飞速裂变的时代中看纳米科技-程曜-第1章

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　　　　飞速裂变的时代中看纳米科技—程曜　

　　　　主持人：会当凌绝顶，一览众山小，欢迎收看世纪大讲堂节目。在去年的时候呢，清华大学新建了一个大型的实验室，为了这个实验室，清华大学跑到台湾的清华大学聘请了一位在那边特别有名的教授，他叫程曜，程曜博士。那么程曜博士来到北京以后呢，就在这边协助实验室的研究。那么内地大学到台湾，去挖台湾的墙角，程博士是第一位，因此震动了台湾。不过今天程博士来到我们的现场，不是来谈这个事件，而是为我们来谈纳米技术。　

　　　　我们先看一下程先生的简历。　

　　　　（掌声）　

　　　　欢迎程先生，看到您的这个小片子，我发现您是从1989年从德国拿到博士学位去台湾，一直干到了2001年您还是副教授，这是你离开台湾选择北京的一个重要原因之一吗？　

　　　　程曜：其实不能这么讲，我离开台湾到北京来，有基本上两个原因，第一个原因，其实我们可以讲，在上个世纪变动最快的地方是在哪里？是在美国。这个世纪，二十一世纪变动最快的可能就在亚洲，而且是在中国。所以要回来，这本来就是已经定的事实，只是什么时候回来。1998年，我母亲中风，然后不能动，科研也就被耽误了，因为我们家的保姆是从菲律宾来的，没有亲戚在台湾。　

　　　　主持人：我们叫菲佣。　

　　　　程曜：对，叫菲佣，没有亲戚在台湾，所以菲佣会跑，所以连出国讲学都很困难。　

　　　　主持人：菲佣怎么会跑呢？你给她钱，她就不会跑吧？　

　　　　程曜：她会跑到别人那儿去工作，别人给更多钱，不知道，有各种原因，他们可以弃保（放弃保金），这在台湾还是常见的。因为这个原因，后来就决定，其实从我母亲生病以后，我已经慢慢地把科研工作减少，就已经准备到这里来。　

　　　　主持人：好，看到一些散篇的一些文章，我发现您除了关心纳米、关心科技以外，好象还很关心社会生活。　

　　　　程曜：是的。　

　　　　主持人：但是您读书十多年全都是理科、工科。　

　　　　程曜：我大概受到家里面的影响，对历史一直非常关心。我一离开台湾，离开台湾一到德国，我那时候念书在德国有汉语系，所以有非常丰富的中文图书，我第一件事情就是把范文澜的这个《中国通史》借出来整个看一遍，整个看一遍，大概从另外一个角度在看中国的历史。　

　　　　主持人：我听说您说过一句话，说您仍然是生活在“五四时代”的一个古人。给我们解释一下这句话吧？　

　　　　程曜：可以这么讲，因为“五四”就是改革，还有另外一个，就是中国为什么被欺负，为什么不会强大。我去德国念书，念书回来以后，我妈妈也问我，我哥哥也在德国，他的薪水非常好，他在西门子，他做通讯，我妈就问我说，你是不是在德国留不下来才回来的，我说，我回来的目的正是不想让我的后代再到德国去念书，当然梦想，其实我回到北京来也是梦想，未来大家不需要再到国外去念书，能够留在国内，如果说我们能够供应那么好的教育环境，那么好的创造力的环境。因为使用中文的人口是现在世界上最多的人口，所以你可以让这个语言更丰富起来，有一天我们的教育都在这个地方的时候，你大概已经知道中文已经是世界语言，而且主要的学术期刊都是以中文发表，对不对，这是我们的梦想。（掌声）　

　　　　主持人：好，接下来我们就由这位生活在“五四时代”的古人，跟我们讲一讲《飞速裂变的时代，这其中的纳米科技》。欢迎！（掌声）　

　　　　程曜：我今天选择这个题目的目的，也就是我在想从大陆，现在国内变化这么快的一个环境里面，怎么看未来的整个纳米科技。所以我们从一个比较宏观的角度来看这件事情，这是我定这个题目的目的。　

　　　　我们先谈，现在大家都知道，科学上我们很早就已经预测，说宇宙中有黑洞这个东西存在，黑洞，所有的物质进去，一进去连光都出不来，不断地把东西吸进去。然后最近，大概在近十年来，我们已经找到一些迹象，很可能黑洞是存在的。可是现在的理论反而讲，说这个宇宙大部分都是黑洞所组成的，要是没有这些黑洞，可能这宇宙就不稳定。那我为什么从这个角度来跟你们讲呢？1985年，英国人科劳特（Kroto）跟美国人斯马利（Smalley），他们想要合成宇宙的这个尘埃，就用电弧加工石墨来制造这个尘埃，在这里面他发现了纳米碳球，这个碳球总共只有60个碳原子组成的一个分子，像一个足球一样，像一个足球一样，大小不到一个纳米，那么小。在1991年，日本科学家饭岛澄男（Sumino　Iijima），有一次他发现了在寻找这个纳米碳球的过程中，他发现了纳米碳管，花了六年之后我们从纳米碳球之后发现了纳米碳管，之后速度就越来越快，我们现在，那时候以为这个纳米的结构或纳米的这些东西是很少的，现在发现到处都是。像你们汽车，也许开汽车放出来后面的黑烟，你当时如果知道，你好好地去把它捕捉起来，放到电镜上去看，你也许就发现碳球跟碳管，那你就拿到诺贝尔奖了。斯马利拿到了诺贝尔奖了。　

　　　　所以到处都是，就像我们清华大学化学系的李亚东教授，他用水热合成法，现在，各种材料，各样的纳米管、纳米球或者是纳米粒、纳米颗粒，他都可以合成。这个合成讲起来，我们用更通俗的方法来讲，就是用压力锅，用水煮一下，用科学的方法放正确的材料进去就煮出来。所以，我现在要讲的纳米其实存在于到处都是，到处都是。我再讲一个例子，比如说纳米工程，我们每天都在做纳米工程，什么样的纳米工程，你的细胞在分裂，你的基因在复制，这个基因它的大小就是纳米基因。这些基因的复制，它的变化到目前，它为什么会完全地复制自己，这么神奇的，整个神奇的作用，我们现在慢慢地可以透过我们对纳米科技的了解，我们可以慢慢把它解析开来。这个是我今天要讲的整个框架，纳米科技，它背后的含义。　

　　　　那么回顾一下，二十世纪，二十世纪有两个理论上重大的发现，第一个我们讲说上个世纪初的量子力学跟相对论，在物理上，我们现在很多的现代的科技都完全只是在这两个基础上面所建立起来的。然后在1960年左右，发现了基因的双螺旋，我们在几年前，才刚刚把人类的基因码全部解析开来，对不对？我们在大量地做这些事情。这两件事情是重大的科学发现，之后就再也没有非常重大的科学发现，都是在沿着这两个道路在前进。除了这两个重大发现之外，我们可以讲在上个世纪有两个主要的新材料，我们不谈之前陶瓷啊、金属啊，这已经发展了几千年，发展了几千年。现在在上个世纪主要的，我们可以讲第一个是塑料，塑料我们现在放眼看去，哪个东西不是塑料所组成的，它的影响力，它只不过一百年，一百年前，在一次世界大战的时候，英国人才用人工产生塑料做雨衣，那时候这个雨衣还不好，放久了以后，它就会脆掉，拿起来就会裂开。现在你们用的这个雨衣都没有这个问题了。　

　　　　另外一个，非常重要的是半导体，现在我想每一个人手上都有手机，这手机里面，你今天能够拿着手机，在行走当中或开车当中，跟很远的地方的人通话，靠的是什么？靠的就是这半导体科技，半导体的这些晶体管，所以这个是上个世纪最重要的发现。　

　　　　那我们再回到来谈纳米到底是什么东西？纳米它是一个单位，是一个尺度，我们讲一个人，像我的高度大概是一米多，姚明当然是两米二六，这是我们算以米来作单位。一个水果，苹果、桃子大概就十分之一米，就是十公分，我们一个蚂蚁大概是一个毫米这么大小，我们头发，我们的头发大概是一百分之，也就是十分之一的毫米，就是一百个微米。我们的细胞大小大概是十个微米，我们一直数下来，病毒，我这里病毒其实还要更小，病毒应该是在十个纳米左右，十个纳米左右到一百个纳米左右，这是病毒的大小。一个原子，像氢原子的大小就十分之一纳米，所以我们知道，我们讲的纳米尺度，或者纳米的材料指的是什么？指的就是一千个到一百万个，到上亿个，这样子的一个数目，它所产生的这些团簇，原子所形成的分子团簇，它产生一些非常奇妙的特性，非常奇妙的特性，这有多奇妙，就好象我刚才讲的，你的基因会复制，你的身体是透过蛋白质，透过一些激素，透过这些东西，这些纳米级的团簇的分子在控制你整个生命的发展，所以你说它奇妙不奇妙。　

　　　　当然，我们现在各位所看到的一些，常常看到比如说纳米冰箱，纳米冰箱是什么？纳米冰箱是它在冰箱里面上了一层纳米粉，这层纳米粉它是二氧化钛的纳米粉，二氧化钛它没有毒，所以我们会放到你的牙膏里面，你的牙膏白白的，那个白色的是来自于二氧化钛的粉末。在以前用的是微米级的粉末，微米级的粉末比较便宜，现在我们越做越细，做到纳米级了以后，它会吸收紫外线，吸收紫外线产生光催化的作用。光催化之后，它会帮助你去分解一些不好的臭味，甚至去分解一些对环保有害的，所以现在日本他们可能在建筑物上面要进行纳米的涂料，来使得协助，比如说废气的这个分解啊，或者其他这些不愉快的东西的分解。所以纳米，的确是当你做到纳米级了以后，它就发生了一些，跟在微米更大，就是巨观状态下不一样的这个现象。这个我用一个例子来讲，比如说像粉末，我们讲说一个微米这么大小的粉末，它里面大概，我们可以讲说几兆亿的原子在里面，几兆亿的原子里面大部分都在内部，我们在内部的每一个原子，就像你们现在坐在这里的同学，坐在中间的同学你四面一看都是同学，可是你坐在边边的同学，你会看到一边是同学，另外一边没有同学，对不对，这是不对称。所以在表面的这些原子，它的活性特别大，它跟在整个纳米粉末内部的这些原子的行为不一样，当我们纳米粉末小到比如说只有十个纳米的时候，它的原子大部分都是表面，所以它会有一些特殊的性质产生。我们现在讲的纳米科技和纳米技术是这些东西。　

　　　　我们再来谈在这些产业结构里面，第一次工业革命，它的象征是什么？第一次工业革命的象征是人类控制了能量，我们控制了能源，我们可以生产，我第一张图，这边左上角给各位看的是一个纺织机，瓦特使用这个，就是把这个蒸汽，水蒸气的这个能量来变成一个机械的运动，在最早的时候，在英国他们就建造了这些纺织机，纺织机，它的影响力有多大？在没有纺织机之前，几乎所有的妇女都必须要呆在家里面织布，你可能一天织不到一匹布，那时候布是很贵的。可是有了纺织机以后，我们有一半的人口就被解放出来，可以到社会上参加工作，参加工作就可以对整个文明的进步，当然有更大的贡献。当然，第一次工业革命除了这些生产，就是把一些重复性的生产力用机器来取代之外，我们有了运输，我们有了汽车，更快的运输，我们有了火车，我们有了军舰、轮船。你看在两百年前，美国刚刚建国的时候，你从东部骑着马到西部去，你大概要花一个月的时间。铁路造好了以后，你坐火车过去，你大概需要一个礼拜的时间，那时候铁路还蛮慢的。然后你现在有了飞机，你大概只需要半天的时间，所以你看在这一两百年之内，我们怎么样？我们的运输速度增加了一百倍，从一个月缩减到半天。　

　　　　我们现在来看第二次工业革命是什么？第二次工业革命主要是人类控制了信息，信息我们不但可以把这些信息储藏起来，我们还可以运算，我们还可以交换、通讯，我们还要感官。在未来我们可以把这个光直接打到眼睛里面，直接在眼球里面成像，这个技术其实已经有了。所以信息的工业革命，它包含不只是计算机，不只是这些，还包括到你的眼、耳、鼻、舌、声、意，现在你眼睛瞎了，可以用电子眼重新再看到，耳朵聋了，我可以用电子耳受再重新听到，这个你们大概都知道。我们可以直接用电子跟神经做交换，这些所有的感官信息都可以数码化，都可以传进来。　

　　　　第二次工业革命主要来源是信息的储存没有大小，它没有空间上的大小，所以我今天我作为一个晶体管来储藏它，我这个晶体管做得越小，结果它越好。我在相同的面积，相同的芯片面积上，我如果生产越小的晶体管，我的产量就越大，然后它的速度就越快，对不对。现在不是奔四嘛，以后可能奔五、奔六，这个本来是兆赫，现在已经到了千兆赫，越来越快，用的能量越少。在这个情况下，就引起了整个大的变动，这个就是信息产业的工业革命的来源，这个信息产业工业革命，它牵涉着其中有一个生产力的变革，我们叫做光刻术，待会儿我还会谈到光刻术，我们利用光刻术把东西越做越小，越做越小，越做越小，然后越来越便宜，这就是第二次工业革命的来源。　

　　　　那我们来谈这次工业革命有多快？大概在三十年，就是1970年到现在过了三十年，我们生产的晶体管，小了一万倍，我们增加生产的数量增加了一万倍，然后价钱还更便宜，我们刚才谈到第一次工业花了一百年，我们把这个运输的速度从美国东岸到西岸降低了一百倍，可是在信息产业革命里面，我们增加了一万倍。　

　　　　会不会有第三次的工业革命，这个当然是我的预测，它会是另外一个非常重要的一个生产力的变革，牵涉到，其实就是控制生命的周期，我们可以现在利用这个生物科技来生产粮食、医疗、保健、延寿。你要知道，我们中国人在1900年的时候，平均寿命是多少？三十岁，现在平均寿命大概是六十几岁，接近七十岁，我们预计到公元2050年的时候，寿命可以延长到一百岁，这个就是控制生命的周期。生物科技就是第三次的产业革命，应该是跟这件事情有关。我们也知道大概克隆人，今年就会诞生，我们虽然不知道它能够活多久，不过你们可以想象，在我讲的这个时候，这个克隆人可能已经诞生了，可是它可能不久就死亡了，可能不久就死亡了，这个事情它的冲击会非常的大。　

　　　　好，我们再回来看纳米的科技，纳米科技，我们这张图中间有两个预测，一个是1989年作的预测，你可以看到这是一个曲线，我们的晶体管越做越小，我们每三年这个晶体管就缩小一倍，数量增加了四倍，为什么数量增加四倍？晶体管缩小一倍，我们在面积上，我们就可以增加两倍，就是相同的面积可以增加两倍的晶体管，可是我们芯片的面积又增加了两倍，所以就得到了四倍，所以就翻两番，这么快的速度，在公元2002年就做了一个预测，这个预测我也在这图里面把它标明出来它的不同，这个预测跟原来不一样的地方是什么？我们现在的晶体管以现在的技术，晶体管缩小的速度要比过去十年来得更快。可是我们的数量呢，并没有办法向以前的每三年增加四倍，这么快的增加。其中的原因，就是我们不能把芯片的面积再增大，因为芯片的面积再增大的时候，我的里面有做坏的电晶体，如果做坏了，我整个芯片就要丢掉，这个时候我就不划算了