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访中国科学院外籍院士王中林:纳米科技,螺蛳

发布时间:2017-12-03 阅读:

  中国科学院外籍院士王忠林访谈:纳米科学技术,螺旋壳做Dojo - 新闻中心 - 科学网

  明亮的图片/视觉中国

  【环球科技】

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  计算机产业的飞速发展,芯片制造工艺不知不觉地从90nm发展到了14nm,摩尔定律在二十多年流行,意义非凡。要知道,人们最初都接触到了纳米技术这个词和购买和使用电脑但现在纳米已经深入人类生活的各个方面,一个想要强调自己的高科技标准的镜头会声称它使用了自己的纳米涂层,厨房里使用的清洁产品也会用纳米技术标记以证明其去污能力。

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  很少有人知道,早在二十世纪五六十年代,人们就提出了纳米技术的概念。从宏观的理论和观念来看,纳米技术已经广泛渗透到人们的微观生活中,是科学技术领域的一个成功范例,所以纳米技术最终经历了怎样的发展才显示出强大的生命力,具有相当可观的工业化能力?

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  近日,中科院院士,外国院士,欧洲科学院院士,中国科学院北京纳米能量与系统研究所首席科学家王忠林接受了本报记者的采访,介绍了国际纳米技术的发展历程和他的最新研究成果。

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  A.纳米技术:从启发到概念

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  王忠林说,自1959年12月9日以来,纳米技术这个词真的引起了全世界的关注。当天,美国理论物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在美国物理研究所做了一个题为“底部还有很大空间”的报告。当时,费曼用科幻小说的话来提出一个理论,即制造的物品可以用单个分子甚至原子组装成为基本单元来满足设计要求。费曼说:至少,在我看来,物理定律并不排除一个原子可以通过原子制造一个物体的可能性。并预测,当我们控制小尺寸的对象时,我们将大大扩展我们获取物理属性的范围。这被视为纳米技术概念的灵感来源。

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  费曼是非常有远见的。随着物理尺寸的减小,出现了一系列物理现象,包括统计力学和量子力学。与宏观体系相比,物质的许多物理性质在纳米尺度上变化。一个典型的例子就是材料的表面体积比,从广义上说,纳米技术是科学技术在理解和制造新材料和新材料方面的推论和应用,这些新材料和新技术一般是应用物理性质在微观尺度上。

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  王忠林说,现在纳米技术的概念已经到了八十年代末和九十年代初的时候了。从1983年到1987年,王忠林还在攻读博士学位,当时的课题是小纳米粒子。他当时说,这不是一个纳米粒子。它被称为小颗粒。现在被称为纳米粒子,这实际上是一个东西。人们长期以来一直对微小颗粒感兴趣,但主要用于结构和性能研究。从科学的角度来看,小颗粒的性能与大颗粒相比没有什么不同?它的结构是否也不同于大颗粒的结构?我们现在知道,当粒子非常小时,其晶体结构不一定是立方体或六边形结构,并且会改变。那时候我的研究方向是显微镜,就是看原子和分子结构。从那时起,由于微电子技术向纳米级发展,因此细颗粒的研究也相应地上升到了技术水平。

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  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缩小时,微小颗粒的研究能走多远,走多少年?人们渴望知道晶体管有多小,以及物理极限在哪里。到20世纪90年代,纳米科学技术在纳米技术中的概念得到了真正的普及。

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  B.美国政府对纳米技术的浓厚兴趣

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  1999年,美国克林顿政府提出了国家纳米技术倡议(National Nanotechnology Initiative)。自从美国提出这个计划以来,世界范围内出现了一个纳米技术研究的浪潮,导致了化学,材料科学,物理学,生物学和后来电子学的跨学科技术的发展。

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  政策引导是引导资金走向,美国国家纳米技术计划就是这样一个引导模式。王忠林说,如果我们搞研究,就不会没有支持。只有大的支持才有大的产出,大的政策导向才会导致大的投资,只有投入大的人才有机会深入学习,所以政府的引导是非常重要的,政府需要一批非常好的,前瞻性的科学家作为他的顾问。

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  纳米技术的规模概念极大地将不同领域的科学家聚集在一起。一纳米等于千分之一毫米,一微米等于千分之一毫米。我们头发的宽度是5万纳米,所以纳米是一个非常小的长度单位。在这个尺度上,有兴趣研究原子物理的物理学家对从事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,材料科学方面的专家对纳米技术的新发展都非常感兴趣,我们都想知道芯片的性能和尺寸是如何的小尽可能。

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  王忠林说,纳米技术的发展有以下几个阶段:一是纳米粒子,再到碳纳米管,量子点,纳米线,石墨烯,再到纳米发生器等等,这一系列的发展有着明显的应用 - 导向。过去我会给人以纳米说话的魔力,现在我会告诉人们什么可以解决纳米问题。标题是分阶段的,但它的使用是无限的,并具有长期的生存能力。

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  纳米技术发展的最大贡献不仅产生了较小的芯片尺寸,其积极意义体现在以下几个方面:一是导致跨学科技术的发展;二是引发人类微观技术意识,促进相关技术的发展;三是在人才培养方面,提出了跨学科人才培养的新模式。

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  C.超越摩尔定律的规律

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  由于单芯片上的器件密度每18个月增加18倍,因此提高CPU速度和集成片上系统功能已成为IT技术的重大进步。但是,随着微电子工艺接近10nm,晶体管尺寸接近物理极限。

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  王忠林说,摩尔定律事实上并不是一个法则,它是1965年在一篇35页的文章中首次提出的。摩尔认为,同一芯片上的器件密度将每18个月翻一番,并使用它作为衡量世界微电子的标准。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),一直在推动科技发展,按照这个速度向前发展。只有跟上这个步伐,其他人才能跟上世界的潮流,跟不上。因此,这是英特尔强大的经济支持,保持了自己的技术领先地位,但是这项技术的领先并不是自然规律,现在我们所说的摩尔定律实际上是在经济的驱动下形成的,任何原则都有自己的界限,摩尔定律也不例外,它肯定会有最终的效用,这是一种自然规律。由于晶体管尺寸小到一定程度不能再小,当然单个原子就不能制成晶体管。所以,在一定程度上,追求科技的方向并不一定要保持下去。在极限到来之前,人们可以做一些下游的事情,只有这样科学技术才能超车。

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  王忠林认为,摩尔定律时代以后,科技界的发展方向应该是使产品更具功能性:个别产品,便携产品和柔性产品是未来的发展方向,纳米技术可以发挥其作用以速度+功能进步的概念,人们可以超越摩尔定律。从未来的角度来看,纳米技术的未来发展主要集中在以下五个阶段:一是纳米材料;其次,材料的表征;第三,纳米器件;四是阵列;五是系统集成。纳米技术在未来必须有出口的应用,才能充分造福人类。基于此,可以预见的是,未来纳米技术发展的形象将越来越多地被无线移动功能越来越小的整合所智能化和自我驱动。这些趋势可能尚未完全了解,但随着时间的推移,新技术必定会在这些方向发展。

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  D.神奇的摩擦纳米发电机

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  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前沿,相信传感器网络和个性化医疗服务将成为近期行业的主要推动力量。王忠林创立了压电电子学和压电光电子学,并利用摩擦充电和摩擦发电的原理开发了摩擦纳米发电机。这两项成果有望在许多领域得到应用。王忠林说,医疗器械身体中的许多器件的未来将不再需要电池,因为自我驱动本身就是一种可以实现自身发电的技术,该技术也可以用于促进安全性和老人的监护权等等。

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  王忠林说,从人体起搏器的发展历史来看,我们可以看到,这些器件已经向小型便携式设备发展。现在,最新的起搏器已经可以直接植入人的心脏,但即使如此,它仍然使用电池。然后发展的方向是不再使用电池,让起搏器自我驱动。当人们呼吸或心肌活动时,这是一个举动。摩擦发生器对这个低频信号是非常敏感的,有了这个功能,可以把发生器放在内部的箱子里。因此,呼吸时产生的伸展运动足以为发电提供动能。王忠林自豪地说,这个理论已经在小鼠和猪身上得到验证。可以想象,当医疗设备不需要电池时,设备本身可以更小,这不仅可以减少手术的难度,而且还可以减少因手术和伤害而造成的病人。

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  王忠林兴奋地说,摩擦纳米发电机被广泛使用。例如,将键盘安装在键盘上,感受键盘打字的频率和强度,可以记录人们的打字习惯,并将其转化为电子信号,这种信号就像人的指纹一样,不可能是复制,为信息安全和系统保护提供了新的途径和可能性。

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  另外,王忠林也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对海洋能源的采集和利用提供了一个新的解决方案,他说现在人类利用发电的原理是电磁发电,为了收集水的能量和建造大坝,水流一起流动,但水流波动产生的能量不能被收集,而是广袤的海洋,波动本身就是一个巨大的能量,电磁能量很难收集到这些波动能量来源,因为电磁发电机很重,在自然状态下会下沉,所以需要建一个塔来举起它,但是这样做成本很高,没有有效的办法来收集波动的能量人类很长一段时间,而且我们把摩擦发生器做成了一个网球的大小的球体,通过球内的球,外面的球在波浪中摇晃着,球在摇摆的同时也会产生发电所需的能量。而且因为它是一个球体,它是不规则的,哪个方向是好的。发电球的放大效应大大增强了收集波动能量和发电的潜力。

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  王忠林强调,科学家不仅要学习研究。当代科学家应该有战略思想和前瞻性思维。正是在这个思想的指导下,取得了许多重要成果。很多人经常抱怨没有资金,没有人,只能靠自己的努力。但是,在很多情况下,花钱是不正确的。事实上,变化是不好的。我在研究中遇到了很多困难的时刻,但是不管我有多辛苦,我都没有失去对成功的信心。这种无敌的信心是科学研究中最重要的素质。

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  (记者李胜明)

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