纳米科技的迷雾

光明日报科技周刊：

寄上《纳米科技的迷雾》一文。我之所以写此拙文，一方面是因为我认为纳米科技的地位非常重要和特殊；另一方面是注意到目前有关纳米科技的报道非常混乱，担心国家在纳米技术领域的发展会偏离纳米科技发展的主方向。目前，科技界都在关心纳米科技的产业化问题，但实际上纳米科技最核心、最本质的东西即使在实验室里也还没有出现呢，何谈产业化？因此，我认为对这样一个战略性领域的发展，进行必要的学术性讨论，澄清一些基本的关键的问题，是非常必要的。这样才能正确引导纳米科技的发展，为我国科技决策提供准确的信息。

有关纳米科技有许多需要讨论的问题。比如我们对纳米科技的定义、本质和核心的认识仍然模糊不清；关于纳米科技未来的发展趋势及其对科技、工业、农业和国防的影响也需要有一个完整的评价和预测；纳米科技是一个交叉学科领域，科研人力资源的组织以及纳米科技的教育与普及问题应当提到议事日程上来。张永刚

眼下，纳米科技成为一种时髦的术语，充满了各种媒体和民众的谈语之中。一时间，各种名目的纳米科技也如雨后春笋般地冒了出来，甚至“纳米股”也成了最叫响的股票。这一方面反映了我国社会对新事物的接受能力和敏感性大大提高，另一方面也反映了我们社会的浮躁和盲从。

纳米科技的字面意思并不难理解，但要说清楚其真正涵义却不是一件容易的事情。众所周知，“纳米”只是一个长度单位，大约是10个氢原子排列起来的长度。也正因为如此，纳米科技被广泛地定义为纳米尺度空间（如从一纳米至几百纳米）的科学技术。事实也是如此，当科学家和工程技术人员力图在纳米尺度来理解和控制物质的时候，就会发现许多新的现象，发明许多新的技术。如纳米催化剂因大的比表面积使其催化作用大幅度提高。同样道理，纳米炸药也显示出更大的威力。用纳米颗粒粉体制成的纳米材料或具有纳米尺度晶粒的材料会显示出比一般材料更优异的性能。光刻技术的不断进步，已经使芯片的制造技术正在接近或达到100纳米，使计算机的速度越来越快，而体积越来越小。不言而喻，这些科技进步对工业技术发展和社会进步都具有重要意义。然而，这并不是科学家们正在探索研究的纳米科技的核心和本质。正如美国纳米科技的先驱德莱斯勒（K．EricDrexler）所说的，这一切不过都是传统显微加工技术的扩展和延伸而已。它们都是通过采用类似于车床、铣床、钻床等加工设备，通过“切削”材料加工成所需的产品。这种技术统称为“由上到下”或“由大到小”的加工技术。

那么什么是纳米科技的核心和本质呢？纳米科技的核心和本质在于人们创造物质的生产方式将完全不同于自石器时代以来人类用工具创造物质世界的方式，而决不仅仅是一个长度单位所能涵盖的。事实上，纳米科技决不意味着制造纳米尺度的产品，纳米技术产品可以小到分子尺度，大到汽车、飞机，只是制造的方式完全不同罢了。

要理解纳米技术的真正涵义还须从纳米技术思想的起源开始。纳米技术的灵感来自于已故美国物理学家理查德·范曼（RichardFeynman）1959年所作的一次题为《在底部还有很大的空间》的演讲。这位当时在加州理工学院任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求呢？

实际上这一灵感来自于大自然从单个分子，甚至单个原子创造物质的启示。如果把人体分解成组成它的基本单元，我们获得的将是一小桶的氧、氢和氮；一小堆碳、钙和盐；微量的硫、磷、铁和镁；以及微不足道的20种或更多的其他化学元素。它们的总价值可以说是微不足道的。然而，大自然就是采用它们自己的、科学家们称之为纳米工程的方法，把这些廉价的、丰富的、无生命单元转换成具有自生成、自维持、自修复、自意识能力的生灵，可以行走、扭动、游泳，具有嗅觉和视觉，甚至可以思想和做梦，其价值无与伦比。因此，纳米技术就是向大自然学习，力图在纳米尺度精确地操纵原子或分子来制造产品的技术，统称为“由底向上”或“由小到大”的加工技术。

科学家们已经或正在意识到纳米科技将给人类带来的社会变革，正像自来水、电、抗生素和微电子的发明带来的变革一样。他们至少已经认识到了纳米科技可能带来的如下变革。由于可以通过精确地控制原子或分子来制造产品，生产过程将非常清洁，将不产生副产品和废物，甚至可以拆分废旧物的分子或原子，并用他们制造新的产品。通常的材料由于含有大量缺陷或杂质，使其物性远低于其理论值，而采用纳米技术制造的材料可以实现原子的完美占位，最大限度地消除缺陷和杂质，使其物性达到或接近理论值。纳米技术将采用资源丰富的元素来制造产品，如采用空气中的二氧化碳中的碳原子制造完美的金刚石材料，不仅强度会比钢高几十倍，而且重量仅是钢的几十分之一。纳米技术制造半导体材料和器件将更可靠，更稳定。利用纳米技术，人类有可能在原子和分子尺度诊断和治愈疾病，甚至修补细胞。纳米技术将可以制造分子开关和导线，从而将导致一场计算机制造技术革命，使计算机的速度更快，体积更小。

纳米科技的核心技术是“纳米眼”和“纳米手”，即能够观察原子和分子的手段和能够“操纵”原子和分子的“机械手”或“机器人”。1986年获得诺贝尔物理学奖的发明，即扫描隧道显微镜不仅提供了一种新的观察原子的“纳米眼”，而且第一次为人类提供了“纳米手”，尽管到目前为止它的工作效率还实在太慢。IBM公司的科学家们在1990年正是利用这种设备把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母，证明了范曼是正确的。不久，科学家们不仅能够移动单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。人们还设想了各种具有自复制能力的纳米机器人，由简单纳米机器人构成的生产线来生产复杂的纳米机器人，再由复杂的纳米机器人构成的生产线来生产产品等，但这些设想即使在实验室里仍然还是一个设想。1996年获诺贝尔化学奖的C60和1991年纳米碳管的发现大大推动了纳米科技的发展。由碳原子精确排列构成的纳米碳管是制造纳米机器和纳米电子器件的理想材料。

纳米科技在二十年前还一般被认为是科学幻想，十年前开始被人们广泛接受，到九十年代末人们已开始感觉到它的挑战。美国总统科技助理雷恩博士（NealLane）于1998年提出了“国家纳米技术起动”计划（简称NNI计划）。随后，美国总统科学技术顾问委员会于1999年底写信给克林顿总统说：“现在是行动的时候了”。于是，克林顿于2000年1月21日在加州理工学院发表演讲，呼吁国会批准为这项计划拨款4．95亿美元。有人把这项计划称为新的“曼哈顿”计划。

科学家们认为，目前制造芯片的光刻技术将在未来5到10年中达到极限，寿终正寝。美国人已经认识到这一点，因此寻找一种新的技术就迫在眉睫了。