2002年9月6日　走近纳米材料　(张泽、秦禄昌)-第1部分

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　　　　　　　　　　　　　　主讲人简介

　　　　　　　　　　　　　　张泽，天津人，1987年在中国科学院沈阳金属研究所获博士位。凝聚态物理中心研究员，博士导师。国际会议论文40余篇，国内学术期刊10余篇，英文学术专著1部。曾获“国家自然科学一等奖”、首届　
　　　　　　　　　　　　“中国青年科学家奖”、首届“吴建雄物理奖”　、“求是”基金优秀青年学者奖等8项科技奖励。

　　　　　　　　　　　　　　秦禄昌，男，1994年获美国麻省理工学院材料科学博士学位。1978年考入中国科技大学少年班，毕业后，考入中国科学院金属研究所，获美国西北大学工学硕士及美国麻省理工学院科学博士学位。

　　　　　　　　　　　　　　自1994年起，在《自然》等国际专业学术刊物上发表论文50余篇，是最小纳米碳管（直径为0．4纳米）的发现者。

　　　　　　　　　　　　　　纳米技术这几年特别受人关注，它给我们的生活会带来什么样的影响，为此，我们专门请到了两位纳米技术专家，一位是中国科学院院士张泽先生，大家好，另外一位是远道从美国专程回来参加我们科技周活动，秦禄昌博士，大家好。

　　在我们节目正式开始之前，我希望问大家几个问题，大家那位观众知道什么是纳米技术，那位观众朋友能给我们解释一下。

　　纳米就是10个负次方米，这问题您再重说一下，十的负九次方米，所以就是把原子在这个等级上做出的一些材料，一些东西，您旁边的那位男同学，现在的纳米技术是在10的负十次方面的这个数量级上，十的负九次方面对原子进行排列，加工使它具有某种特殊的性能，这种技术。

　　我再接着问一下这位男同学，我们这几年，经常在广告中能够看到，有什么纳米水，纳米冰箱，纳米住宅，您觉得这是真的纳米技术吗，我觉得有很大的悟道，比如说纳米冰箱吧，觉得一听这个名字好像很新鲜，结果后来所得知，在内土层用了一层纳米技术处理过的原料，所以就叫纳米冰箱，实际上没什么革命性的突破，我觉得这是一个很大的悟道，给他点鼓励。

　　我们下边能不能再请一二三，第三排那位戴眼睛的男同学您回答一个问题，这边，一二三，对您，您请站起来，谢谢。在您的印象中，纳米技术有那些应用范围，能不能举一个实例，好像在航天上边有，主要是这两年听纳米技术挺多的，然后媒体报道说，它主要用炒作，商家炒作，我想听两位专家的发言之后，我觉得我应该更加了解一些，您现在对纳米技术了解到什么程度，我知道它是十的负九次方原子的排列，就是用微观里边的一些技术至于到底我也知道它的应用范围非常广泛，到底怎么应用我也不知道，咱们能不能约定一下，听完两位专家的报道之后，您才阐述一下什么是纳米技术，您对纳米技术有什么设想，我们约定一下好吗，行。给他点鼓励。

　　张院士刚才听完这几位观众朋友的话，您有什么感想，您认为他们认为的纳米技术定义对不对。

　　我觉得他们基本的了解是对的，比如说它首先是个尺度的概念，在这个尺度下会发生和我们以前所了解的物质的性能有什么不同，这恐怕是需要我们科技工作者和大众共同来探讨的问题，特别是科技工作者的责任。

　　那您认为刚才观众朋友提到的纳米冰箱是不是纳米冰箱。

　　因为刚才有一位提到，现在我们很多媒体上有一些介绍，出于商业上的需求，出于商业上的理解，恐怕都有一段距离，是不是一定要有什么纳米A，纳米B，纳米这个，纳米那个，我倒觉得不一定，有冰箱用到某个部件上，用到一点材料，能够体现它和常规材料有不同的性能，我想这还是个冰箱，你为什么一定要管制为纳米冰箱，纳米洗衣机，纳米这个，我本人比较保守，我倒觉得不一定，关键看你的功能，至于材料用到那一类材料，在这个尺度下有什么新的性能，我想这个倒是一个实际的问题，从我们搞科研的角度来讲，应该如实的告诉使用者，告诉消费者，用了这些材料有那些好处，那就够了，至于商业的角度讲，给一个完全新的概念，如何促使消费，如何促使它走出，或者如何得到更大的市场，那是另外一回事，我想这恐怕有距离。

　　秦博士我知道您在国际上从事纳米研究已经很多年了，而且曾经研制出世界上最小的碳纳米管，那据您的了解，在国际上对纳米技术的确切定义是什么呢。

　　在英语世界里面，最权威的定义莫过于英语标准字典，如果你看2000年出版的韦氏英语大辞典的话，如果您查纳米技术这个项目，你会发现它的定义还是科学幻想，那么实际上说明两个问题，一个是说编字典的多数都是文字界的专家，他们一方面比较保守，他们总是从最初开始定义一个字之后，他们会很难改变这个字的定义，那么纳米技术这个字最初是70年代提出来，那么当时是完完全全作为一种科学幻想，当时有很多科学幻想小说，或者是相关的东西提出来，那么纳米技术这个字。

　　比如说当时说把潜艇做的非常非常小，然后进入你的血管里边，帮助你缝合伤口，清除垃圾。

　　对也有很多科学幻想电影出来，这是纳米技术，但是从另一个角度讲，从80年代以后，人们发现慢慢人们不仅可以在原子分子水平上认识物质世界，发现人们可以通过合适的手段，来操纵尽管不能完完全全做到100％，可以操纵物质世界，那么使得想象中的纳米技术，变得人们几乎可以掌握的一门技术，这是纳米技术有了新的发展，使人们可以似乎可摸可触，是现实的，不完完全全是幻想的。

　　刚才秦博士讲到直接操纵原子和分子，构成你所希望的一个器件，我记得您以前研究的特别透彻，当初在上个世纪90年代初期的时候，美国IBM公司用原子拼出了IBM字样，咱们中国科学家也用原子拼出了中国两个字。

　　我想呢，纳米科学和技术，有两个不同的地方，纳米科学，主要在纳米这个领域里，发现一些新的现象，新的规律，新的性质，这往往是属于科学发现，技术呢，往往就是要刚才秦博士谈到，要真正的把它操纵，本身世界上不存在的一种东西，要把原子搬来搬去，要形成这样一种结构，使它有新的性能，这是一种技术性的东西，我想这样的事情在中国，应该说随着整个纳米科学技术发展应该说是做的挺好的，但是呢，国际上发展非常快。

　　秦博士您对碳纳米管研究的非常透，碳纳米管它到底有什么特点，它在纳米技术研究领域为什么这么热呢。

　　我想最主要的原因碳纳米管在纳米技术里起到一个先遣队的作用，那么很快人们就发现纳米碳管这种东西具有纳米尺度，而且在结构上很完整，而且制作起来很简单，那么就说人们实际很长时间，物理学家化学家一直在寻找所谓碳纳米，纳米尺度的棒装结构，那么纳米碳管正好符合了所有的这些要求，无论是从理论技术上讲可以很简单，从技术操纵上讲可以做的相对比其他的材料更容易控制，所以使得纳米碳管变得非常非常的受人欢迎。

　　讲到了纳米碳管，实际上和它兄弟之称的一个是金刚石，一个是石墨，为什么会形成了纳米碳管呢。张院士您回答，我想他回答应该比我好的多。

　　金刚石都是由碳原子组成的，如果我们看石墨结构的话，它是比如这是一层碳原子，另外还有一层碳原子，那么我们另外还有一层碳原子，那么一层一层的落起来，这就所谓石墨结构，很多碳原子落起来，但是我们只把其中的一层碳原子拿开，比如说这是一层碳原子，如果我们看到有限大的话，这两边是要切断的，切断之后呢，我们碳和碳之间是用化合界来结合的，如果化合界段开的，它是不稳定结构，使得整个整体并不很稳定，但如果你把它卷起来，拼起来使得天衣无缝，这样就没有断裂的化学界，那么使得整体的结构反而变得更稳定一点，实际这就使得碳纳米管反而是个很稳定的结构。

　　那么碳纳米管有那些优良的性能，有哪些应用范围呢？

　　在性能上很特殊，比如说对石墨来讲，我们只是裁一个简单的石墨来讲，它是一个金属，但如果把它卷成很小很小的碳纳米管的话，其中一个特殊性能就是它可以变成既可以是金属线，导电性很好，如果结构稍稍变一点一点，仍然保持管状结构，它就变成半导体，那么这一个性能使得大家很容易做很简单的二极管，这在电子学上特别吸引人的地方。

　　另外一个大家可能已经从报纸或者其他地方听到过，碳纳米管具有很强很强的强度，那么它的强度因为处于结构的稳定性，它的强度可以是钢的比如说一百倍左右，这一点使得大家也很觉得特别特别的有兴趣，举个例子来说，如果我们想爬到月球上，那么你必须做一个绳索，那么一个绳索我们知道本身具有重量，你如果做个钢索似乎很结实，但你的钢索重量长，钢索本身的重量就会断掉，但如果你要可以想用碳纳米管做一条绳索结到月球上它本身的重量和它的强度比起来仍然使得绳索可以存在。

　　张院士刚才秦博士讲了一下，碳纳米管的具体应用，如果我们从更广的范围来看，纳米技术有哪些应用范围呢？

　　我想纳米技术是要以它的材料为依托的，一定有这样的物质，那这个物质呢，很多现在刚才谈到的碳，碳三种结构，可以是金刚石最贵的东西，非常便宜的东西，现在出了一个新的，实际上这些物质都存在，金银铜铁你都可以把它变成一个纳米，过去我们熟悉的呢是一个宏观的尺寸，而且这些东西它有结晶，原子之间要相互要规规矩矩的排，排列起来之后这是个晶体，这个晶体的尺寸比较大，可以是微米数量甚至更大，那么现在到了纳米以后，产生一些新的性能，那些材料可以成那些材料，我觉得都可以，因为整个纳米材料是人为造出来的，你可以把它加工成，你可以在原子级的操作搬来搬去，这告诉你一个可能，但更实际的可能，靠原子自己组装成的尺寸，你在做这个材料，一做就是纳米尺寸，纳米尺寸可以不同的概念，我说的不同的概念，你可以是一个球状，三维看就是小纳米球，这是个纳米的材料，也可以是一个片装的东西，宏观的说大家已经研究相当透了，这性能都知道，但你把它放在一个非常薄的尺寸，就说几个原子层之后，它的性能会变声截然不同的变化，而这种变化是我们所追求。

　　您觉得这种变化在您的亲身经历中，那一点最让人吃惊，我们现在对电都非常熟悉了，强电也好，弱电也好，微电子也好，非常熟悉，包括我们照相机，计算机用的很多都是硅这种半导体材料，用它干什么呢，用它传输电子信号，传输电流，过去我们知道电子是作为电荷，我们并不考虑这个电荷还有自旋的问题，虽然我们上大学学过有个自旋的问题，量子力学等等原子，比较复杂，但现在有了纳米的科技之后呢，现在使我们利用电子的性能不仅仅利用它的电荷，还利用它自旋，就像个纺锤一样，它转起来之后有个朝上，或者朝下，这样我们可以把朝上的电子和朝下电子分开，这样来使整个的信息产业就变了一个样子，你过去只能利用电荷，我现在还可以利用自旋，所以说包括现在计算机的硬盘，这个秦博士过去在IBM就做过这个事情，它可以把它的存储的密度大大的提高，包括我们现在核心的部分，就是存储器，它的运算速度，存储密度大大提高。

　　秦博士刚才张院士讲了纳米技术在信息技术方面的重要应用，我们知道信息技术上有一个很著名的摩尔定律，就是尺寸越来越小，价钱越来越便宜，这里边有一个问题，我们现在的硅芯片，只能集成几千万个器件，如果换到纳米技术的话，可以几十亿个，这样的话，使得我们信息技术瓶颈问题就得到解决，可能随着纳米技术推广，我们现在讲的量子计算机，等等新型的计算机就可能变成现实，您认为这一天会到来吗？

　　我认为这一天肯定会到来，只是时间问题，但是，不能过于乐观，因为即时你看集成电路也好，其中里面的晶体管是其中的一个部分，并不是全部，现在大家更注意在晶体管的尺寸上，但实际上很多比如说封装，你要外部包装，如果我们看计算机的话，有人讲我现在的计算机如果用纳米技术的话，体积可以小一百万倍，但实际上我们计算机主要尺寸现在不在于晶体管的尺寸，而在于计算机里的小风扇，那个风扇因为它要散热，所以那是