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。

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。

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。

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”。

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”。

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）》

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。

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。

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。

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。

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。