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“千人专家”王中林:螺蛳壳里做道场

来源:光明日报 作者:李盛明 2017-06-21 10:46:01
内容摘要: 日前,中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林接受了专访,介绍了国际上纳米科技的发展历程和自己最新的研究成果。

光明图片/视觉中国


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  计算机工业飞速发展,芯片制造工艺在不知不觉中就从90nm进化到了14nm,摩尔定律在20多年的时间里大行其道,意义非凡。要知道,人们最初接触纳米这个词多少都和购买与使用计算机相关。但现如今,纳米这个词已经深入到人类生活的方方面面了。一个镜头想要强调自己的高技术标准,会标称自己使用了纳米镀膜;厨房使用的清洁用品也会被标上纳米技术,以彰显其去污能力。

  鲜有人知,早在二十世纪五六十年代,人们就提出了“纳米”的概念。纳米科技从一个宏观的理论和概念,广泛渗透到了人们微观的生活中,是科技领域的成功典范。那么,纳米科技到底经历了怎样的发展才体现出强大的生命力,并且形成了相当可观的产业化能力呢?

  日前,中国科学院外籍院士、欧洲科学院院士、中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家王中林接受了本报记者的专访,介绍了国际上纳米科技的发展历程和自己最新的研究成果。

  A.纳米技术:从灵感到概念

  王中林介绍说,纳米一词真正被世界广泛关注肇始于1959年12月9日。那一天,美国理论物理学家理查德·费曼在美国物理学会上作了一个题为《在底部还有很大空间》的报告。当时,费曼用了一个“科幻小说式”的演讲提出了一个理论,就是制造物品可以以单个分子甚至原子为基本单位进行组装,以达到设计要求。费曼说:“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。”并预言,“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话,将极大地扩充我们获得物性的范围。”这被视为是纳米技术概念的灵感来源。

  费曼很有远见,随着物理尺寸的减小,一系列的物理现象就显现出来,包括统计力学效应和量子力学效应。同宏观系统相比,物质的许多物理性质在纳米的尺度下会发生改变,一个典型的例子就是材料的表面体积比。广义上讲,纳米技术是科学和技术在理解和制造新材料新器械方向上的推演和应用,这些新材料和技术大体上就是物理性质在微尺度上的应用。

  王中林说,真正提出“纳米”这个概念的时候已经到了20世纪80年代末、90年代初。1983年到1987年时,王中林还在读博士,当时做的课题就是小纳米颗粒。他说,那个时候还不叫“纳米颗粒”,就叫“小粒子”(small particle),现在才叫“纳米颗粒”(nanoparticle),其实就是一个东西。人们一直以来就对微小粒子很感兴趣,但最初主要是对于结构和性能层面的研究。从科学的角度来看,相比于大块的粒子,小粒子的性能是不是会有不同?它的结构是不是也与大块粒子的结构有异?我们现在知道,当粒子非常小的时候,它的晶体结构就不一定是立方结构或六方结构了,而会发生变化。“当时我研究的方向是显微学,就是看原子和分子结构的。”之后,由于微电子发展到了纳米级,因此微小颗粒的研究相应地也就提升到了技术层次。

  我们现在的集成电路使用的都是硅技术,那么当计算机芯片、晶体管的尺寸一缩再缩的时候,就出现了微小粒子的研究还能走多远、还能走多少年的问题。人们迫切地想知道,晶体管到底可以做到多小,物理极限在哪里。这就到了90年代,“纳米技术”“纳米科学技术”的概念就真正普及开来了。

  B.美国政府对纳米科技的强烈兴趣

  1999年,美国克林顿政府提出了“National Nanotechnology Initiative”(美国国家纳米技术计划)。自从美国提出这一计划之后,在世界范围内都开始兴起一股纳米研究的风潮,并带动了化学、材料学、物理学、生物学以及之后电子学的跨学科技术的发展。

  政策的引导是引导经费的走向,美国国家纳米技术计划就是这样的一种引导模式。王中林说:“我们作研究,没有支持是不行的。只有大的支持才有大的产出,大的政策指导会带动大的经费投入,而只有大的经费投入,人们才能有机会深入研究,因此政府的导向极其重要。政府需要有一批非常优秀、具有前瞻性的科学家做它的顾问。”

  纳米技术的尺寸概念极大地将不同领域的科学家们会聚在了一起。一纳米等于千分之一微米,一微米又等于千分之一毫米。我们头发丝的宽度是50000纳米,所以纳米是一个非常小的长度单位。在这个尺度范围内,研究原子物理的物理学家感兴趣,研究分子化学的化学家感兴趣。与此同时,随着摩尔定律的发展,电子学、工程学、材料学的专家都对纳米科技的新发展有着强烈的兴趣,大家都想知道芯片的性能和尺寸能小到怎样的极致。

  王中林介绍说,纳米科技的发展有以下几个不同的阶段:先是纳米颗粒,然后到碳纳米管、量子点、纳米线,石墨烯、再到纳米发电机等等,这一系列的发展都有明确的应用导向。“过去我会给人们讲纳米多神奇,现在我会给人们讲纳米能解决什么问题。标题是有时间阶段的,但是它的应用是无限的、是有长久生命力的。”

  纳米科技的发展对人类最大贡献不只是生产了性能更好尺寸更小的芯片,它的积极意义集中体现以下几个方面:第一,带动了跨学科技术的发展;第二,带动了人类对微小技术的认识,并促进了相关技术的发展;第三,在人才培养方面,为教育提出了一种交叉学科人才培养的新模式。

  C.超越非定律的摩尔定律

  随着单个硅芯片上的器件密度每18个月就增加1倍,提升CPU速度以及集成片上的系统功能成为IT技术的主要发展方向。然而,当微电子工艺接近10nm时,晶体管的尺寸趋近了物理极限。

  王中林说,“摩尔定律”其实并不是一个定律,它是戈登?摩尔1965年时在一篇三五页的文章中首次提出的。摩尔认为,每18个月同一芯片上器件的密度会翻一番,并把这一结果作为世界微电子领域中度量的标准。英特尔公司利用强大的财力(戈登·摩尔是英特尔公司的创始人之一),一直推动着科学技术的发展按着这着速度向前迈进。其他人只有跟上这一步伐,才能紧跟世界潮流,如果跟不上就被淘汰。所以,正是英特尔公司强大的经济支持,才维持了技术上的领先地位。但是,这种技术的领先并不是一种“自然法则”,我们现在所指称的“摩尔定律”其实是在经济驱动下形成的。任何原则都有自己的边界,摩尔定律也不例外,它一定会有发挥效用的极限,这也是一种“自然规律”。因为三极管的尺寸小到一定程度就不能再小了,单个原子当然是不可能做成一个三极管的。所以,小到一定程度之后,科技追求的方向就必然不是使它一直小下去。在极限到来之前,人们可以去做一些下游的东西,也只有这样才能够实现科学技术的弯道超车。

  王中林认为,“后摩尔定律”时代,科技界发展的方向应该是使产品更加功能化:个性产品、携带式产品、柔性产品等都是未来的发展方向,而纳米技术正好可以发挥其威力。用“速度+功能化”的理念推进,人们才可以超越“摩尔定律”。从面向未来的角度来看,未来纳米科技的发展集中体现在以下五大阶段:一是纳米材料;二是材料的表征;三是纳米器件;四是阵列性;五是系统集成。纳米技术未来必须要有一个应用的出口,才能全面造福人类。基于这一点可以预见,未来纳米技术的发展形象将日益“微小集成化”“无线移动化”“功能智能化”和“自驱动化”。这些发展趋势可能人们还没有完全认识到,但是随着时间的推移,新科技想必会向这些方向发展。

  D.神奇的摩擦纳米发电机

  作为纳米研究领域的顶尖科学家,王中林院士一直走在科学的最前沿,他认为传感器网络和个性化医疗服务将成为近期产业界的主要驱动力。王中林创立了“压电电子学与压电光电子学”,并利用摩擦起电和摩擦发电的原理研制了“摩擦纳米发电机”,这两项科研成果有望在很多领域实现贴近生活的应用。王中林说,未来很多装置在身体中的医疗器械就不再需要电池了,因为自驱动本身就是一种可以实现自己发电的技术,这一技术还可以推广使用在安防和老年人监护等方面。

  王中林说,纵观人类心脏起搏器的发展历史,可以发现,设备一直在往小型便携化的方向发展。现在,最新的心脏起搏器已经可以直接植入人的心腔里了,但是即便这样,它还是要使用电池。而之后发展的方向就是不再用电池,让心脏起搏器“自驱动化”。当人在呼吸或者心肌活动的时候,它都是一种“动”。摩擦发电机对这种低频的信号非常敏感,利用这一特征,人们可以将发电机设在内胸腔上。这样一来,人在呼吸时所产生的伸缩和扩展运动就足够提供发电的动能了。王中林骄傲地说,这一理论已经在老鼠和猪身上验证过。可以想见,当这种医疗设备不需要电池之后,器械本身就能够变得更小,这不仅可以降低手术的难度,而且也会减少病人因手术而产生的损伤。

  王中林兴奋地介绍说,摩擦纳米发电机的应用相当广泛。比如,把它安装在键盘底下,感受人们在打字敲击键盘的频率和力度,就可以把人的打字习惯记录下来,转变成电信号。这种信号就像人们的指纹一样,是不可复制的,这就可以为信息的安全以及系统的保护提供一种新的途径和可能。

  此外,王中林还提出了一个“蓝色能源”的概念,他利用摩擦纳米发电机的原理,为人类收集利用海洋能源提供了新的解决方案。他说,人类现在发电所使用的原理都是电磁发电,为了收集水能而修建大坝、将水流聚集起来。但是,水流波动所产生的能量却是无法收集的,可是海洋广袤无垠,这种波动本身就是一种巨大的能量。电磁发电很难将这些波动的能源收集起来,因为电磁发电机很沉,在自然状态下它会沉下去,所以需要修建一座塔将它顶起来,但是这样造价就会很高。人类长期以来关于波动能源的收集一直没有有效的解决办法。“而我们将摩擦发电机做成了球形,像网球一般大小。通过球中套球,外层的球在水中随波浪晃来晃去,里边的球也随波动晃来晃去,就会产生发电所需的能量。并且因为它是球体,所以是无规则的,哪个方向都可以。通过发电球积少成多的规模效应,收集波动能量并发电的可能性大大提高了。”

  王中林强调,科学家不应仅仅当“学究”,当代的科学家应该有战略思维和前瞻思维,也正是在这种思维的引领下,才取得了许多重要的研究成果。很多人常常抱怨没有经费、没有人员,只能靠自己努力。但是,在很多情况下并不是经费多了才有原创,其实“穷则思变”。“我在研究的过程中就遇到过很多艰辛的时刻,但无论有多么的艰辛,我都没有丧失过对成功的信心。这种不可战胜的信心是科学研究中最重要的品质。”

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