納米材料的新應用場景-未來科學論壇嘉賓對話

本文從納米材料多個領域科研專家和教授的角度闡述了納米材料當下和未來在眾多行業(yè)的新應用和方向，提出了一些更加務實的納米科技研究思路，雖然是2017年未來論壇未來科學大獎頒發(fā)期間的對話，但對未來納米材料的進一步研究和推進有著更清晰的指引。

原標題：嘉賓對話：納米材料的新應用場景

2017年10月28日上午未來科學大獎頒獎典禮暨未來論壇年會在京舉辦。在研討會一的對話環(huán)節(jié)，主持人楊培東和嘉賓崔屹先生、江雷先生、周郁先生進行了精彩的對話。

以下為對話實錄：

　　楊培東：因為今天我們在這談的是納米材料，剛才聽到兩個演講，關于納米材料主要在能源方面的應用，簡單回顧一下過去幾十年當中，納米科技的發(fā)展，應該說，納米科技從上個世紀大概80年代初的時候，開始成長，在這個過程當中，有量子點，最早的是量子點的發(fā)明，然后量子點作為一個學科、一個領域，非常大的一個領域，量子點之后，后面又有一系列的非常有用的，然后有一些非常新奇的化學或者物理性質(zhì)的一系列的納米材料產(chǎn)生出來，像碳60，發(fā)現(xiàn)以后，獲得了諾貝爾化學獎，碳60之后，在90年代初，又看到了另外一類的納米材料，像碳納米管，之后在90年代初，又有一類很大的非常有用的納米材料，就是半導體納米導線出來。00年左右，出來另外很有意思的納米材料，就是石墨硒，石墨硒在前幾年獲得了諾貝爾物理獎。當然現(xiàn)在又看到了各種各樣的非常好的，像我們通常說的二維材料，很熱門的一個研究領域。過去二三十年納米材料有層出不窮的新材料出現(xiàn)，產(chǎn)生了非常好的化學和物理性質(zhì)，衍生出來很有用的技術。

　　納米材料科研方面有什么節(jié)點和發(fā)展方向，開始之前，首先介紹兩個嘉賓，江雷教授跟周郁教授，首先讓他們利用兩三分鐘的時間，講一下他們在納米材料上面的科研。

　　江雷：我是中科院理化所的江雷，我的研究方向主要是研究仿生智能精準材料，這個領域非常廣，能源、資源、環(huán)境到新材料都有，我明天會有一個報告，詳細地說這方面的內(nèi)容，今天時間關系，不做詳細的討論了。

　　周郁：大家好，我是周郁，普林斯頓工學院的教授，我的主要領域是納米制造、納米材料和納米器件，以及其他在各個領域里的應用，我明天有一個報告，關于納米制造和納米材料的關系。

　　楊培東：接下來回過來討論一下，接下來在未來，這個也是未來大獎，在未來幾十年當中，納米科技應該有什么樣的機會、什么樣的挑戰(zhàn)？

　　崔屹：剛才楊培東回顧了過去20年、30年，納米材料以及納米科學上的一些重要的材料體系，我想往下可能兩個方向會繼續(xù)往前走，基本上過去20年，每隔五年左右，就會跳出新型的材料，想都想不到，突然之間出現(xiàn)新型的系列材料，大家就瘋狂研究。往下發(fā)展，還有可能出現(xiàn)其他新型體系的材料，像過去20年那樣，所說的量子點，石墨硒、碳納米管、半導體納米線、納米孔材料等等，將來更大的發(fā)展，對過去20年，新型納米體系的材料，跟最終解決問題的連接上，科學問題連接上，性能連接上，反饋到納米材料，機會可能會特別大，因為過去20年積累了很多技能，怎么合成出我想要的材料，不同形貌的，有不同的孔隙率等等一系列的技能，跟最后產(chǎn)生的問題、技術結合，這樣又會產(chǎn)生科學。

　　江雷：我認為未來納米科技在能源、環(huán)境、健康、信息領域都有很重要的應用，那么我這里舉幾個例子，比如淡水的采集，一個國家最終國民生產(chǎn)能力，是淡水占有量，看一下世界地圖。淡水采集如何在中國的中西部，包括其他的非洲地區(qū)。從環(huán)境角度上，簡單的是兩個事情，一個是霧霾事情，比霧霾更重要的是環(huán)境荷爾蒙，洗衣服、洗衣機還有化工對于環(huán)境的污染，50-100年之內(nèi)，人類能不能生存問題，能不能生出孩子問題，環(huán)境荷爾蒙問題解決，農(nóng)藥的大量使用，對健康的影響。這些都是化學污染，霧霾多半是物理污染，能看得見，摸不著的是這兩個。

　　在信息領域納米科技會進入的方向是什么呢？進入柔性問題，如何用加工有機光材料，進行微納加工，有機光電、微電子和傳統(tǒng)的硅基電子結合，這是信息領域的突破。能源在鋰電池還有水力發(fā)電、風力發(fā)電之后，另一個異軍突起的是能度差發(fā)電，宗旨是仿生、電鰻（音譯），就是一個毫秒放出600電壓，靠離子能度差，海水淡化過程產(chǎn)生巨大能量，全世界海水產(chǎn)生20TW，人類用10TW差不多了，這是巨大挑戰(zhàn)。

　　周郁老師做器件的，信息領域有更高的見解，不再多說了。

　　周郁：將來非常美麗，預言將來怎么樣這是很難的事情。有三個重要方面，肯定對未來能源和其他領域，有非常重要的作用。創(chuàng)新性概念，打破傳統(tǒng)性概念，大家一定要能夠有革命性想法，這是將來很大的推動力，還有一個重要的推動力，就是很小的想法在實驗室里做出來，但是沒有能力做出產(chǎn)品化、大量生產(chǎn)，這個概念不管有多么好，慢慢就不去研究了。很多今天的概念，很多年前在實驗室已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，為什么到今天，人們才重視它？原因就是現(xiàn)在的制造技術可以把這種新技術能夠使我們應用。

　　崔屹博士講，你要想到，不是每個單獨技術，是新的應用目標，要想怎么把各種技術，任何可以用上的，來實現(xiàn)你的應用，這是很重要的方向。所以我覺得創(chuàng)新、制造然后是應用，這是三個很重要的推動力，對于將來的能源還有其他領域是非常重要的。

　　楊培東：接著周郁講一下，從納米科技作為如果將來創(chuàng)新型的科學技術，從應用方面現(xiàn)在很多時候大部分替代性的，現(xiàn)在已經(jīng)有化學工業(yè)、半導體工業(yè)也好，現(xiàn)在很多納米材料，在替代某些系統(tǒng)里的一些東西，從創(chuàng)新的角度來看，納米科技有沒有能夠想到未來，未來有沒有可能創(chuàng)造現(xiàn)在還沒有的，是納米科技能夠真正因為納米技術，形成將來的技術，有沒有可能將來（英文）真正納米材料能夠做的？

　　江雷：這是未來的組織工程問題，納米技術如何和基因工程結合，然后產(chǎn)生組織工程，每個工程都是諾貝爾獎級的，最簡單的一個是納米技術和基因工程結合，比如種牙，牙拔下去就完了，還要鑲假牙或者種假牙，納米技術和基因工程結合，把牙的干細胞取出來，再放到牙的位置上去，像你三歲換乳牙的時候，長出一顆牙。這件事情一定能成，因為上帝已經(jīng)安排做過這個事情，只是我們找到這個啟動牙再生的基因，牙就長出來了，干細胞能達到的。這件事情做完了就是諾貝爾獎。

　　為什么牙是納米材料，牙的基本材料是碳酸鈣組成的納米棒，按照基因程序化組裝做成的牙，整個控制靠基因控制。所以納米技術和基因技術結合，不光是牙，還有很多，比如骨頭，骨頭壞了、折了，再長一個安上去，這是未來的健康產(chǎn)業(yè)，巨大無比。

　　楊培東：糾正一下，做完了應該獲得未來大獎。

　　周郁：很多技術都是對將來的材料有很大的意義，像這些量子點，還有另外一種納米制造辦法，納米結構是非常有序的，光子晶體，或者很多人造納米材料，實際上要用到非常納米結構很準確控制，不但控制它的大小，而且要控制它的位置在什么地方，現(xiàn)在傳統(tǒng)就是用做集成線路的辦法，這個只能做在很小的表面上，怎么做到墻這么大的東西，而且特別便宜。這是很重要的問題。

　　因為我在這里面做了很多工作，納米壓印是我20年前發(fā)明的技術，現(xiàn)在已經(jīng)被工業(yè)界廣泛用到制作各種產(chǎn)品，包括基因檢測，包括材料，包括谷歌glass，很多手機上都是用納米壓印的東西做出來，很多人說怎么沒有在報紙上看到呢？很重要的原因，工業(yè)很少向外界告訴，他們的成功辦法，他要是做得好的話，一定不告訴你，所以你從來聽不到，不成功的東西，要把它發(fā)表。因為我本人在學術界做，而且我在工業(yè)界做，我開過四個公司，做的好的東西從來沒人講的?，F(xiàn)在很多新聞，不應該太在意，到底哪個東西有用沒用，不應該根據(jù)新聞，應該根據(jù)哪個東西真正應用到產(chǎn)品上。

　　另外一個重要點是造價是最重要的東西，如果發(fā)明一種制造辦法，把造價降成十倍，過去英特爾CEO很有名的一句話，制造價錢如果能夠降十倍，這要有新的革命。要看什么時候有革命，看這個技術是不是能把過去的造價減到十倍。如果能的話，一定是一個革命性的技術。

　　崔屹：納米科技到底能開創(chuàng)一個什么新的完全產(chǎn)業(yè)？不是替代性，是開創(chuàng)出來的。有兩個相關的補充一下，可能是開創(chuàng)性的，不能完全脫離現(xiàn)有的應用，比如現(xiàn)在穿的衣服，就是基本功能保暖、美觀，所以能不能在穿戴上面，現(xiàn)在有一點苗頭，但是還沒有完全展開，就是你所穿的衣服上面，我有diseplay的功能，上面可以放電影，還可以穿謹慎一點，能測量出身體的皮膚，每一塊肌肉的情況，現(xiàn)在坐姿如果不是很好可以提醒我，還有上面有很多傳感器，把身體健康狀況測出來，很多功能可以加到穿戴上，這是納米上面會開創(chuàng)的全新應用?，F(xiàn)在是所謂的IOT，就是物聯(lián)網(wǎng)，需要大量的遍布各個地方，包括對于環(huán)境的監(jiān)測，各種各樣的監(jiān)測等等，以及食品，IOT上線可以開創(chuàng)大的領域，這兩個有可能性。

　　周郁：關于穿衣服，衣服可以跟（英文）結合起來，穿上以后，雖然是一個人，可以跟小孩擁抱，科技跟另外一個人接觸，都是靠衣服產(chǎn)生這種感受。

　　楊培東：過去幾十年當中，納米科技各種各樣的新材料，如果將來納米科技真正形成新的產(chǎn)業(yè)，必然聯(lián)系到將來的制造，肯定是非常大規(guī)模的，可能產(chǎn)生挑戰(zhàn)，怎么做這個事情？納米材料制作過程當中，又會引起什么樣的新環(huán)境問題？

　　周郁：很多制造技術確實需要減低對環(huán)境的影響，我自己覺得納米壓印就是改變物質(zhì)的形狀，所以很少有些污染，當然還有很多化學東西，如果能減少制造當中的污染，也是很重要的。

　　崔屹：納米制造非常重要，現(xiàn)在面臨的重大挑戰(zhàn)是在制造上面的很多問題。比如硅負極，做了十年，科學問題解決差不多了，應用的時候發(fā)現(xiàn)，制造成本要掉下去，現(xiàn)在用的工藝做出來的材料，發(fā)現(xiàn)用的這個溶劑不行，不環(huán)保，而且太貴，整個工藝都要改，一直要改到那個程度，簡化到那個程度，最后算出來成本足夠低，產(chǎn)生的污染知道怎么回收，氣體還是液體污染，不行的話又得改，得換東西，來來回回其實在公司里需要折騰很久，很多循環(huán)，最后才找到一個成熟的工藝。它和當初實驗室做出來的工藝過程完全不一樣，要到這個程度，這樣的考慮，特別是對中國是一個制造業(yè)的國家，里面過去的環(huán)境成本太高，過去是忽視了，現(xiàn)在環(huán)境成本全加回來了，所以整個制造工業(yè)，不光納米制造，所有的制造工業(yè)，都要重新考慮工藝設計，納米制造業(yè)不例外。

　　江雷：其實納米制造對于環(huán)境壓力并不大，因為多數(shù)情況下納米材料的使用不是單一情況下使用，只有少數(shù)情況，人體成像還有藥物載體，很少單一使用，往往是復合體系，多尺度體系，這種情況下幾乎沒有環(huán)境問題，就像大樓，用混凝土做的一樣，你能感覺到沙子的存在嗎？多數(shù)情況是復合體，納米本身作為一個產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)存在過，就是催化劑產(chǎn)業(yè)，其實就是納米顆粒負載在微米或者更高級尺度上的重要產(chǎn)業(yè)，巨大無比，并沒有造成什么環(huán)境污染，這個擔心不是說完全不必要，但是不需要特別的注重，但是我們也要保持一定的警惕，做這樣的安全研究。

　　楊培東：接下來談一下相對不一樣的討論，現(xiàn)在人工智能非常熱，可以討論一下接下來人工智能在材料界是怎么樣的一個角色？

　　江雷：人工智能的未來表現(xiàn)形式毋庸置疑，歸根到底離不開材料，離不開智能化的器件，可穿戴電子技術是必選項，這里面的有機光電合成材料架構器件規(guī)?；に囀俏磥砣斯ぶ悄苣懿荒茏哌M千家萬戶的很重要的關鍵問題，軟件識別還有圖像識別等等其他的當然還有。這是非常重要的事情，而且和納米科學技術相關。

　　崔屹：人工智能現(xiàn)在發(fā)展了很多的方法，對數(shù)據(jù)的分析，現(xiàn)在有一個剛剛開始的方向，就是對人工智能的辦法，對新材料的發(fā)現(xiàn)，我們實驗室和斯坦福另外一個教授的合作，在鋰電池上面有一個研究方向，固態(tài)電解質(zhì)，要找到鋰離子的導體，傳導很快，找這個材料怎么找，大家半個世紀都是憑經(jīng)驗找，現(xiàn)在想對已知的數(shù)據(jù)庫進行分析，用人工智能能不能預測出有什么的材料，有什么的樣性質(zhì)，離子導的很快，離子超導體，跟電子超導體是兩個概念，很可能人工智能對新材料的快速發(fā)現(xiàn)，以及設計，會有所貢獻。當然現(xiàn)在比較早，看不出效果怎么樣，能看到一些苗頭，有可能這上面有一些影響。

　　周郁：人工智能其實有很長的歷史優(yōu)化，為什么突然一下變得那么重要，實際上有兩個東西，很有本質(zhì)的變化，一個是大數(shù)據(jù)，很多數(shù)據(jù)可以集中起來，過去拿數(shù)據(jù)很困難，然后是計算機能力，手機計算機能力比十年前大計算機都要強，這種情況下，優(yōu)化辦法比較廣泛，過去沒法優(yōu)化的事情，有計算機和大數(shù)據(jù)的情況下也有可能，優(yōu)化性就是人工智能用到很多領域去。

　　楊培東：人工智能和材料相輔相成，之所以現(xiàn)在有人工智能，的確離不開過去幾十年材料發(fā)展，計算速度依賴于半導體工業(yè)過去幾十年當中的發(fā)展。人工智能反饋回來材料界，將來是一個新型有很多機會的領域。

　　接下來時間，大家現(xiàn)場有沒有問題。

　　提問：我本人做納米器件加工，并且做納米工業(yè)器件的研究，問一下周教授，開創(chuàng)并且發(fā)明了納米壓印技術，在工業(yè)界推廣做了很多貢獻，納米壓印技術在工業(yè)界推廣過程當中，現(xiàn)在可能遇到的技術瓶頸和相應對策？

　　周郁：我明天有一個講演，首先給你稍微講一下，現(xiàn)在納米壓印被各個領域都在用，從做半導體器件，做顯示器，做生物等等，每個領域用的時候有不同的要求，你要把技術根據(jù)你的應用需要調(diào)整，所以這是一個很多面性的事情，好的事情是大家都在用，而且已經(jīng)用到產(chǎn)品上面，表示出很多技術的東西都已經(jīng)被解決了。

　　提問：做納米工業(yè)器件對納米尺寸的均勻性要求相對來說比較高一些，納米壓印技術對微米尺度器件影響不那么大，納米尺度對均勻性怎么更好地保證均勻性？

　　周郁：明天就要講這個事情，納米壓印關鍵的是做模子，怎么做均勻，有缺陷的話怎么修補。我明天講這個問題，有一種辦法，叫做自我修補。開始的時候做出來不是好的，可以變成完美的，大自然很多原理，用的巧妙的話，可以做這種非常神奇的事情，我明天就要講這個內(nèi)容。

　　楊培東：順帶談一下納米打印跟現(xiàn)在應該說很熱門的3D打印，將來是相輔相成？

　　周郁：因為我也跟很多做3D打印的人非常熟，它的目的是完全不一樣的，而且原理也不一樣，現(xiàn)在所有的3D打印都是用光的辦法，然后產(chǎn)生化學變化，形成三維的形狀，一用光的話，已經(jīng)把它最小的尺寸限制住了，大概一個微米左右，不能再笑了，明天我要講的話，納米壓印可以做到0.1，幾個原子的結構，都可以用納米壓印的辦法做，應用就是不一樣，比如好多3D打印的應用，做運動鞋，要有特別的材料，又透氣，又輕，而且要合適你的腳的形狀，不能靠過去剪一塊兩個平面的布，靠怎么折，一做就做成三維的，做好，根據(jù)腳的形狀做這種正好就是穿在你腳上就是合適的。這些周期用3D打印，還有做汽車殼大的東西，目的是不一樣的，但是各有各的應用。

　　楊培東：三維打印能不能在納米制造上有所突破？

　　周郁：將來要結合幾種非常不一樣的技術，結合在一起，可以先用3D打印，做出一個架子，就是微米級的架子，然后再用自組裝的辦法，或者用其他的技術辦法，怎么把微米級的三維的東西變成納米級的三維東西。這樣就做出來了。

　　提問：冷凍電鏡這個技術在未來材料科研里面的應用前景？

　　崔屹：昨天我們在科學雜志上發(fā)表了一篇論文，用冷凍電鏡技術研究鋰電池的材料，冷凍電鏡技術頒發(fā)諾貝爾獎化學獎，冷凍電鏡研究蛋白質(zhì)生物體的結構，去年用冷凍電鏡技術研究材料學，凍在那，液氮溫度非常低，中間鈦可以凍技術，還有用冷凍電鏡研究結構生物學。我們現(xiàn)在研究材料，材料上面有很多重要的材料，鋰電池金屬鋰不穩(wěn)定，熔點比較低，電子束打上去，不穩(wěn)定。各種各樣催化材料，相信冷凍電鏡技術可以穩(wěn)定住，用電子顯微鏡，可以看到原子結構排布，從而給很重要的信息，技術應用問題出在哪，或者怎么做好，知道結構才能知道性質(zhì)。昨天發(fā)表這篇文章可能是開創(chuàng)性的，我們跟生物學家學，把他們發(fā)展的技術拿過來，研究材料科學。未來大量工作用于冷凍電鏡，用于材料學。

　　提問：太陽能一系列的領域，很多領域現(xiàn)在用太陽能，從物理角度，本來太陽能是注入地球負傷的一個主要來源，如果太陽光落在地面上變成熱量，直接轉(zhuǎn)化成傷浪費了，如果做太陽能的各種各樣利用，是不是可以說我們延緩了傷的轉(zhuǎn)變，或者傷的增加過程。不管怎么樣，還是不能改變傷增加，實際上最終達到了還是太陽光變成了傷，有沒有這樣的作用？通過一個化學反應儲存了能量，而使得太陽光落到地面上，轉(zhuǎn)化成傷的增加過程減緩了。有沒有可能我們這樣的利用，影響了地面的生物光合作用，如果起到不是好的作用，負面的還有一個作用。

　　關于生物方面的，我們現(xiàn)在農(nóng)藥，還有一些病蟲害的污染，從基因工程角度有沒有可能把病毒或者有害的，用基因工程角度，直接變成有用細胞，讓所有的這些有害的細菌，或者病毒，不讓它產(chǎn)生，比如癌細胞，從基因工程角度來說不讓它生長，逆生長，生長出對人類有用的細胞。有沒有可能？可以用納米結合基因工程生長一個新的牙，按照這樣的思路，人類有沒有可能最終發(fā)展成所有人的器官都重新生長，想什么時候生長什么時候生長，人立刻重新開始變成一個新的人，我所有的器官都想革新就革新一遍，是不是未來有這樣一個可能？

　　楊培東：關于傷增加這個事情，肯定會發(fā)生的，做化學反應過程當中，肯定會發(fā)生。但是我們做太陽能轉(zhuǎn)化成化學能也好，轉(zhuǎn)化成電也好，事實上你從過去，從地球的形成過程當中，可以看到，我們現(xiàn)在所的原油也好，也是太陽能，只不過在過去幾百萬年當中，太陽能轉(zhuǎn)化成化學能，這是一個很慢的過程，最終儲存到地下去了。所以我們現(xiàn)在用的原油實際上是幾百萬年前的太陽能，我們現(xiàn)在想要做的把整個過程加快，因為我們從整個地球體系來說，我們需要把二氧化碳排放減緩，從化學尤其從傷的角度看這個事情，加快光合作用，為了減緩傷。

　　江雷：第一個問題，您的設想是反自然的，對于人類來說你說是害蟲，但是它存在是合理的，它吃你的糧食天經(jīng)地義，上帝造了它就是要吃東西，所以要消滅它就是法西斯了，所以不能消滅它。

　　第二個問題，也就是我提的問題，是順應自然，牙可以再生，人只是再生一次，有些變色龍可以再生很多次，抓住尾巴，掉了，再長出來。再生的基因成長，這個問題是存的在，而且順應自然，完全可以的。想換什么就換什么的時代肯定可以到來的。

　　楊培東：感謝三位嘉賓，感謝大家的參與！（轉(zhuǎn)自新浪科技）