就可以看到染色体当中，聚集着染色质，如果再继续往下，到10的－7次方米，这是一百个纳米，我们可以分辨染色质的两个部分。　

　　那么再往下到10的－9次方米，这就是一个纳米我们可以分辨出DNA里边的分子结构，到10的－10次方米，是一百个皮米，那我们可以看到电子云笼罩下的原子的轮廓，大家学物理的知道，一个原子，它是由原子核和电子构成的，外围的电子它有一个大概的轮廓。　

　　再继续往下，到10的－13次方米，是一百个飞米，那么我们从整体上可以分辨出原子核。继续往下到10的－14次方米，是十个飞米，我们就可以看到，原子核当中的质子和中子，原子核是由质子和中子组成的，再往下到10的－15次方米，是一个飞米，我们就可以分辨出组成质子和中子的夸克　，六个夸克来组成原子核。　

　　那么再往下，到10的－16次方米，是一百个阿米，我们可以进一步看清夸克，那么一个夸克的大小大概在10的－19次方米，就是0。1个阿米左右。　

　　那么刚才这个就是用一个长度单位，从我们宏观的宇宙深处，一直到我们构成物质最基本的粒子，夸克都可以把它连接起来，那么纳米是处于一个宏观世界和微观世界中间，所衔接点上，交接点上，那么在目前我们以米作为单位这个尺度上，从米分米到下面纳米，那么我们从这里可以看到，一个纳米是10的－9次方米，十亿分一之米，是一毫米的一百万分之一，如果说用它这个单位来表征作为常见单位，这个人一米八，那就是18亿纳米，手指上一点黑色的墨点，就几百万个纳米，所以一个红细胞得几千个纳米，这个DNA分子，这个双螺旋，我们知道DNA分子的双螺旋，你看螺旋，每一股螺旋的宽度是一个纳米，两个螺旋宽度差不多两个纳米，那么氢原子是最小的原子，氢原子的直径大概一个纳米，这个里边你看这个绿的原子就是氢原子，十个氢原子排成一条线，连在一起就一个纳米长。　

　　那么什么是纳米科技呢，我刚才讲纳米是长度单位，那么纳米科技定义是什么，定义就是指的纳米科技是指再纳米的尺度上，那么这个尺度有一个范围，是1到100个纳米，并不是指的就在一个纳米上，是有一个范围，1到100个纳米，在这个范围上来研究物质的特性和相互作用，那么这个也包括原子分子的操纵。　

　　那么这个特性可能主要是以量子特性为主，由量子特性产生的特性不一样，那么在纳米的尺度上，来研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的这么一个多学科交叉的科学技术。　

　　纳米科技它使我们人类认识和改造物质世界的手段和能力，延伸到原子和分子，那我们知道现在有纳米热，为什么会出现纳米热呢，这也就是说纳米科技它的重要意义何在，我觉得可以把它分成两个大方面。　

　　一个纳米科技可以促使人类的认知革命，另外一方面纳米科技的发展，会带来一场产业革命，那么什么会促使人类认知革命呢，就是它的科学意义在什么地方呢，刚才我前面我做了一个介绍，就是说纳米科技，就是说一个长度单位可以表示宏观到微观。　

　　在宏观上研究比如地球，我们人类研究宇宙研究天体，我们有很多的理论，包括牛顿的力学，包括我们现在研究的天文学，地球物理，物理学、地质学等等，有很多理论，研究原子核微观的我们有量子理论，也有很多研究，通过高能物理的现象，粒子物理研究原子核以下层次的基本粒子。　

　　那么在宏观和微观的理论充分的完全之后，那么在纳米的尺度上，还有很多新的现象，新的规律，有待发现，新的理论有待建立。那么这个新的规律，新现象的发现，和在纳米尺度上新理论的建立，它也并不是一个仅仅是基础科学的问题。　

　　当我们回顾20世纪科技的发展的时候，我们大家都公认，量子论和相对论的诞生，是奠定了我们现在通讯，信息技术，它是基础，尽管它当初是一个纯粹的一个基础科学的发现。我们1953年建立的DNA的双螺旋结构模型，那就是一个分子的结构模型，但是，它奠定了现在分子生物学的基础。没有这个DNA螺旋结构模型，就没有我们今天的基因技术，所以转基因技术等等都不会有的，基于这么一个DNA的双螺旋结构模型。　

　　那么同样在纳米的尺度上，我们发现了新的现象，新的规律，建立了新的理论，它肯定也会是新技术发展的源头，会带来很多新的技术革命，那么很重要一点，纳米科技也是目前引起政府和企业极大关注的一个重要原因，就是说它会引发一场新的工业革命，那么纳米科技它引发的工业革命，最主要的驱动力是来源于我们现在的信息产业。　

　　大家在这一点上意识不足，报纸上炒得或者群众认识，大部分都是关于纳米材料并不知道最最主要的驱动力是来自这个方面，另外我们生命科学研究当追，DNA蛋白质，包括生物分子马达，它都在纳米的尺寸上，所以说纳米科技它的发展，是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同的基础。　

　　它会对生命科技信息科技产生非常重大的影响，还有一个方面，就是说，纳米科技它不仅仅是一个未来高技术的问题，高新技术的问题，它也可以促进传统产业的技术改造，纳米技术现在已经渗透到一些传统的产业中去，也已经形成了相当的市场规模，1993年我们在北京组织了扫描隧道显微学的国际会议，那么，这个诺贝尔奖获得者，Heniroler（罗雷尔），他参加了这个会，这个会议受到江泽民总书记接见，的与会的部分中外代表，那么他回国以后给江泽民主席写了一封信，这个信我翻译了以后，这是其中一段。　

　　他讲他说许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义，但我确信纳米科技现在已具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家，都在工业发展中占据了巨大的优势，同样，未来的技术，将属于那些明智接受纳米作为新标准，并首先学习和使用它的国家，我们应当记住，微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。　

　　他说的确微米与牛和耕犁毫无关系，但它却改变了工作方式，带来了拖拉机，这个纳米科技的概念最早提出来，是一个诺贝尔奖获得者物理学家，理查德·费因曼，他是美国加州理工学院的教授，他1959年做了一个很激动人心的演讲，他说我们加工材料，来制造装置，他说我们都是从大到小，就是说，我们要加工一个桌子，需要把木头不断的切，磨锯，把它锯掉再刨光，如果说我们加工一个工具，那车磨洗刨都要来做，都是从大往小里做，那么车下来的东西浪费了很多，他说我们知道，人类，目前世界上任何东西，都是由原子分子组成的，包括我们人类自身，包括空气，大气、海洋，桌子，麦克风，包括你的茶水，什么都是原子分子组成的，他说既然都是原子分子组成的，他说我们能不能够通过一个一个的，把原子放在一起，把原子分子就像砖一样，盖房子那样，我就把它盖成任何你想要的东西，就是由下至上，bottom…up，我来做你想要的东西。　

　　如果这样的话，你就没有污染了，因为你需要什么我就拿什么放，对不对，而且非常高效率，而且你要是由上往下加工，太小了没法控制，你可以由下往上长，如果说，一个人，抚养一个小孩，比如从一个受精卵发育到一个孩子，或者从小动物培养，或者你植一棵树从小长到大，这个大家比较容易理解，都但知道这东西自己都能长出来的，但现在我们不了解这东西，那么我们如果了解了，我们就可以控制这个事情，是不是就更好。　

　　那么真正提出纳米技术这个英文词的是1974年Taniguchi，他最早用纳米技术这个词，Nanotechnlogy，Nanotechnology这个词最早使用它完全是为了描述精细机械加工，他说微米，微米技术，微米加工精度不够，得用纳米技术来加工，他只是这么一个含义，那么70年代后期，美国麻省理工学院的德雷克斯勒，他提倡纳米科技的研究，就是指的刚才说的，通过原子分子组装来制备装置。　

　　那么，1990年，第一届国际的纳米科技会议在美国的巴尔的磨，与第五届的国际扫描隧道显微学的会议同时举办，那么纳米技术这个专业的学术刊物，Nanotechnology（纳米技术），在1990年创刊，1991年创刊了Nanotechnology（纳米技术），这两个专业刊物，那么大家认为，说90年代是纳米科技诞生的时候，90年代初，但是也有人不同意见，像美国科学家，他们认为纳米科技诞生的时候就是1981年，或者1982年，是扫描隧道显微镜诞生的时候，就是纳米科技的诞生之日，有人有这么一个观点。　

　　这是1990年在美国巴尔的磨召开的第一届的纳米科技的国际会议，接着1993年莫斯科，1994年在丹佛尔，1996年在北京，98年在伯明翰，去年在美国波斯顿，目前已经开了六界的纳米科技的国际会议，那么在纳米尺度上，这种多学科的交叉性，展现了巨大的生命力，迅速的形成了一个具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。　

　　我是把纳米科技的应用领域把它分为三个大的方面，第一个是纳米材料，第二个是纳米装置，第三个是纳米区域的探测和研究，表征分析。　

　　下面我就分别介绍这三个大的领域，这个纳米材料是纳米科技的基础，它的主要类型分为这么四个大的方面，一个是纳米颗粒与纳米分体，就是纳米材料它这尺寸，颗粒或者粉体都在纳米的量级，都是粉状的东西，颗粒状的东西，那么这是第一类。　

　　第二类是以组的纳米材料，就是它有一个方向在纳米量级，比如说碳纳米管，是一个直径再纳米量级，但是非常长的，这么一个管状的东西，或者以维的纳米材料，纳米线，纳米硅之类的，以维纳米材料，就是一个方向上，两个方向上，是纳米尺寸，还有一个方向上是纳米尺寸。　

　　比如纳米薄膜，纳米薄膜分成几个方面，一个是纳米的颗粒膜，就是说，颗粒大小都在纳米量级，表面上构成一层膜，另外一种膜就是纳米的层状膜，就是涂层的厚度在纳米的量级，一层一层的，纳米薄膜。　

　　第四种是纳米块材，就是把纳米的材料给压制成一个整体的，宏观上看着跟一块一块一样的东西，这是纳米块层，大概分成这么四个大的类。　

　　纳米材料的性能，它是与传统的材料，有非常大的不同，有的是传统材料所没有的，有的是传统材料的特性有了很显著的提高，比如说纳米金属固体的硬度，一般要比传统的粗晶材料，就是不是纳米的，要硬3到5倍，纳米固体铁的断裂应力，它比常规的铁材料会提高近12倍，那么纳米的固体铜，它比一般的铜材料的热扩散增强近一倍，那么纳米的磁性金属的磁化率，是普通磁性金属的20倍。　

　　你想想看，它同样东西，材料品质不变，把它做成一个纳米量级，它很多性能就发生了非常重要的显著的改变，比如说，我们知道，铜或者铝，宏观上铜和铝什么样子，我们都知道，铜线，铝材，铝线，铝材，但是如果你把铜和铝给加工成纳米颗粒时候，你把纳米铜，纳米铝你放到桌面上的时候，它自己会燃烧起来，会着起来，会爆炸，它跟铜和铝宏观就不一样，所以它可以作为火箭推行剂的燃料，你想想这同样是铜和铝。　

　　陶瓷耐高温，很好的硬度，但是它易碎，掉地上会摔碎，但是如果把陶瓷的颗粒，做成纳米量级，或者这里面掺杂一些纳米量级，它具有很高的硬度和耐高温，它同时掉地也不会摔碎，那么这样，比如做陶瓷发动机，它可以耐高温，它就不必像现在的发动机，需要水的冷却，它的热效率会提高。　

　　另外一个纳米材料，纳米氧化物，这个纳米氧化物它可以在电场作用下，可以改变颜色，不同光，不同电场，就改变不同颜色，那么可以丰富多彩，做广告板。　

　　另外像纳米氧化物，在催化及环境保护方面，都有广泛的应用前景，比如说，用纳米的二氧化钛，可以广泛的应用于防晒霜，防晒，化妆品当中，用的纳米二氧化钛，它可以吸收紫外线，防晒，另外它可以做轿车金属色的面漆，可以做高压绝缘材料，做银光管等等。　

　　还有纳米二氧化钛具有催化性质，它可以降解汽车尾气，所以像日本已经在高速公路的两侧，在公路的隧道之内，设置了涂有二氧化钛的这种光催化板来防止汽车尾气，汽车尾气到催化板上，二氧化钛就把汽车尾气可以给它催化，变成性另外一种无毒的东西。　

　　那么自清洁材料，那么这也是一个纳米材料很重要的应用，科学院化学所的江雷，他们做的这个纳米的自清洁材料，通过自己建立