納米技術的現在和未來

------白春禮解讀納米

央視國際 2004年03月10日 09:54

　　在炎熱的暑季大家從不同地方趕來，聽這個報告，首先我對各位聽眾表示歡迎！那麼我這個報告題目是納米科技的現在與未來。

　　因為這個暑期作一個科普報告，所以我今天這個報告也是從科普的角度上來講這個問題，報告我想分為這麼幾個內容，第一我想介紹一下關於納米科技它的意義和發展過程。

　　第二介紹一下關於納米科技的研究領域，它包括哪些研究領域，第三個方面介紹關於納米科技它的發展的前景和展望。然後第四第五方面簡單的介紹一下發達國家在納米科技方面的研究水平和部署情況，以及我們國家納米科技一個發展狀況。

　　那麼，納米科技為什麼要進行這方面研究，它的意義何在呢，我們知道著名的科學家愛因斯坦曾經説過，他説未來科學的發展，無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍，那麼宏觀世界是什麼，宏觀世界就是説我們人類的肉眼可以分辨出來的物體，當然大至宇宙，宇宙的深處。

　　那麼微觀世界我們指的是原子分子，以及原子分子以下那些層次，那麼納米大家知道是個長度單位，那麼這個長度單位如果説，我們把我們科學家目前所研究的這個物質世界的對象，都給予一個長度單位來表徵出來。

　　比如以米作為單位，那麼10個25次方米這個大約十億光年，這個十億光年這個範圍是我們人類目前已經觀測到的，這個宇宙大致的範圍。如果減小到10的21次方米，這個大約是十萬光年，這個範圍我們可以看到銀河系的全貌，到10的14次方米，這是一千億公里，可以看到冥王星的完整軌道，那麼到10的7次方米，這是一萬公里，我們就可以分辨出地球的一部分，像從航天飛機上可以看到，那麼到10的3次方米是一公里，從飛機上，我們看到分辨城市建築物的排列，街區，到10的1次方米，這是十米，那麼我們就可以看到足球場上運動員，看得很清楚，如果説我們把我們目光聚焦在運動員的腿部，膝蓋這山，繼續縮小我們的觀測範圍，到10的－2次方米，是一個厘米，就可以看到他腿上汗毛孔了，皮膚表面的皺紋就可以看到。

　　再繼續往下走，到10的－4次方米，是一百個微米，就可以分辨細胞，細胞大小在十幾個微米，到10的－6次方米是一個微米，那麼我們就可以看到染色體當中，聚集著染色質，如果再繼續往下，到10的－7次方米，這是一百個納米，我們可以分辨染色質的兩個部分。

　　那麼再往下到10的－9次方米，這就是一個納米我們可以分辨出DNA裏邊的分子結構，到10的－10次方米，是一百個皮米，那我們可以看到電子云籠罩下的原子的輪廓，大家學物理的知道，一個原子，它是由原子核和電子構成的，外圍的電子它有一個大概的輪廓。

　　再繼續往下，到10的－13次方米，是一百個飛米，那麼我們從整體上可以分辨出原子核。繼續往下到10的－14次方米，是十個飛米，我們就可以看到，原子核當中的質子和中子，原子核是由質子和中子組成的，再往下到10的－15次方米，是一個飛米，我們就可以分辨出組成質子和中子的夸克 ，六個夸克來組成原子核。

　　那麼再往下，到10的－16次方米，是一百個阿米，我們可以進一步看清夸克，那麼一個夸克的大小大概在10的－19次方米，就是0.1個阿米左右。

　　那麼剛才這個就是用一個長度單位，從我們宏觀的宇宙深處，一直到我們構成物質最基本的粒子，夸克都可以把它連接起來，那麼納米是處於一個宏觀世界和微觀世界中間，所銜接點上，交接點上，那麼在目前我們以米作為單位這個尺度上，從米分米到下面納米，那麼我們從這裡可以看到，一個納米是10的－9次方米，十億分一之米，是一毫米的一百萬分之一，如果説用它這個單位來表徵作為常見單位，這個人一米八，那就是18億納米，手指上一點黑色的墨點，就幾百萬個納米，所以一個紅細胞得幾千個納米，這個DNA分子，這個雙螺旋，我們知道DNA分子的雙螺旋，你看螺旋，每一股螺旋的寬度是一個納米，兩個螺旋寬度差不多兩個納米，那麼氫原子是最小的原子，氫原子的直徑大概一個納米，這個裏邊你看這個綠的原子就是氫原子，十個氫原子排成一條線，連在一起就一個納米長。

　　那麼什麼是納米科技呢，我剛才講納米是長度單位，那麼納米科技定義是什麼，定義就是指的納米科技是指再納米的尺度上，那麼這個尺度有一個範圍，是1到100個納米，並不是指的就在一個納米上，是有一個範圍，1到100個納米，在這個範圍上來研究物質的特性和相互作用，那麼這個也包括原子分子的操縱。

　　那麼這個特性可能主要是以量子特性為主，由量子特性産生的特性不一樣，那麼在納米的尺度上，來研究物質的特性和相互作用，以及利用這些特性的這麼一個多學科交叉的科學技術。

　　納米科技它使我們人類認識和改造物質世界的手段和能力，延伸到原子和分子，那我們知道現在有納米熱，為什麼會出現納米熱呢，這也就是説納米科技它的重要意義何在，我覺得可以把它分成兩個大方面。

　　一個納米科技可以促使人類的認知革命，另外一方面納米科技的發展，會帶來一場産業革命，那麼什麼會促使人類認知革命呢，就是它的科學意義在什麼地方呢，剛才我前面我做了一個介紹，就是説納米科技，就是説一個長度單位可以表示宏觀到微觀。

　　在宏觀上研究比如地球，我們人類研究宇宙研究天體，我們有很多的理論，包括牛頓的力學，包括我們現在研究的天文學，地球物理，物理學、地質學等等，有很多理論，研究原子核微觀的我們有量子理論，也有很多研究，通過高能物理的現象，粒子物理研究原子核以下層次的基本粒子。

　　那麼在宏觀和微觀的理論充分的完全之後，那麼在納米的尺度上，還有很多新的現象，新的規律，有待發現，新的理論有待建立。那麼這個新的規律，新現象的發現，和在納米尺度上新理論的建立，它也並不是一個僅僅是基礎科學的問題。

　　當我們回顧20世紀科技的發展的時候，我們大家都公認，量子論和相對論的誕生，是奠定了我們現在通訊，信息技術，它是基礎，儘管它當初是一個純粹的一個基礎科學的發現。我們1953年建立的DNA的雙螺旋結構模型，那就是一個分子的結構模型，但是，它奠定了現在分子生物學的基礎。沒有這個DNA螺旋結構模型，就沒有我們今天的基因技術，所以轉基因技術等等都不會有的，基於這麼一個DNA的雙螺旋結構模型。

　　那麼同樣在納米的尺度上，我們發現了新的現象，新的規律，建立了新的理論，它肯定也會是新技術發展的源頭，會帶來很多新的技術革命，那麼很重要一點，納米科技也是目前引起政府和企業極大關注的一個重要原因，就是説它會引發一場新的工業革命，那麼納米科技它引發的工業革命，最主要的驅動力是來源於我們現在的信息産業。

　　大家在這一點上意識不足，報紙上炒得或者群眾認識，大部分都是關於納米材料並不知道最最主要的驅動力是來自這個方面，另外我們生命科學研究當追，DNA蛋白質，包括生物分子馬達，它都在納米的尺寸上，所以説納米科技它的發展，是未來信息科技與生命科技進一步發展的共同的基礎。

　　它會對生命科技信息科技産生非常重大的影響，還有一個方面，就是説，納米科技它不僅僅是一個未來高技術的問題，高新技術的問題，它也可以促進傳統産業的技術改造，納米技術現在已經滲透到一些傳統的産業中去，也已經形成了相當的市場規模，1993年我們在北京組織了掃描隧道顯微學的國際會議，那麼，這個諾貝爾獎獲得者，Heniroler（羅雷爾），他參加了這個會，這個會議受到江澤民總書記接見，的與會的部分中外代表，那麼他回國以後給江澤民主席寫了一封信，這個信我翻譯了以後，這是其中一段。

　　他講他説許多人認為納米科技僅僅是遙遠的未來基礎科學的事情，而沒有什麼實際意義，但我確信納米科技現在已具有與150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標準，並成為工業革命的技術基礎，最早和最好學會並使用微米技術的國家，都在工業發展中佔據了巨大的優勢，同樣，未來的技術，將屬於那些明智接受納米作為新標準，並首先學習和使用它的國家，我們應當記住，微米技術曾同樣被認為對使用牛耕地的農民無關緊要。

　　他説的確微米與牛和耕犁毫無關係，但它卻改變了工作方式，帶來了拖拉機，這個納米科技的概念最早提出來，是一個諾貝爾獎獲得者物理學家，理查德費因曼，他是美國加州理工學院的教授，他1959年做了一個很激動人心的演講，他説我們加工材料，來製造裝置，他説我們都是從大到小，就是説，我們要加工一個桌子，需要把木頭不斷的切，磨鋸，把它鋸掉再刨光，如果説我們加工一個工具，那車磨洗刨都要來做，都是從大往小裏做，那麼車下來的東西浪費了很多，他説我們知道，人類，目前世界上任何東西，都是由原子分子組成的，包括我們人類自身，包括空氣，大氣、海洋，桌子，麥克風，包括你的茶水，什麼都是原子分子組成的，他説既然都是原子分子組成的，他説我們能不能夠通過一個一個的，把原子放在一起，把原子分子就像磚一樣，蓋房子那樣，我就把它蓋成任何你想要的東西，就是由下至上，bottom-up，我來做你想要的東西。

　　如果這樣的話，你就沒有污染了，因為你需要什麼我就拿什麼放，對不對，而且非常高效率，而且你要是由上往下加工，太小了沒法控制，你可以由下往上長，如果説，一個人，撫養一個小孩，比如從一個受精卵發育到一個孩子，或者從小動物培養，或者你植一棵樹從小長到大，這個大家比較容易理解，都但知道這東西自己都能長出來的，但現在我們不了解這東西，那麼我們如果了解了，我們就可以控制這個事情，是不是就更好。

　　那麼真正提出納米技術這個英文詞的是1974年Taniguchi，他最早用納米技術這個詞，Nanotechnlogy，Nanotechnology這個詞最早使用它完全是為了描述精細機械加工，他説微米，微米技術，微米加工精度不夠，得用納米技術來加工，他只是這麼一個含義，那麼70年代後期，美國麻省理工學院的德雷克斯勒，他提倡納米科技的研究，就是指的剛才説的，通過原子分子組裝來製備裝置。