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納米科技三十年：從摩爾定律到摩擦納米發(fā)電機(jī)
[2017-06-21]
來(lái)源：光明日報(bào)
計(jì)算機(jī)工業(yè)飛速發(fā)展，晶片製造工藝在不知不覺中就從90nm進(jìn)化到了14nm，摩爾定律在20多年的時(shí)間裡大行其道，意義非凡。要知道，人們最初接觸納米這個(gè)詞多少都和購(gòu)買(mǎi)與使用計(jì)算機(jī)相關(guān)。但現(xiàn)如今，納米這個(gè)詞已經(jīng)深入到人類(lèi)生活的方方面面了。一個(gè)鏡頭想要強(qiáng)調(diào)自己的高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)標(biāo)稱(chēng)自己使用了納米鍍膜；廚房使用的清潔用品也會(huì)被標(biāo)上納米技術(shù)，以彰顯其去汙能力。
鮮有人知，早在二十世紀(jì)五六十年代，人們就提出了「納米」的概念。納米科技從一個(gè)宏觀(guān)的理論和概念，廣(guǎng)泛滲透到了人們微觀(guān)的生活中，是科技領(lǐng)域的成功典範。那麼，納米科技到底經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展才體現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，並且形成了相當(dāng)可觀(guān)的產(chǎn)業(yè)化能力呢？
日前，中國(guó)科學(xué)院外籍院士、歐洲科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家王中林接受了本報(bào)記者的專(zhuān)訪(fǎng)，介紹了國(guó)際上納米科技的發(fā)展歷程和自己最新的研究成果。
A.納米技術(shù)：從靈感到概念
王中林介紹說(shuō)，納米一詞真正被世界廣(guǎng)泛關(guān)注肇始於1959年12月9日。那一天，美國(guó)理論物理學(xué)家理察·費(fèi)曼在美國(guó)物理學(xué)會(huì)上作了一個(gè)題為《在底部還有很大空間》的報(bào)告。當(dāng)時(shí)，費(fèi)曼用了一個(gè)「科幻小說(shuō)式」的演講提出了一個(gè)理論，就是製造物品可以以單個(gè)分子甚至原子為基本單位進(jìn)行組裝，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。費(fèi)曼說(shuō)：「至少依我看來(lái)，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地製造物品的可能性。」並預言，「當(dāng)我們對(duì)細(xì)微尺寸的物體加以控制的話(huà)，將極大地擴充我們獲得物性的範圍。」這被視為是納米技術(shù)概念的靈感來(lái)源。
費(fèi)曼很有遠(yuǎn)見(jiàn)，隨著物理尺寸的減小，一系列的物理現(xiàn)象就顯現(xiàn)出來(lái)，包括統(tǒng)計(jì)力學(xué)效應(yīng)和量子力學(xué)效應(yīng)。同宏觀(guān)系統(tǒng)相比，物質(zhì)的許多物理性質(zhì)在納米的尺度下會(huì)發(fā)生改變，一個(gè)典型的例子就是材料的表面體積比。廣(guǎng)義上講，納米技術(shù)是科學(xué)和技術(shù)在理解和製造新材料新器械方向上的推演和應(yīng)用，這些新材料和技術(shù)大體上就是物理性質(zhì)在微尺度上的應(yīng)用。
王中林說(shuō)，真正提出「納米」這個(gè)概念的時(shí)候已經(jīng)到了20世紀(jì)80年代末、90年代初。1983年到1987年時(shí)，王中林還在讀博士，當(dāng)時(shí)做的課題就是小納米顆粒。他說(shuō)，那個(gè)時(shí)候還不叫「納米顆粒」，就叫「小粒子」（small particle），現(xiàn)在才叫「納米顆粒」（nanoparticle），其實(shí)就是一個(gè)東西。人們一直以來(lái)就對(duì)微小粒子很感興趣，但最初主要是對(duì)於結(jié)構(gòu )和性能層面的研究。從科學(xué)的角度來(lái)看，相比於大塊的粒子，小粒子的性能是不是會(huì)有不同？它的結(jié)構(gòu )是不是也與大塊粒子的結(jié)構(gòu )有異？我們現(xiàn)在知道，當(dāng)粒子非常小的時(shí)候，它的晶體結(jié)構(gòu )就不一定是立方結(jié)構(gòu )或六方結(jié)構(gòu )了，而會(huì)發(fā)生變化。「當(dāng)時(shí)我研究的方向是顯微學(xué)，就是看原子和分子結(jié)構(gòu )的。」之後，由於微電子發(fā)展到了納米級(jí)，因此微小顆粒的研究相應(yīng)地也就提升到了技術(shù)層次。
我們現(xiàn)在的集成電路使用的都是矽技術(shù)，那麼當(dāng)計(jì)算機(jī)晶片、電晶體的尺寸一縮再縮的時(shí)候，就出現(xiàn)了微小粒子的研究還能走多遠(yuǎn)、還能走多少年的問(wèn)題。人們迫切地想知道，電晶體到底可以做到多小，物理極限在哪裡。這就到了90年代，「納米技術(shù)」「納米科學(xué)技術(shù)」的概念就真正普及開(kāi)來(lái)了。
B.美國(guó)政府對(duì)納米科技的強(qiáng)烈興趣
1999年，美國(guó)柯林頓政府提出了「National Nanotechnology Initiative」（美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃(huà)）。自從美國(guó)提出這一計(jì)劃(huà)之後，在世界範圍內(nèi)都開(kāi)始興起一股納米研究的風(fēng)潮，並帶動(dòng)了化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)以及之後電子學(xué)的跨學(xué)科技術(shù)的發(fā)展。
政策的引導(dǎo )是引導(dǎo )經(jīng)費(fèi)的走向，美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃(huà)就是這樣的一種引導(dǎo )模式。王中林說(shuō)：「我們作研究，沒有支持是不行的。只有大的支持才有大的產(chǎn)出，大的政策指導(dǎo )會(huì)帶動(dòng)大的經(jīng)費(fèi)投入，而只有大的經(jīng)費(fèi)投入，人們才能有機(jī)會(huì)深入研究，因此政府的導(dǎo )向極其重要。政府需要有一批非常優(yōu)秀、具有前瞻性的科學(xué)家做它的顧問(wèn)。」
納米技術(shù)的尺寸概念極大地將不同領(lǐng)域的科學(xué)家們會(huì)聚在了一起。一納米等於千分之一微米，一微米又等於千分之一毫米。我們頭髮絲的寬度是50000納米，所以納米是一個(gè)非常小的長(zhǎng)度單位。在這個(gè)尺度範圍內(nèi)，研究原子物理的物理學(xué)家感興趣，研究分子化學(xué)的化學(xué)家感興趣。與此同時(shí)，隨著摩爾定律的發(fā)展，電子學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)的專(zhuān)家都對(duì)納米科技的新發(fā)展有著強(qiáng)烈的興趣，大家都想知道晶片的性能和尺寸能小到怎樣的極致。
王中林介紹說(shuō)，納米科技的發(fā)展有以下幾個(gè)不同的階段：先是納米顆粒，然後到碳納米管、量子點(diǎn)、納米線(xiàn )，石墨烯、再到納米發(fā)電機(jī)等等，這一系列的發(fā)展都有明確的應(yīng)用導(dǎo )向。「過(guò)去我會(huì)給人們講納米多神奇，現(xiàn)在我會(huì)給人們講納米能解決什麼問(wèn)題。標(biāo)題是有時(shí)間階段的，但是它的應(yīng)用是無(wú)限的、是有長(zhǎng)久生命力的。」
納米科技的發(fā)展對(duì)人類(lèi)最大貢獻(xiàn)不只是生產(chǎn)了性能更好尺寸更小的晶片，它的積極意義集中體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：第一，帶動(dòng)了跨學(xué)科技術(shù)的發(fā)展；第二，帶動(dòng)了人類(lèi)對(duì)微小技術(shù)的認(rèn)識，並促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展；第三，在人才培養(yǎng)方面，為教育提出了一種交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的新模式。
C.超越非定律的摩爾定律
隨著單個(gè)矽晶片上的器件密度每18個(gè)月就增加1倍，提升CPU速度以及集成片上的系統(tǒng)功能成為IT技術(shù)的主要發(fā)展方向。然而，當(dāng)微電子工藝接近10nm時(shí)，電晶體的尺寸趨近了物理極限。
王中林說(shuō)，「摩爾定律」其實(shí)並不是一個(gè)定律，它是戈登·摩爾1965年時(shí)在一篇三五頁(yè)的文章中首次提出的。摩爾認(rèn)為，每18個(gè)月同一晶片上器件的密度會(huì)翻一番，並把這一結(jié)果作為世界微電子領(lǐng)域中度量的標(biāo)準(zhǔn)。英特爾公司利用強(qiáng)大的財力（戈登·摩爾是英特爾公司的創(chuàng)始人之一），一直推動(dòng)著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展按著這著速度向前邁進(jìn)。其他人只有跟上這一步伐，才能緊跟世界潮流，如果跟不上就被淘汰。所以，正是英特爾公司強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)支持，才維持了技術(shù)上的領(lǐng)先地位。但是，這種技術(shù)的領(lǐng)先並不是一種「自然法則」，我們現(xiàn)在所指稱(chēng)的「摩爾定律」其實(shí)是在經(jīng)濟(jì)驅動(dòng)下形成的。任何原則都有自己的邊界，摩爾定律也不例外，它一定會(huì)有發(fā)揮效用的極限，這也是一種「自然規(guī)律」。因為三極體的尺寸小到一定程度就不能再小了，單個(gè)原子當(dāng)然是不可能做成一個(gè)三極體的。所以，小到一定程度之後，科技追求的方向就必然不是使它一直小下去。在極限到來(lái)之前，人們可以去做一些下遊的東西，也只有這樣才能夠實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的彎道超車(chē)。
王中林認(rèn)為，「後摩爾定律」時(shí)代，科技界發(fā)展的方向應(yīng)該是使產(chǎn)品更加功能化：個(gè)性產(chǎn)品、攜帶式產(chǎn)品、柔性產(chǎn)品等都是未來(lái)的發(fā)展方向，而納米技術(shù)正好可以發(fā)揮其威力。用「速度+功能化」的理念推進(jìn)，人們才可以超越「摩爾定律」。從面向未來(lái)的角度來(lái)看，未來(lái)納米科技的發(fā)展集中體現(xiàn)在以下五大階段：一是納米材料；二是材料的表徵；三是納米器件；四是陣列性；五是系統(tǒng)集成。納米技術(shù)未來(lái)必須要有一個(gè)應(yīng)用的出口，才能全面造福人類(lèi)。基於這一點(diǎn)可以預見(jiàn)，未來(lái)納米技術(shù)的發(fā)展形象將日益「微小集成化」「無(wú)線(xiàn )移動(dòng)化」「功能智能化」和「自驅動(dòng)化」。這些發(fā)展趨勢(shì)可能人們還沒有完全認(rèn)識到，但是隨著時(shí)間的推移，新科技想必會(huì)向這些方向發(fā)展。
D.神奇的摩擦納米發(fā)電機(jī)
作為納米研究領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家，王中林院士一直走在科學(xué)的最前沿，他認(rèn)為傳感器網(wǎng)絡(luò)和個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)將成為近期產(chǎn)業(yè)界的主要驅動(dòng)力。王中林創(chuàng)立了「壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)」，並利用摩擦起電和摩擦發(fā)電的原理研製了「摩擦納米發(fā)電機(jī)」，這兩(liǎng)項(xiàng)科研成果有望在很多領(lǐng)域實(shí)現(xiàn)貼近生活的應(yīng)用。王中林說(shuō)，未來(lái)很多裝置在身體中的醫(yī)療器械就不再需要電池了，因為自驅動(dòng)本身就是一種可以實(shí)現(xiàn)自己發(fā)電的技術(shù)，這一技術(shù)還可以推廣(guǎng)使用在安防和老年人監(jiān)護(hù)等方面。
王中林說(shuō)，縱觀(guān)人類(lèi)心臟起搏器的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)備一直在往小型便攜化的方向發(fā)展。現(xiàn)在，最新的心臟起搏器已經(jīng)可以直接植入人的心腔裡了，但是即便這樣，它還是要使用電池。而之後發(fā)展的方向就是不再用電池，讓心臟起搏器「自驅動(dòng)化」。當(dāng)人在呼吸或者心肌活動(dòng)的時(shí)候，它都是一種「動(dòng)」。摩擦發(fā)電機(jī)對(duì)這種低頻的信號(hào)非常敏感，利用這一特徵，人們可以將發(fā)電機(jī)設(shè)在內(nèi)胸腔上。這樣一來(lái)，人在呼吸時(shí)所產(chǎn)生的伸縮和擴展運(yùn)動(dòng)就足夠提供發(fā)電的動(dòng)能了。王中林驕傲地說(shuō)，這一理論已經(jīng)在老鼠和豬身上驗(yàn)證過(guò)。可以想見(jiàn)，當(dāng)這種醫(yī)療設(shè)備不需要電池之後，器械本身就能夠變得更小，這不僅可以降低手術(shù)的難度，而且也會(huì)減少病人因手術(shù)而產(chǎn)生的損傷。
王中林興奮地介紹說(shuō)，摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣(guǎng)泛。比如，把它安裝在鍵盤(pán)底下，感受人們在打字敲擊鍵盤(pán)的頻率和力度，就可以把人的打字習(xí)慣記錄下來(lái)，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。這種信號(hào)就像人們的指紋一樣，是不可複製的，這就可以為信息的安全以及系統(tǒng)的保護(hù)提供一種新的途徑和可能。
此外，王中林還提出了一個(gè)「藍(lán)色能源」的概念，他利用摩擦納米發(fā)電機(jī)的原理，為人類(lèi)收集利用海洋能源提供了新的解決方案。他說(shuō)，人類(lèi)現(xiàn)在發(fā)電所使用的原理都是電磁發(fā)電，為了收集水能而修建大壩、將水流聚集起來(lái)。但是，水流波動(dòng)所產(chǎn)生的能量卻是無(wú)法收集的，可是海洋廣(guǎng)袤無(wú)垠，這種波動(dòng)本身就是一種巨大的能量。電磁發(fā)電很難將這些波動(dòng)的能源收集起來(lái)，因為電磁發(fā)電機(jī)很沉，在自然狀態(tài)下它會(huì)沉下去，所以需要修建一座塔將它頂起來(lái)，但是這樣造價(jià)就會(huì)很高。人類(lèi)長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于波動(dòng)能源的收集一直沒有有效的解決辦法。「而我們將摩擦發(fā)電機(jī)做成了球形，像網(wǎng)球一般大小。通過(guò)球中套球，外層的球在水中隨波浪晃來(lái)晃去，裡邊的球也隨波動(dòng)晃來(lái)晃去，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)電所需的能量。並且因為它是球體，所以是無(wú)規(guī)則的，哪個(gè)方向都可以。通過(guò)發(fā)電球積少成多的規(guī)模效應(yīng)，收集波動(dòng)能量並發(fā)電的可能性大大提高了。」
王中林強(qiáng)調(diào)，科學(xué)家不應(yīng)僅僅當(dāng)「學(xué)究」，當(dāng)代的科學(xué)家應(yīng)該有戰略思維和前瞻思維，也正是在這種思維的引領(lǐng)下，才取得了許多重要的研究成果。很多人常常抱怨沒有經(jīng)費(fèi)、沒有人員，只能靠自己努力。但是，在很多情況下並不是經(jīng)費(fèi)多了才有原創(chuàng)，其實(shí)「窮則思變」。「我在研究的過(guò)程中就遇到過(guò)很多艱辛的時(shí)刻，但無(wú)論有多麼的艱辛，我都沒有喪失過(guò)對(duì)成功的信心。這種不可戰勝的信心是科學(xué)研究中最重要的品質(zhì)。」
- 新興領(lǐng)域黨建如何破解「新」「難」「落」問(wèn)題
- 用數(shù)位化破解新就業(yè)群體黨建工作難題
- 全國(guó)性行業(yè)協(xié)會(huì)商會(huì)第十一聯(lián)合黨委第一次黨員代表大會(huì)召開(kāi)
- 「禮讚新中國(guó) 奮進(jìn)新時(shí)代」——全國(guó)性行業(yè)協(xié)會(huì)商會(huì)慶祝新中國(guó)成立75周年文藝匯演舉行
- 中央社會(huì)工作部召開(kāi)全國(guó)性行業(yè)協(xié)會(huì)商會(huì)傳達(dá)學(xué)習(xí)貫徹黨的二十屆三中全會(huì)精神會(huì)議
納米科技三十年：從摩爾定律到摩擦納米發(fā)電機(jī)
[2017-06-21]
來(lái)源：光明日報(bào)
計(jì)算機(jī)工業(yè)飛速發(fā)展，晶片製造工藝在不知不覺中就從90nm進(jìn)化到了14nm，摩爾定律在20多年的時(shí)間裡大行其道，意義非凡。要知道，人們最初接觸納米這個(gè)詞多少都和購(gòu)買(mǎi)與使用計(jì)算機(jī)相關(guān)。但現(xiàn)如今，納米這個(gè)詞已經(jīng)深入到人類(lèi)生活的方方面面了。一個(gè)鏡頭想要強(qiáng)調(diào)自己的高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)標(biāo)稱(chēng)自己使用了納米鍍膜；廚房使用的清潔用品也會(huì)被標(biāo)上納米技術(shù)，以彰顯其去汙能力。
鮮有人知，早在二十世紀(jì)五六十年代，人們就提出了「納米」的概念。納米科技從一個(gè)宏觀(guān)的理論和概念，廣(guǎng)泛滲透到了人們微觀(guān)的生活中，是科技領(lǐng)域的成功典範。那麼，納米科技到底經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展才體現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，並且形成了相當(dāng)可觀(guān)的產(chǎn)業(yè)化能力呢？
日前，中國(guó)科學(xué)院外籍院士、歐洲科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家王中林接受了本報(bào)記者的專(zhuān)訪(fǎng)，介紹了國(guó)際上納米科技的發(fā)展歷程和自己最新的研究成果。
A.納米技術(shù)：從靈感到概念
王中林介紹說(shuō)，納米一詞真正被世界廣(guǎng)泛關(guān)注肇始於1959年12月9日。那一天，美國(guó)理論物理學(xué)家理察·費(fèi)曼在美國(guó)物理學(xué)會(huì)上作了一個(gè)題為《在底部還有很大空間》的報(bào)告。當(dāng)時(shí)，費(fèi)曼用了一個(gè)「科幻小說(shuō)式」的演講提出了一個(gè)理論，就是製造物品可以以單個(gè)分子甚至原子為基本單位進(jìn)行組裝，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。費(fèi)曼說(shuō)：「至少依我看來(lái)，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地製造物品的可能性。」並預言，「當(dāng)我們對(duì)細(xì)微尺寸的物體加以控制的話(huà)，將極大地擴充我們獲得物性的範圍。」這被視為是納米技術(shù)概念的靈感來(lái)源。
費(fèi)曼很有遠(yuǎn)見(jiàn)，隨著物理尺寸的減小，一系列的物理現(xiàn)象就顯現(xiàn)出來(lái)，包括統(tǒng)計(jì)力學(xué)效應(yīng)和量子力學(xué)效應(yīng)。同宏觀(guān)系統(tǒng)相比，物質(zhì)的許多物理性質(zhì)在納米的尺度下會(huì)發(fā)生改變，一個(gè)典型的例子就是材料的表面體積比。廣(guǎng)義上講，納米技術(shù)是科學(xué)和技術(shù)在理解和製造新材料新器械方向上的推演和應(yīng)用，這些新材料和技術(shù)大體上就是物理性質(zhì)在微尺度上的應(yīng)用。
王中林說(shuō)，真正提出「納米」這個(gè)概念的時(shí)候已經(jīng)到了20世紀(jì)80年代末、90年代初。1983年到1987年時(shí)，王中林還在讀博士，當(dāng)時(shí)做的課題就是小納米顆粒。他說(shuō)，那個(gè)時(shí)候還不叫「納米顆粒」，就叫「小粒子」（small particle），現(xiàn)在才叫「納米顆粒」（nanoparticle），其實(shí)就是一個(gè)東西。人們一直以來(lái)就對(duì)微小粒子很感興趣，但最初主要是對(duì)於結(jié)構(gòu )和性能層面的研究。從科學(xué)的角度來(lái)看，相比於大塊的粒子，小粒子的性能是不是會(huì)有不同？它的結(jié)構(gòu )是不是也與大塊粒子的結(jié)構(gòu )有異？我們現(xiàn)在知道，當(dāng)粒子非常小的時(shí)候，它的晶體結(jié)構(gòu )就不一定是立方結(jié)構(gòu )或六方結(jié)構(gòu )了，而會(huì)發(fā)生變化。「當(dāng)時(shí)我研究的方向是顯微學(xué)，就是看原子和分子結(jié)構(gòu )的。」之後，由於微電子發(fā)展到了納米級(jí)，因此微小顆粒的研究相應(yīng)地也就提升到了技術(shù)層次。
我們現(xiàn)在的集成電路使用的都是矽技術(shù)，那麼當(dāng)計(jì)算機(jī)晶片、電晶體的尺寸一縮再縮的時(shí)候，就出現(xiàn)了微小粒子的研究還能走多遠(yuǎn)、還能走多少年的問(wèn)題。人們迫切地想知道，電晶體到底可以做到多小，物理極限在哪裡。這就到了90年代，「納米技術(shù)」「納米科學(xué)技術(shù)」的概念就真正普及開(kāi)來(lái)了。
B.美國(guó)政府對(duì)納米科技的強(qiáng)烈興趣
1999年，美國(guó)柯林頓政府提出了「National Nanotechnology Initiative」（美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃(huà)）。自從美國(guó)提出這一計(jì)劃(huà)之後，在世界範圍內(nèi)都開(kāi)始興起一股納米研究的風(fēng)潮，並帶動(dòng)了化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)以及之後電子學(xué)的跨學(xué)科技術(shù)的發(fā)展。
政策的引導(dǎo )是引導(dǎo )經(jīng)費(fèi)的走向，美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃(huà)就是這樣的一種引導(dǎo )模式。王中林說(shuō)：「我們作研究，沒有支持是不行的。只有大的支持才有大的產(chǎn)出，大的政策指導(dǎo )會(huì)帶動(dòng)大的經(jīng)費(fèi)投入，而只有大的經(jīng)費(fèi)投入，人們才能有機(jī)會(huì)深入研究，因此政府的導(dǎo )向極其重要。政府需要有一批非常優(yōu)秀、具有前瞻性的科學(xué)家做它的顧問(wèn)。」
納米技術(shù)的尺寸概念極大地將不同領(lǐng)域的科學(xué)家們會(huì)聚在了一起。一納米等於千分之一微米，一微米又等於千分之一毫米。我們頭髮絲的寬度是50000納米，所以納米是一個(gè)非常小的長(zhǎng)度單位。在這個(gè)尺度範圍內(nèi)，研究原子物理的物理學(xué)家感興趣，研究分子化學(xué)的化學(xué)家感興趣。與此同時(shí)，隨著摩爾定律的發(fā)展，電子學(xué)、工程學(xué)、材料學(xué)的專(zhuān)家都對(duì)納米科技的新發(fā)展有著強(qiáng)烈的興趣，大家都想知道晶片的性能和尺寸能小到怎樣的極致。
王中林介紹說(shuō)，納米科技的發(fā)展有以下幾個(gè)不同的階段：先是納米顆粒，然後到碳納米管、量子點(diǎn)、納米線(xiàn )，石墨烯、再到納米發(fā)電機(jī)等等，這一系列的發(fā)展都有明確的應(yīng)用導(dǎo )向。「過(guò)去我會(huì)給人們講納米多神奇，現(xiàn)在我會(huì)給人們講納米能解決什麼問(wèn)題。標(biāo)題是有時(shí)間階段的，但是它的應(yīng)用是無(wú)限的、是有長(zhǎng)久生命力的。」
納米科技的發(fā)展對(duì)人類(lèi)最大貢獻(xiàn)不只是生產(chǎn)了性能更好尺寸更小的晶片，它的積極意義集中體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：第一，帶動(dòng)了跨學(xué)科技術(shù)的發(fā)展；第二，帶動(dòng)了人類(lèi)對(duì)微小技術(shù)的認(rèn)識，並促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展；第三，在人才培養(yǎng)方面，為教育提出了一種交叉學(xué)科人才培養(yǎng)的新模式。
C.超越非定律的摩爾定律
隨著單個(gè)矽晶片上的器件密度每18個(gè)月就增加1倍，提升CPU速度以及集成片上的系統(tǒng)功能成為IT技術(shù)的主要發(fā)展方向。然而，當(dāng)微電子工藝接近10nm時(shí)，電晶體的尺寸趨近了物理極限。
王中林說(shuō)，「摩爾定律」其實(shí)並不是一個(gè)定律，它是戈登·摩爾1965年時(shí)在一篇三五頁(yè)的文章中首次提出的。摩爾認(rèn)為，每18個(gè)月同一晶片上器件的密度會(huì)翻一番，並把這一結(jié)果作為世界微電子領(lǐng)域中度量的標(biāo)準(zhǔn)。英特爾公司利用強(qiáng)大的財力（戈登·摩爾是英特爾公司的創(chuàng)始人之一），一直推動(dòng)著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展按著這著速度向前邁進(jìn)。其他人只有跟上這一步伐，才能緊跟世界潮流，如果跟不上就被淘汰。所以，正是英特爾公司強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)支持，才維持了技術(shù)上的領(lǐng)先地位。但是，這種技術(shù)的領(lǐng)先並不是一種「自然法則」，我們現(xiàn)在所指稱(chēng)的「摩爾定律」其實(shí)是在經(jīng)濟(jì)驅動(dòng)下形成的。任何原則都有自己的邊界，摩爾定律也不例外，它一定會(huì)有發(fā)揮效用的極限，這也是一種「自然規(guī)律」。因為三極體的尺寸小到一定程度就不能再小了，單個(gè)原子當(dāng)然是不可能做成一個(gè)三極體的。所以，小到一定程度之後，科技追求的方向就必然不是使它一直小下去。在極限到來(lái)之前，人們可以去做一些下遊的東西，也只有這樣才能夠實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的彎道超車(chē)。
王中林認(rèn)為，「後摩爾定律」時(shí)代，科技界發(fā)展的方向應(yīng)該是使產(chǎn)品更加功能化：個(gè)性產(chǎn)品、攜帶式產(chǎn)品、柔性產(chǎn)品等都是未來(lái)的發(fā)展方向，而納米技術(shù)正好可以發(fā)揮其威力。用「速度+功能化」的理念推進(jìn)，人們才可以超越「摩爾定律」。從面向未來(lái)的角度來(lái)看，未來(lái)納米科技的發(fā)展集中體現(xiàn)在以下五大階段：一是納米材料；二是材料的表徵；三是納米器件；四是陣列性；五是系統(tǒng)集成。納米技術(shù)未來(lái)必須要有一個(gè)應(yīng)用的出口，才能全面造福人類(lèi)。基於這一點(diǎn)可以預見(jiàn)，未來(lái)納米技術(shù)的發(fā)展形象將日益「微小集成化」「無(wú)線(xiàn )移動(dòng)化」「功能智能化」和「自驅動(dòng)化」。這些發(fā)展趨勢(shì)可能人們還沒有完全認(rèn)識到，但是隨著時(shí)間的推移，新科技想必會(huì)向這些方向發(fā)展。
D.神奇的摩擦納米發(fā)電機(jī)
作為納米研究領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家，王中林院士一直走在科學(xué)的最前沿，他認(rèn)為傳感器網(wǎng)絡(luò)和個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)將成為近期產(chǎn)業(yè)界的主要驅動(dòng)力。王中林創(chuàng)立了「壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)」，並利用摩擦起電和摩擦發(fā)電的原理研製了「摩擦納米發(fā)電機(jī)」，這兩(liǎng)項(xiàng)科研成果有望在很多領(lǐng)域實(shí)現(xiàn)貼近生活的應(yīng)用。王中林說(shuō)，未來(lái)很多裝置在身體中的醫(yī)療器械就不再需要電池了，因為自驅動(dòng)本身就是一種可以實(shí)現(xiàn)自己發(fā)電的技術(shù)，這一技術(shù)還可以推廣(guǎng)使用在安防和老年人監(jiān)護(hù)等方面。
王中林說(shuō)，縱觀(guān)人類(lèi)心臟起搏器的發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)備一直在往小型便攜化的方向發(fā)展。現(xiàn)在，最新的心臟起搏器已經(jīng)可以直接植入人的心腔裡了，但是即便這樣，它還是要使用電池。而之後發(fā)展的方向就是不再用電池，讓心臟起搏器「自驅動(dòng)化」。當(dāng)人在呼吸或者心肌活動(dòng)的時(shí)候，它都是一種「動(dòng)」。摩擦發(fā)電機(jī)對(duì)這種低頻的信號(hào)非常敏感，利用這一特徵，人們可以將發(fā)電機(jī)設(shè)在內(nèi)胸腔上。這樣一來(lái)，人在呼吸時(shí)所產(chǎn)生的伸縮和擴展運(yùn)動(dòng)就足夠提供發(fā)電的動(dòng)能了。王中林驕傲地說(shuō)，這一理論已經(jīng)在老鼠和豬身上驗(yàn)證過(guò)。可以想見(jiàn)，當(dāng)這種醫(yī)療設(shè)備不需要電池之後，器械本身就能夠變得更小，這不僅可以降低手術(shù)的難度，而且也會(huì)減少病人因手術(shù)而產(chǎn)生的損傷。
王中林興奮地介紹說(shuō)，摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣(guǎng)泛。比如，把它安裝在鍵盤(pán)底下，感受人們在打字敲擊鍵盤(pán)的頻率和力度，就可以把人的打字習(xí)慣記錄下來(lái)，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。這種信號(hào)就像人們的指紋一樣，是不可複製的，這就可以為信息的安全以及系統(tǒng)的保護(hù)提供一種新的途徑和可能。
此外，王中林還提出了一個(gè)「藍(lán)色能源」的概念，他利用摩擦納米發(fā)電機(jī)的原理，為人類(lèi)收集利用海洋能源提供了新的解決方案。他說(shuō)，人類(lèi)現(xiàn)在發(fā)電所使用的原理都是電磁發(fā)電，為了收集水能而修建大壩、將水流聚集起來(lái)。但是，水流波動(dòng)所產(chǎn)生的能量卻是無(wú)法收集的，可是海洋廣(guǎng)袤無(wú)垠，這種波動(dòng)本身就是一種巨大的能量。電磁發(fā)電很難將這些波動(dòng)的能源收集起來(lái)，因為電磁發(fā)電機(jī)很沉，在自然狀態(tài)下它會(huì)沉下去，所以需要修建一座塔將它頂起來(lái)，但是這樣造價(jià)就會(huì)很高。人類(lèi)長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于波動(dòng)能源的收集一直沒有有效的解決辦法。「而我們將摩擦發(fā)電機(jī)做成了球形，像網(wǎng)球一般大小。通過(guò)球中套球，外層的球在水中隨波浪晃來(lái)晃去，裡邊的球也隨波動(dòng)晃來(lái)晃去，就會(huì)產(chǎn)生發(fā)電所需的能量。並且因為它是球體，所以是無(wú)規(guī)則的，哪個(gè)方向都可以。通過(guò)發(fā)電球積少成多的規(guī)模效應(yīng)，收集波動(dòng)能量並發(fā)電的可能性大大提高了。」
王中林強(qiáng)調(diào)，科學(xué)家不應(yīng)僅僅當(dāng)「學(xué)究」，當(dāng)代的科學(xué)家應(yīng)該有戰略思維和前瞻思維，也正是在這種思維的引領(lǐng)下，才取得了許多重要的研究成果。很多人常常抱怨沒有經(jīng)費(fèi)、沒有人員，只能靠自己努力。但是，在很多情況下並不是經(jīng)費(fèi)多了才有原創(chuàng)，其實(shí)「窮則思變」。「我在研究的過(guò)程中就遇到過(guò)很多艱辛的時(shí)刻，但無(wú)論有多麼的艱辛，我都沒有喪失過(guò)對(duì)成功的信心。這種不可戰勝的信心是科學(xué)研究中最重要的品質(zhì)。」
