飞速裂变的时代中看纳米科技-程曜-第2章
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了。大家可能都会问，这东西一直做下去，做到纳米，我们大概应该是在最近几年，我们这个晶体管的大小就小于100纳米，这时候我们就不能叫微电子，我们叫纳电子，这个纳电子有没有极限，我们要不要做到像这个原子、分子一样这么大小，来帮我们做这个计算机，做这些计算。我们必须要讲，我们用光刻的方法，现在我们给它一个名字，这个光刻方式叫做由上而下的加工方式，这种由上而下的加工方式，它必定有一个极限。
我记得台湾有一个非常重要的微电子的学者，他就讲说其实未来三十年内，这些微电子还会急速地发展，每年增长30％，再增长30年。如果说以30％，现在微电子的生产总值大概3000亿美金，如果以每年30％的速度生产下去，我们在三十年就超过全人类的生产总值，所以这是不可能。你不可能，你总不能拿微电子来吃，对不对？你穿、吃都拿微电子来，起码纳米里面还有一个“米”字，纳米还可以吃。纳米真的是有协助于生物科技的，是可以吃的，这是真的。所以我们现在的讲法，就是微电子以更快的速度迈向极限，所以在公元2010年大概是50纳米或60纳米是它的极限，为什么是这个数字？因为50纳米跟60纳米牵涉整个加工，就是纳加工的光学系统的更动，使得成本上升，成本上升。当我这个芯片卖得更贵，然后又老坏，你会不会买，你不会买。这时候微电子的急速发展，我们就讲它停止了，停止了以后，会发生什么事情？是不是微电子就泡沫化了，就没有了，大家现在大家很努力地在念电子工程系，是不是就觉得有点害怕，将来就没饭吃了，不会，你们放心好了。所以它会转向多样化。
我们在下面会谈到转向微系统科技，这个微系统科技呢，我们也有一种在美国的讲法叫MEMS，就是Micro Electro Mechanical System，后来这个就是微机电系统把它集成在同一个芯片里面，我不只是有电子元件在里面，我还有机械元件，我可以做机械的事情，做机械的感测，这叫做微机电系统。过一会儿，美国人又发现这个名字不够，我们应该把光放进去，所以就叫做MOEMS，就是微光机电系统。现在更流行的名字叫BioMEMS，是生物微机电，不管怎么样，在欧洲都叫微系统技术，所以它会继续地扩散出去。
这里我举一两个例子，这个是加州伯克莱大学林立伟教授做的，也是我的学弟，他就是做得是一个针，用硅做的一个针，这个针本来是想刺到脑部里面，研究脑子的活动，所以它这上面有电极，有取样，有取样的孔洞，事实上我们也可以拿这个针来研究针灸，到底针灸是怎么回事。另外，你们看到另外一个，就是硅的振荡器，为什么我需要硅的振荡器，你们现在，如果你们手机坏了，把它拆开来，打开看看，这个手机里面有几个部分，其中有一个部分是石英振荡器，石英中频振荡器，这个石英振荡器因为它的材料跟硅不一样，所以它要另外做，然后到最后再用电子电路集成到你的手机里面，这时候石英振荡器就显得特别大。如果我用硅就可以把这个振器跟我的电子电路做在一起，是不是我就集成起来，这时候你的手机会更小，还不只更小，还会更便宜，这是最重要的，它成本还会降低。这就是我讲的这个微电子的微加工技术，它还会扩散到其他的机件元件。这个就是我做的，左上角那个还上了一个国际杂志的封面，这个讲的是什么？人造纤维的喷口，我们现在，你要知道自然的纤维，产量不能够再增加，因为耕地面积受限，羊毛啊、麻啊、棉啊，不能再增加，所以人纤，人造纤维不断地在增加，可是人造纤维，我们会认为还是天然的纤维穿起来比较舒服，错。将来人造纤维会更舒服，因为纤维它的好坏决定于两件事情，第一件事情就是它的横剖面，为什么是横剖面？你像蚕丝为什么会发光，蚕丝发光因为它是三角形的，羊毛为什么会是卷的？羊毛卷的，是因为它是扁的。
所以说，你的纤维的品质靠的是横剖面跟材料，材料现在我们比如说参了纳米丝进去以后，大家前一阵可能都在电视上看到，纳米丝参上去了以后，你的水倒上去它都不沾，因为就像荷花荷叶上面一层细细的丝，拿这个水滴没有办法，它因为表面张力的原因，就形成了球，没有办法沾下去。像你如果去洗桃子，桃子表面有一层毛，水也没有办法沾上去，这个就是材料的改变。
好，我们现在进到另外一种纳米的科技，刚才我们谈的这些都是由上而下的微加工不断地缩小以后，变成纳加工的纳米科技。这种微加工的纳米技术它有一个极限，另外一种纳米科技呢，它是由下而上自组装产生的，什么叫自组装？你们现在外面看到这些雪花，拿到显微镜下面去看，有各式各样的结构，这些结构就是由水蒸汽所形成的，自组装所形成的。我们现在竟然发现这些纳米管，现在给你们看的这个纳米管是长出来的，长出来。我们知道人死了，头发都还会继续生长，没有生命，头发还会继续生长，所以纳米管就像那些无机的东西，还会这样长出来，自组装长出来。这个现象当然让我们非常的兴奋，在未来的整个加工，有一种完全崭新的方向，这个崭新的方向就好象美国一个有名的科学家他说，未来的电脑是什么样的，未来的电脑不是像我们由上而下的加工方式来做的，而是我像油漆一样漆到我的芯片上面去，到最后它自组装完了，就变成纳米级的这些晶体管，然后更小的数量就更多，这当然就是我们的梦想。
可是各位你可以看到，现在这张图上面的自组装所产生的管子，我们还可以把纳米球，刚才谈到的碳60，60个碳原子和纳米球塞进去，自组装塞进去，这个管的大小不到一个纳米，不到一个纳米，比基因还要小，比基因还要小，比染色体还要小很多很多，接近原子的大小，所以这个是一个非常不可思议的，这其中碳起了非常大的作用。我们这边展现，我们有碳原子，然后我们平面的碳结构就是石墨，我们立体的碳结构就是金刚石，对不对，然后我们还有环状的碳就是苯，就是苯环，右下角就是碳管，更复杂的碳结构就是左上角的基因，右上角的蛋白质，所以碳可以形成这么多的各种不同的，正是因为碳，它有四个键，然后分布在各种不同的方向，所以它有很多种可能性来键结。那整个生物科技里面都跟碳的作用，跟碳所形成的纳米的结构息息相关。
我们现在用这些碳用自组装的生长，你们各位看到，右边的这些图，这些图是一根画出来的碳管，左边是我们讲说可以说是一串，你看到的这个，一个方块里面的，这个方块里面是几亿根的纳米管，它为什么你要长哪里就可以让它长哪里呢？我们是在这个基板上面，我们涂在一定的地方把它加工，涂上这个催化剂，然后放到生长炉里面去，在有催化剂的地方，它就会长出纳米碳管，就像长头发这样长出来，所以你看到密密麻麻，我们自组装的这种生长方式是非常惊人的。其实这种生长方式很早就有了，大家也知道，像脚踏车的碳纤维，碳纤维很早以前也就是用催化剂的方法生长，可是现在主要我们用的方法是用纳米颗粒级的，纳米级的粉末的，纳米级的催化剂，它就能够长出纳米线、纳米管，它就能够这样长出来。这个只是整个纳米自组装的科技里面，刚刚开始的很小的一部分，你去想到，如果说你去想到我们的基因去复制，你生出来的孩子跟你长的一模一样，这个更伟大，比我们现在用这个碳管的自组装更伟大。
我们大概到2015年，纳米科技的总产值大概是一点五万亿，就是一万五千亿美金，大约是现在微电子总产值的五倍，有这么大。所以你们到了十年以后，可能看到，就像我们现在看到身边所有东西都是塑料所产生的，就是在十年以后，你身边的东西可能都跟纳米脱不了关系。
我今天要讲的就到这里。（掌声）
主持人：谢谢程博士给我们带来对我这样学文科的人来说非常有意思的讲演。接下来我们看一下网上的网友对您的提问。
第一位网友叫做“纳米牙膏”，他说程博士，刚刚过去的2002年，简直可以称为纳米年，什么纳米冰箱、纳米洗衣机、纳米鞋、纳米水，什么都是纳米的。但国家纳米科技指导协调委员会首席科学家白春礼院士给这种纳米标签现象泼了一瓢冷水，他警告说，对纳米科技概念的误解和伪纳米产品的出现，以使人们怀疑纳米科技是不是皇帝的新衣。程博士，这是问您啦，在这个鱼目混珠的年代里，您能否给我们一双火眼金睛，让我们一下子识别出哪个是真纳米技术，哪个是假纳米技术。可以吗？
程曜：纳米技术，你现在要去识别，的确是很困难。其中一个很重要的原因，我刚刚也谈到了，纳米用显微镜看不到，我们显微镜的解析率受到衍射的极限，只能够看到微米，只能看到微米级。事实上我到中国来了这么长一段时间，我刚开始，我的研究方向是做，主要是一个工业快速的自组装的纳米生产，往这方向发展。可是经过半年多，一年多下来，其实我现在的想法有一点改变，我现在想去作一些事情，就是怎么样去检验这些纳米粉。刚才网友所谈到的这些什么纳米冰箱、纳米鞋或什么，这个其实都是跟纳米粉末有关，纳米粉末，的确是纳米粉末做小了以后，它有一些特殊的现象跑出来，问题是它放了纳米粉末，你不知道，你没有办法检验，你也不可能把每一个东西都拿电镜下来去检验，因为电镜很少，也很贵，我光抽真空，电镜抽真空就要花半小时，所以标准局如果说要检验真伪的话，要排队，速度非常慢，也划不来，对不对。那这时候是不是，这时候我就开始想是不是有一种方法，我还是用显微镜就可以看到这些纳米，这是我最近产生非常大的兴趣，跟你刚才讲的真伪的判别有关。现在超快激光的发展，的确使我们有一线曙光，我们可以，即使用可见光的电磁波在超快激光下，我们可以看到纳米的粉末，在这个情况下，我们就可以建立一个比如说二级的标准，今天有人要卖说这个纳米水，说纳米水里面到底有没有纳米，我今天拿到这个激光下面一打，这个二级标准马上说有、没有。我想这件事情是很重要的。
主持人：这个很麻烦呀，这个网友的意思可能是让您给一种这样的，普通老百姓都可以使用的方法。比如说我们怀疑这个东西不是纯毛的，我们把它剪下来一烧，就马上知道了。您说拿激光打，买不到机器啊。
程曜：所以我说那是二级标准，二级标准必须要建立一个信用制度的，然后比如说你可以贴标签，当然防伪标签现在也有。
主持人：就是，我可以做假标签吗！
程曜：是，原则上是没有办法，你只能使用中看它是不是有效果。现在的确是充斥着浮滥，也正是因为我们没有办法检验这些纳米。其实我刚谈，整个一直在谈，这里面有一个关键，可能你没有注意到。今天我卖纳米的产品给你，不是说价钱更贵，如果我今天卖给你的东西是更好，又更便宜，这个时候，它所引发的，我们叫做一种，我们在产业结构里面叫做killer approach，我把它翻译成叫“杀手项目”。我今天我卖给你衣服比以前更便宜，然后更好，你买不买，这样子的纳米技术才是好纳米技术。
主持人：好，谢谢您！（掌声）
提问：程教授，我想问一下，就是众所周知，科技是一把双刃剑，就是大到原子弹，小到DNA分子对社会都产生一定的负面影响。但是呢，现在这个纳米科技提得非常的响亮，但是我至今没有听到，可能是也没有看到关于纳米科技对社会是不是有一定的负面影响呢？
主持人：对呀，您也没有提到它有负面影响。
程曜：当然任何科技，当我们使用得非常大量之后，它一定会有负面的影响。比如说像我们刚才谈的，为什么我一直讲二氧化钛，我不太讲二氧化锌，其实在使用，女孩子使用化妆品早期，比较多使用二氧化锌，锌有毒。所以，二氧化钛，钛是我们目前知道比较不毒的金属，甚至铝呀，所有轻，轻的元素甚至铝啊，现在我们都知道它有毒，造成老人痴呆症，哪一天我们把这个钛用得非常多了以后，我们突然发现它也有毒，这是非常有可能的。当我们使用量大，大到非常大的时候，总是有一些负面的效果，它会显现出来。
主持人：（掌声）还有哪位？
提问：就是您刚才不断地提到自组装的特性，那么，您不能简单介绍一下它这个自组装到底是个什么样子？就是简单介绍一下。然后它是一种化学的方法，还是什么，就是比如您刚才讲的催化或者什么的。它是化学的过程呀，还是什么样的一个，请您解释一下。
程曜：这个自组装的生产方式，它的确是就像你所理解它就像化学一样，可是在这新的世纪里面，其实我们化学跟物理已经没有办法分家了，到了纳米、原子、分子这个层次里面，物理跟化学是一家人。他们都是在研究这些它的原子怎么移动，怎么变迁，怎么来组装起来。那自组装，我刚刚讲的这一部分是一个非常小，用催化剂，用铁，然后用高温，然后我们加上，通过乙炔（原料）以后，这些催化剂就会长出纳米碳管。这种生产的方式，是正常自组装现象里面非常小的一部分，我刚谈到更多的自组装，包括你的基因是怎么复制的，你的基因是怎么去产生蛋白质，蛋白质来使你的，然后使你的肾上腺素产生出来，使你变得非常激动。这些都是更复杂的，这些自组装的行为。
提问：程博士您好，我想问一个问题。就是您刚才说纳米发现是由于英国的两个科学家在无意中发现的，是不是？在您认为纳米的发现有没有它的一种必然的因素。
程曜：我们讲说这个发现有没有必然性，这个发现有必然性。因为在过去的这几十年来，我们越来越能够检测到纳米的大小，检测到纳米的尺寸，就是电镜，扫描电镜，还有扫描探针显微镜，以及透射电镜，种种这些电镜的纳米检测的手段跟能力增强了以后，我们才看到这些。之前我不是讲了，也许汽车后面冒的这个黑烟，你从来就不会想到那里面有纳米管跟纳米球，而且非常值钱。你要知道纳米管比黄金贵八十五倍，所以你赶快去汽车后面去捞黑烟吧。
提问：程教授您好，刚才您前面提到，就是说要制造那些纳米机械的话，显然通过一个一个的操作那个原子是很麻烦的，我们通常用让它自组装，让它自己生长出来，这是一个很高效、很适用的方法。但是实现自组装，它一般都是一个非平衡系统，而关于在物理学中，非平衡理论还处于一个非常不成熟的阶段，它好多很基本的理论都没有理清楚。所以说，我觉得要达到那个自组装，实现达到工业化的程度，是一个很遥远遥远的过程，请问您对这个怎么看？
程曜：这也是一个比较科学性的问题，事实上我们刚刚谈到尺寸大小，我们可以做纳米的检测。现在我们有超快激光，飞秒激光，我们已经把时间可以解析到飞秒，飞秒级，在这种非常快速的科学元件（，我们已经慢慢有越来越多的武�
