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无纳米,不未来 – 微米纳米网
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微米和纳米科技材料

无纳米,不未来

纳米(nm),长度单位,一纳米等于十亿分之一米,头发的直径是6万nm,DNA的宽度是2.3nm。任何学科或技术,当其研究或作用的尺度降到100nm之下时,便可称之为纳米科技。

赫拉利在《未来简史》中预言人类终将成为“神”。在人类成“神”的道路上,纳米科技必然是需要藉由的工具。

1. 源起

纳米科技的灵感来自于伟大的物理学家费曼(Richard Feynman)。1959年他发表了著名的演讲《底部还有很大空间(There’s Plenty of Room at the Bottom)》,其观点概括来说是:“我们可以组装单个原子以获得产品”。

这个方法论后来被称为“自下而上法(bottom-up)”。顺带一句,这也是3D打印概念的原点。这篇演讲缓缓拉开了人类新的一幕。

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图1. 理查德·费曼在1959的演讲现场

“纳米技术”作为专用名词被提出是在1974年。在谷口纪男教授给日本精密工程学会一篇报告中,他首次使用了“Nano-techonology”一词。

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图2. “纳米”一词的首次出现

2. 发展

1981年,纳米科技迎来了第一个里程碑:扫描隧道显微镜(STM)的发明。

在IBM的苏黎世实验室,格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔两位科学家,利用一根非常细的金属探针,针尖与物体表面会形成电流,从而探测原子级的微观形貌。他们二人也因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。

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图4. 人类第一次看到纳米尺度的图像:Si(111)晶面。

从此,人类如同睁开了眼睛,开始看到“纳米”。

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图4. 人类第一次看到纳米尺度的图像:Si(111)晶面。

很快,第二个标志性事件出现了:移动单个原子。

1990年,又是IBM,使用STM将35个氙原子排成了“IBM”三个字母。这是人类历史上操控原子来组成“产品”。

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图5. 原子排列成IBM字母

后来,他们还用这种技术拍了一部原子级的电影《小男孩和他的原子(A boy and his atom)》

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图6. 原子电影。

第三个地标事件是:石墨烯的发现。

2004年,英国的海姆(Andre Geim)教授和他的学生诺奥肖洛夫(Konstantin Novoselov),将石墨薄片放置在塑料胶带中, 撕开胶带将薄片分开,不断重复这一过程,得到越来越薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层碳原子构成。于是,石墨烯诞生了。因其巨大的科研价值,仅过了4年,二人就得到了诺贝尔物理学奖。

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图7. 第一片石墨烯

其实,石墨烯之前也有很多堪称伟大的纳米材料体系,比如碳纳米管,富勒烯,量子点等等。但之所以,石墨烯如此重要,是因为有史以来,第一次有一种纳米材料在公众视野中形成了巨大的影响,用妇孺皆知来描述都不为过。并且,短时长内就实现了产业化,目前已经有多家相关的上市公司。

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图8. 撕出“石墨烯”的胶带,上面还有海姆的签名,现存于瑞典诺贝尔奖博物馆

3. 现世

如今,材料,信息,能源构成人类社会的三大支柱,纳米在这三个维度都在发挥着巨大作用。

比如在信息存储领域,IBM可以利用一个原子来进行信息的储存:通过调控Ho原子相对于Fe原子的磁场方向,可以存储“0”和“1”这两种状态。

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图9. 单原子存储信息示意图

在能源领域,现在最热门的太阳能电池,已经不是家家房顶的黑亮亮的晶体硅了。这种晶体硅太阳能电池从20世纪70年代开始研制至今,近50年,光电转换效率最高能达到25%。 目前,最新的研究成果是钙钛矿型太阳能电池,从2009年到2017年的8年间,这种材料的转换效率从3.8%跃升至26%,提高了近8倍。

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图10. 典型的钙钛矿纳米结构

纳米科技是如此重要,以至于人们会经常问这样一个问题:

这个时代会不会被称为纳米时代?

人类会以主要的技术突破来划分世代:石器时代,青铜时代,铁器时代,蒸汽时代,电气时代,互联网时代。 那么,下一个时代会以什么来命名呢?

目前来看,有两个候选人:“纳米”和“人工智能”, Nano vs. AI。

如果选Nano ,有两个关键原因 :

(1)Nano是物质实现功能的最小尺度。

科学的任务是揭示真理,但科技的任务是创造价值。基于现有物理知识,原子操控就是人类能力的边界,并且人类也在不断接近这个边界。近期,IBM开发出了5nm级别的芯片,这被认为是电子器件的极限。因此,人类能够创造社会价值的最前沿就是纳米科技。费曼说“底部还有很大空间”,但现在,人类似乎找到了“底部”的边界。

(2)Nano作为工具是具有确定性的。

人类不知道人工智能是如何运作的。凯文凯利在他的新书《必然》中提出了一个观点:

“人工智能和人类的思维模式在本质上是不同的,人类只是创造,但尚无足够的力量去掌控人工智能。”

如果要大规模应用人工智能,人类将考虑的首要问题是安全性或是适应性。“我们能否适应超越自身的智慧”这是高悬于AI发展的达摩克利斯之剑。与之相对,人类掌握着近乎全部纳米科技的理论基础,包括扩固体物理,分子模拟,量子力学等。当人们谈论“纳米”时,不会感到恐惧或迷茫。当下的任务是如何高效地使用这个工具,创造更大的价值。

不论怎样,人工智能和纳米科技,必然是塑造未来最有力的两只手。

4. 未来

科技的发展有三个阶段:

第一阶段是在科学家的脑子里,

第二阶段是在制造商的手上,

第三阶段是在群众们的嘴里。

互联网已经进入“下半场”,人工智能也开始了风口。那么,下一个希望会不会是“纳米”呢?

让我们拭目以待。

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