王中林纳米科技：螺蛳壳里做道场

随着计算机产业的飞速发展，芯片制造技术已经从90纳米无意识地发展到14纳米。摩尔定律已经流行了20多年，意义重大。你知道，人们最初接触纳米这个词或多或少与购买和使用电脑有关。但是现在，纳米这个词已经渗透到人类生活的方方面面。一个镜头想要强调自己的高科技标准，名义上将使用纳米涂层。厨房使用的清洁产品也将贴上纳米技术标签，以展示其去污能力。

很少有人知道，早在20世纪50年代和60年代，人们就提出了“纳米”的概念。纳米技术已经从宏观理论和概念渗透到人们的微观生活中，是科学技术领域的一个成功典范。那么，纳米技术经过了怎样的发展，才显示出强大的生命力，形成了可观的产业化能力呢？

近日，中国科学院外国院士、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忠林接受《光明日报》记者专访，介绍世界纳米技术发展及其最新研究成果。

明亮的画面/视觉中国

纳米技术:从灵感到概念

王忠林说，自1959年12月9日以来，“纳米”这个词确实引起了全世界的关注。那天，美国理论物理学家理查德·费曼发表了一篇题为《美国物理社会的底层仍有很大空间》的报告。当时，费曼用一篇“科幻小说”的演讲提出了一个理论，即人造物品可以用单个分子甚至原子作为基本单元来组装，以满足设计要求。费曼说:“至少在我看来，物理定律并不排除一个原子一个原子地制造东西的可能性。”并预言“当我们控制小尺寸的物体时，我们将大大扩展我们所获得的物理性质的范围。”这被认为是纳米技术概念的灵感。

费曼很有远见。随着物理尺寸的减小，出现了一系列物理现象，包括统计力学效应和量子力学效应。与宏观系统相比，物质的许多物理性质会在纳米尺度上发生变化。一个典型的例子是材料的表面体积比。从广义上讲，纳米技术是科学技术在理解和制造新材料和新仪器方面的演绎和应用。这些新材料和新技术基本上是物理性质在微观尺度上的应用。

王忠林说，在20世纪80年代末和90年代初，提出“纳米”概念的时候到了。从1983年到1987年，王忠林仍在攻读博士学位，当时他的研究对象是小纳米粒子。他说，在那个时候，它不是被称为“纳米粒子”，而是“小粒子”。现在它被称为“纳米粒子”，实际上是一种东西。人们对微小粒子感兴趣已经有很长时间了，但起初他们主要研究的是结构和性能。从科学的角度来看，小粒子的性能与大粒子的不同吗？它的结构也不同于大粒子吗？我们现在知道，当一个粒子非常小时，它的晶体结构不一定是立方体或六边形，而是会改变。"那时，我的研究方向是显微镜，即观察原子和分子结构."此后，由于微电子技术发展到纳米水平，对微小粒子的研究也相应地提升到了技术层面。

明亮的画面/视觉中国

我们目前的集成电路使用硅技术，所以当计算机芯片和晶体管的尺寸一次又一次地缩小时，问题就出现了，微小粒子的研究能走多远，能走多长时间。人们渴望知道晶体管有多小，物理极限在哪里。20世纪90年代，“纳米技术”和“纳米科技”的概念变得非常流行。

美国*对纳米技术的浓厚兴趣

1999年，克林顿*提出了“国家纳米技术倡议”。自从美国提出这一计划以来，纳米研究的浪潮已经开始在世界范围内兴起，并导致了化学、材料科学、物理、生物学以及后来的电子学中跨学科技术的发展。

政策指导是引导资金的方向，美国国家纳米技术计划就是这样一种指导模式。王忠林说:“没有支持，我们无法进行研究。只有大的支持才能产生大的产出，大的政策引导才能带动大的投资，只有大的投资才能给人们进行深入研究的机会，所以*引导极其重要。*需要一群非常优秀和有远见的科学家作为顾问。”

明亮的画面/视觉中国

纳米技术中的尺寸概念聚集了来自不同领域的科学家。一纳米等于千分之一微米，一微米等于千分之一毫米。我们头发丝的宽度是50000纳米，所以纳米是非常小的长度单位。在这个范围内，研究原子物理学的物理学家感兴趣，研究分子化学的化学家感兴趣。同时，随着摩尔定律的发展，电子、工程和材料科学专家对纳米技术的新发展产生了浓厚的兴趣。每个人都想知道芯片的性能和尺寸有多小。

王忠林说，纳米技术的发展有以下不同阶段:首先是纳米粒子，然后是碳纳米管、量子点、纳米线、石墨烯，然后是纳米发电机。该系列的开发具有明确的应用方向。“我过去常常告诉人们纳米有多神奇，现在我会告诉人们纳米能解决什么问题。标题有一个时间段，但它的应用是无限的，并具有长期的生命力。”

纳米技术的发展对人类最大的贡献不仅仅是生产出性能更好、尺寸更小的芯片，其积极意义还体现在以下几个方面:一是促进了跨学科技术的发展；第二，它促进了对微技术的理解和相关技术的发展。第三，在人才培养方面，提出了教育跨学科人才培养的新模式。

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个月翻一番，提高集成芯片上的处理器速度和系统功能已成为信息技术的主要发展方向。然而，当微电子工艺接近10纳米时，晶体管的尺寸接近物理极限。

王忠林说，“摩尔定律”不是定律，是戈登？1965年，摩尔在一篇35页的文章中首次提出了这个想法。摩尔认为同一芯片上的器件密度每18个月就会增加一倍，并把这一结果作为世界微电子领域的测量标准。英特尔公司凭借其强大的财政资源(戈登·摩尔是英特尔公司的创始人之一)，一直以这种速度推动着科学技术的发展。只有跟上这一步，其他人才能跟上世界潮流，如果跟不上就被淘汰。因此，英特尔强大的经济支持保持了其在技术领域的领先地位。然而，这种技术的前沿并不是“自然法则”，我们现在所说的“摩尔定律”实际上是在经济的驱动下形成的。任何原则都有它自己的界限，摩尔定律也不例外，它肯定会有它的效力限度，这也是“自然法则”。因为三极管的尺寸太小了，不可能再小了，所以单个原子肯定不可能构成三极管。因此，当它小到一定程度时，科技追求的方向不一定是保持它小。在达到极限之前，人们可以在下游做一些事情，只有这样，他们才能在科技的曲线上超越。

王忠林认为，在“后摩尔定律”时代，科技发展的方向应该是使产品更具功能性:个性化产品、便携式产品、柔性产品等都是未来的发展方向，纳米技术只能发挥其威力。只有推进“速度+功能化”的概念，人们才能超越“摩尔定律”。从未来的角度来看，未来纳米技术的发展集中在以下五个阶段:第一，纳米材料；第二是材料的特性。第三，纳米器件；第四个是数组。第五，系统集成。为了造福全人类，纳米技术将来必须有应用出口。基于此，可以预测纳米技术的发展形象将日益“微集成”、“无线移动”、“功能智能”和“自我驱动”。这些发展趋势可能没有被人们完全认识到，但是随着时间的推移，新技术肯定会朝着这些方向发展。

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，王忠林院士一直走在科学的前沿。他认为，传感器网络和个性化医疗服务将在不久的将来成为该行业的主要驱动力。王忠林创立了“压电电子学和压电光电子学”，并根据摩擦起电和摩擦发电的原理开发了“摩擦纳米发电机”。这两项科研成果有望在许多领域实现贴近生活的应用。王忠林说，在未来，许多安装在人体内的医疗设备将不再需要电池，因为自动驾驶是一种可以自己发电的技术，这项技术也可以广泛应用于安全和老年人监测。

王忠林说，纵观人类心脏起搏器的发展历史，可以发现该设备一直朝着小型便携的方向发展。现在，最新的心脏起搏器可以直接植入人体心脏，但即便如此，它仍然需要使用电池。未来的发展方向是停止使用电池和“自动驱动”心脏起搏器。当一个人呼吸或心肌活动时，这是一种“运动”。摩擦发生器对这种低频信号非常敏感。利用这个特征，可以将发生器放置在胸腔内。这样，由人类呼吸产生的膨胀和收缩运动足以为发电提供动能。王忠林自豪地说，这个理论已经在老鼠和猪身上得到了验证。可以想象，当医疗设备不需要电池时，设备本身可以变得更小，这不仅可以降低手术的难度，还可以减少手术造成的伤害。

王忠林兴奋地说，摩擦纳米发电机被广泛使用。例如，通过将它安装在键盘下，感受人们在键盘上打字的频率和强度，人们可以记录下自己的打字习惯，并将它们转换成电信号。这种信号就像人的指纹一样，是不可复制的，为信息安全和系统保护提供了新的途径和可能性。

此外，王忠林还提出了“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和利用海洋能源提供了新的解决方案。他说人类现在用来发电的原理是电磁发电。为了收集水能，建造了水坝来收集水流。然而，水流波动所产生的能量是无法收集的，但波动本身就是海洋中的巨大能量。电磁发电很难收集到这些波动的能源，因为电磁发电机很重，在自然条件下会下沉，所以有必要建造一座塔把它顶起来，但成本会很高。长期以来，一直没有有效的方法来收集波动的能量。“我们把摩擦发生器做成球形，有网球那么大。通过球内的球，外层的球随着水中的波浪摇摆，内层的球随着波浪摇摆，从而产生发电所需的能量。因为它是一个球体，所以它是不规则的，可以向任何方向移动。通过产生积累较少而积累较多的球的规模效应，收集波动能量和发电的可能性大大提高了。”

王忠林强调，科学家不应该只是“学究”。当代科学家应该具有战略思维和前瞻性思维。正是在这一思想的指导下，取得了许多重要的研究成果。许多人经常抱怨他们没有资金或人员，只能依靠自己的努力。然而，在许多情况下，创意并不来自更多的资金。事实上，“贫穷导致变化。”“在我的研究过程中，我遇到过许多困难的时刻，但不管有多困难，我从未对成功失去信心。这种不可战胜的自信是科学研究中最重要的品质。”