納米科技三十年：從摩爾定律到摩擦納米發電機

計算機工業飛速發展，芯片制造工藝在不知不覺中就從90nm進化到了14nm，摩爾定律在20多年的時間裡大行其道，意義非凡。要知道，人們最初接觸納米這個詞多少都和購買與使用計算機相關。但現如今，納米這個詞已經深入到人類生活的方方面面了。一個鏡頭想要強調自己的高技術標准，會標稱自己使用了納米鍍膜﹔廚房使用的清潔用品也會被標上納米技術，以彰顯其去污能力。

鮮有人知，早在二十世紀五六十年代，人們就提出了“納米”的概念。納米科技從一個宏觀的理論和概念，廣泛滲透到了人們微觀的生活中，是科技領域的成功典范。那麼，納米科技到底經歷了怎樣的發展才體現出強大的生命力，並且形成了相當可觀的產業化能力呢？

日前，中國科學院外籍院士、歐洲科學院院士、中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林接受了本報記者的專訪，介紹了國際上納米科技的發展歷程和自己最新的研究成果。

A.納米技術：從靈感到概念

王中林介紹說，納米一詞真正被世界廣泛關注肇始於1959年12月9日。那一天，美國理論物理學家理查德·費曼在美國物理學會上作了一個題為《在底部還有很大空間》的報告。當時，費曼用了一個“科幻小說式”的演講提出了一個理論，就是制造物品可以以單個分子甚至原子為基本單位進行組裝，以達到設計要求。費曼說：“至少依我看來，物理學的規律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性。”並預言，“當我們對細微尺寸的物體加以控制的話，將極大地擴充我們獲得物性的范圍。”這被視為是納米技術概念的靈感來源。

費曼很有遠見，隨著物理尺寸的減小，一系列的物理現象就顯現出來，包括統計力學效應和量子力學效應。同宏觀系統相比，物質的許多物理性質在納米的尺度下會發生改變，一個典型的例子就是材料的表面體積比。廣義上講，納米技術是科學和技術在理解和制造新材料新器械方向上的推演和應用，這些新材料和技術大體上就是物理性質在微尺度上的應用。

王中林說，真正提出“納米”這個概念的時候已經到了20世紀80年代末、90年代初。1983年到1987年時，王中林還在讀博士，當時做的課題就是小納米顆粒。他說，那個時候還不叫“納米顆粒”，就叫“小粒子”（small particle），現在才叫“納米顆粒”（nanoparticle），其實就是一個東西。人們一直以來就對微小粒子很感興趣，但最初主要是對於結構和性能層面的研究。從科學的角度來看，相比於大塊的粒子，小粒子的性能是不是會有不同？它的結構是不是也與大塊粒子的結構有異？我們現在知道，當粒子非常小的時候，它的晶體結構就不一定是立方結構或六方結構了，而會發生變化。“當時我研究的方向是顯微學，就是看原子和分子結構的。”之后，由於微電子發展到了納米級，因此微小顆粒的研究相應地也就提升到了技術層次。

我們現在的集成電路使用的都是硅技術，那麼當計算機芯片、晶體管的尺寸一縮再縮的時候，就出現了微小粒子的研究還能走多遠、還能走多少年的問題。人們迫切地想知道，晶體管到底可以做到多小，物理極限在哪裡。這就到了90年代，“納米技術”“納米科學技術”的概念就真正普及開來了。

B.美國政府對納米科技的強烈興趣

1999年，美國克林頓政府提出了“National Nanotechnology Initiative”（美國國家納米技術計劃）。自從美國提出這一計劃之后，在世界范圍內都開始興起一股納米研究的風潮，並帶動了化學、材料學、物理學、生物學以及之后電子學的跨學科技術的發展。

政策的引導是引導經費的走向，美國國家納米技術計劃就是這樣的一種引導模式。王中林說：“我們作研究，沒有支持是不行的。隻有大的支持才有大的產出，大的政策指導會帶動大的經費投入，而隻有大的經費投入，人們才能有機會深入研究，因此政府的導向極其重要。政府需要有一批非常優秀、具有前瞻性的科學家做它的顧問。”

納米技術的尺寸概念極大地將不同領域的科學家們會聚在了一起。一納米等於千分之一微米，一微米又等於千分之一毫米。我們頭發絲的寬度是50000納米，所以納米是一個非常小的長度單位。在這個尺度范圍內，研究原子物理的物理學家感興趣，研究分子化學的化學家感興趣。與此同時，隨著摩爾定律的發展，電子學、工程學、材料學的專家都對納米科技的新發展有著強烈的興趣，大家都想知道芯片的性能和尺寸能小到怎樣的極致。

王中林介紹說，納米科技的發展有以下幾個不同的階段：先是納米顆粒，然后到碳納米管、量子點、納米線，石墨烯、再到納米發電機等等，這一系列的發展都有明確的應用導向。“過去我會給人們講納米多神奇，現在我會給人們講納米能解決什麼問題。標題是有時間階段的，但是它的應用是無限的、是有長久生命力的。”

納米科技的發展對人類最大貢獻不只是生產了性能更好尺寸更小的芯片，它的積極意義集中體現以下幾個方面：第一，帶動了跨學科技術的發展﹔第二，帶動了人類對微小技術的認識，並促進了相關技術的發展﹔第三，在人才培養方面，為教育提出了一種交叉學科人才培養的新模式。

C.超越非定律的摩爾定律

隨著單個硅芯片上的器件密度每18個月就增加1倍，提升CPU速度以及集成片上的系統功能成為IT技術的主要發展方向。然而，當微電子工藝接近10nm時，晶體管的尺寸趨近了物理極限。

王中林說，“摩爾定律”其實並不是一個定律，它是戈登·摩爾1965年時在一篇三五頁的文章中首次提出的。摩爾認為，每18個月同一芯片上器件的密度會翻一番，並把這一結果作為世界微電子領域中度量的標准。英特爾公司利用強大的財力（戈登·摩爾是英特爾公司的創始人之一），一直推動著科學技術的發展按著這著速度向前邁進。其他人隻有跟上這一步伐，才能緊跟世界潮流，如果跟不上就被淘汰。所以，正是英特爾公司強大的經濟支持，才維持了技術上的領先地位。但是，這種技術的領先並不是一種“自然法則”，我們現在所指稱的“摩爾定律”其實是在經濟驅動下形成的。任何原則都有自己的邊界，摩爾定律也不例外，它一定會有發揮效用的極限，這也是一種“自然規律”。因為三極管的尺寸小到一定程度就不能再小了，單個原子當然是不可能做成一個三極管的。所以，小到一定程度之后，科技追求的方向就必然不是使它一直小下去。在極限到來之前，人們可以去做一些下游的東西，也隻有這樣才能夠實現科學技術的彎道超車。

王中林認為，“后摩爾定律”時代，科技界發展的方向應該是使產品更加功能化：個性產品、攜帶式產品、柔性產品等都是未來的發展方向，而納米技術正好可以發揮其威力。用“速度+功能化”的理念推進，人們才可以超越“摩爾定律”。從面向未來的角度來看，未來納米科技的發展集中體現在以下五大階段：一是納米材料﹔二是材料的表征﹔三是納米器件﹔四是陣列性﹔五是系統集成。納米技術未來必須要有一個應用的出口，才能全面造福人類。基於這一點可以預見，未來納米技術的發展形象將日益“微小集成化”“無線移動化”“功能智能化”和“自驅動化”。這些發展趨勢可能人們還沒有完全認識到，但是隨著時間的推移，新科技想必會向這些方向發展。

D.神奇的摩擦納米發電機

作為納米研究領域的頂尖科學家，王中林院士一直走在科學的最前沿，他認為傳感器網絡和個性化醫療服務將成為近期產業界的主要驅動力。王中林創立了“壓電電子學與壓電光電子學”，並利用摩擦起電和摩擦發電的原理研制了“摩擦納米發電機”，這兩項科研成果有望在很多領域實現貼近生活的應用。王中林說，未來很多裝置在身體中的醫療器械就不再需要電池了，因為自驅動本身就是一種可以實現自己發電的技術，這一技術還可以推廣使用在安防和老年人監護等方面。

王中林說，縱觀人類心臟起搏器的發展歷史，可以發現，設備一直在往小型便攜化的方向發展。現在，最新的心臟起搏器已經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。而之后發展的方向就是不再用電池，讓心臟起搏器“自驅動化”。當人在呼吸或者心肌活動的時候，它都是一種“動”。摩擦發電機對這種低頻的信號非常敏感，利用這一特征，人們可以將發電機設在內胸腔上。這樣一來，人在呼吸時所產生的伸縮和擴展運動就足夠提供發電的動能了。王中林驕傲地說，這一理論已經在老鼠和豬身上驗証過。可以想見，當這種醫療設備不需要電池之后，器械本身就能夠變得更小，這不僅可以降低手術的難度，而且也會減少病人因手術而產生的損傷。

王中林興奮地介紹說，摩擦納米發電機的應用相當廣泛。比如，把它安裝在鍵盤底下，感受人們在打字敲擊鍵盤的頻率和力度，就可以把人的打字習慣記錄下來，轉變成電信號。這種信號就像人們的指紋一樣，是不可復制的，這就可以為信息的安全以及系統的保護提供一種新的途徑和可能。

此外，王中林還提出了一個“藍色能源”的概念，他利用摩擦納米發電機的原理，為人類收集利用海洋能源提供了新的解決方案。他說，人類現在發電所使用的原理都是電磁發電，為了收集水能而修建大壩、將水流聚集起來。但是，水流波動所產生的能量卻是無法收集的，可是海洋廣袤無垠，這種波動本身就是一種巨大的能量。電磁發電很難將這些波動的能源收集起來，因為電磁發電機很沉，在自然狀態下它會沉下去，所以需要修建一座塔將它頂起來，但是這樣造價就會很高。人類長期以來關於波動能源的收集一直沒有有效的解決辦法。“而我們將摩擦發電機做成了球形，像網球一般大小。通過球中套球，外層的球在水中隨波浪晃來晃去，裡邊的球也隨波動晃來晃去，就會產生發電所需的能量。並且因為它是球體，所以是無規則的，哪個方向都可以。通過發電球積少成多的規模效應，收集波動能量並發電的可能性大大提高了。”

王中林強調，科學家不應僅僅當“學究”，當代的科學家應該有戰略思維和前瞻思維，也正是在這種思維的引領下，才取得了許多重要的研究成果。很多人常常抱怨沒有經費、沒有人員，隻能靠自己努力。但是，在很多情況下並不是經費多了才有原創，其實“窮則思變”。“我在研究的過程中就遇到過很多艱辛的時刻，但無論有多麼的艱辛，我都沒有喪失過對成功的信心。這種不可戰勝的信心是科學研究中最重要的品質。”（記者 李盛明）