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1、2002年9月6日 走近纳米材料（张泽、秦禄昌）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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、，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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、，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
12、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
13、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
14、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 I
15、BM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
16、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，所以那是占体积最大 的部分，而不是晶体管，晶体管已经小到肉眼看不到了，所以就说还有很多外围的东西，所 有的相配的技术问题解决之后，才可能实现大家想象中的完美无缺的，所以很小的东西。刚才我们讨论了纳米技术的信息技术上的应用，现在还有个重要应用在芯材料上的应用， 比如咱们国家科学家研制出纳米铜，就非常好，这是沈阳技术所，我们二位都毕业于那儿， 他们做这个工作是很有意义的，从科学上也很有意义的。芯材料呢，我们现在看我们周围的一切，这个演播厅里一切都是材料做成的，建筑材料， 金属材料，有机材料，无机材料等等，这些材料怎么让它发挥一些新的性质，这是大家所追 求的，譬如说陶瓷
