北京大学科学技术与医学史系开设的《当代科技史》系列课程第四讲特别邀请到北京大学纳米科学与技术研究中心刘忠范院士讲授《纳米科技的前世今生》。

刘忠范院士是中国最早从事纳米科技研究的学者之一。在课堂上，刘忠范院士从电影和生活中的纳米技术讲起，深入浅出地讲解了纳米科技的原理，回溯了纳米科技史上影响深远的重大发现，当代最新前沿科学的进展及应用，还有这些研究对人们生活的影响。纳米科技的发展历程中有种种偶然因素，但其发展到今天却是必然的。纳米科技已经应用到人类生活的各个领域，并将在未来蓬勃发展，甚至引领下一次科技革命。

Part 01

走进生活的纳米技术

从1987年《惊异大奇航》中在人体器官中穿梭的缩微飞行器，《苍蝇》中的时空传送装置，到2009年《变形金刚》中可以分解重组的纳米机器人，这些科幻电影中的“微缩技术”，都体现着人类对纳米技术的想象。

在荧幕之外，纳米技术已经逐渐从科幻走向现实，各式各样的“纳米”产品早已进入了人们的生活。从纳米洗衣粉、纳米衬衫到纳米负离子抗菌防危壁纸，纳米能量腰带，还有纳米活化剂，纳米酒等等。“纳米”已经成了一个时髦的概念，不过，虽然纳米技术具有种种特性，但商家宣传的抗菌、抗垢、除臭甚至保健等功能常常水分很大，人们对纳米技术的认识还需要一个过程。

各式各样的纳米产品

Part 02

古代和自然界的纳米技术

（一）古代的纳米技术

纳米技术并不是新生事物，在古代工艺品和自然界中，都能找到纳米材料或纳米结构。

乌兹钢是古印度工匠以纳米技术为基础创造的奇迹。研究发现，这种钢之所以具有超塑性和高冲击硬度等性能，是因为含有碳纳米结构，可能是在淬火过程中形成的。在大马士革刀表面，科学家发现了碳纳米管。

莱克格斯杯（Lycurgus Cup）

早在4世纪，古罗马就制造出了会变色的莱克格斯杯（Lycurgus Cup），当光线从外面照射时，玻璃杯呈暗绿色; 当光线从里面照射，玻璃杯是亮红色的。这是因为用到了金和银的纳米颗粒。还有欧洲教堂斑斓的彩绘玻璃，其实是各种各样的纳米氧化物在起作用。日常所用的口红中也含有纳米。

古代锻造刀具时的淬火技术，也可能会无意中形成纳米结构。中国古代也有纳米技术。王羲之研磨，研得越细写得越好。那个就是碳的物质，纳米颗粒带来的东西。所以王羲之才可以写那么漂亮的字。1972年，长沙马王堆出土的铜镜据说也有纳米技术，就是氧化锡，研磨后还是光亮如初，但有待考证。纳米技术虽古已有之，但多是工匠无心栽柳。现在的纳米技术则是建立在坚实的科学基础之上有意为之的高新技术。

（二）自然界的纳米技术

自然界中的纳米技术也随处可见。比如“飞檐走壁”的壁虎，爪子具有特殊的黏附系统结构，最小黏附单元达到纳米量级，保证脚掌能轻易地与各种表面达到近乎完美的结合；莲叶之所以“出淤泥而不染”，得益于表面很多纳米尺度的突起带来的超疏水特性。还有会“水上漂”的水黾（俗称“水香油”），是因为腿部刚毛表面具有螺旋状纳米结构的沟槽，能形成气垫。

自然界的微纳结构可以带来靓丽的颜色，比如蝴蝶的翅膀。与我们的衣服不同，蝴蝶翅膀的颜色并非来自色素，而是鳞片带来的结构色；也能形成坚韧的结构，如人的牙齿。牙齿是高度钙化的纳米结构组织，硬度大大超过钢铁。

自然界的动植物对各自结构的巧妙利用，能为科学家提供丰富的灵感。例如纳米领带就应用了“莲花效应（Lotus Effect）”，以达到防污效果。仿生在纳米技术的发展中非常重要。

Part 03

纳米科技的崛起之路

纳米世界似乎是离我们生活很遥远的一个世界。纳米究竟有多小呢？1纳米等于10-9米，等于千分之一微米。打一个形象的比方，把一纳米的小球放到乒乓球上，差不多相当于乒乓球放到地球上。

在这个小世界里，4个铜原子排一串的长度是1纳米，1个血红蛋白长达7纳米，烟草花叶病毒长达300纳米左右。而集成电路的线宽，现在已经能加工到5纳米，10纳米左右。

（一）纳米研究的技术基础

现代纳米科技经历了从幻想到现实的发展历程。1959年，费曼在美国应用物理学年会上发表了自己的科学畅想：“物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物质的可能性”“人类一旦掌握了对原子逐一实行控制的技术后，能按自己的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了”。1974年，东京理科大学教授 Norio Taniguchi首次使用“纳米技术（Nanotechnology）”一词，来描述精细的机械加工。

但在当时，人们并不知道原子是什么样的，原子与分子仍是理论科学家的天堂中的实在，“任何人始终无法看到”。直到1981年，G. Binnig和H. Rohrer发明了第一台扫描隧道显微镜（STM），可以直接看到单个原子和分子的电子结构。1986年，两位科学家获诺贝尔物理学奖。

扫描隧道显微镜有一个非常细的导电针尖，连上电路后加电压，当样品与针尖的距离小于一纳米时，会出现电流。这就是隧穿效应。这个隧道电流非常敏感。距离减少0.1纳米，电流会增大1个数量级，测量得非常精准。

然而，STM的观测需要电流，非导体该如何观察呢？1986年，人们又发明了原子力显微镜（AFM）。这个显微镜有一个非常轻的三角形放大悬臂，上面有一个探针。接触原子表面时，原子间的引力和斥力的改变会引发探针晃动，探针上打了一束激光，晃动会引发光点移动，通过悬臂放大到很多倍。这些仪器的原理描述起来简单，发明却非常不易。

后来又发展到扫描探侦显微镜 (SPM），如果STM是0到1的突破，AFM是从1到10，现在的“扫描探针显微镜大家族”就是从10到100。0到1的原创是最困难的，所以获得了诺贝尔奖。这些仪器的发明使得人们能够在实空间内观测和操纵原子、分子，为纳米科技的诞生奠定了重要的技术基础。

《小男孩和他的原子:史上最小的电影》

20世纪90年代，用原子排列成文字和图案非常热。1993年8月，我国科学家在晶体硅表面写下“中国”两个字；北大学者则用AFM机械刻写出最小的北大校徽；……这是最高端的纳米技术，但并没有实际应用价值。

（二）纳米材料研究

纳米材料是纳米科技的重要基础。早在1984年，纳米研究的先驱，德国萨尔兰大学的H. Gleiter教授等人首次用惰性气体凝聚法制备金、铁的纳米晶，原位加压成纳米固体材料，并进一步研究了纳米陶瓷的性质。

C60和富勒烯的发现：1985年，Kroto与Robert Curl、Richard Smalley等人为了理解宇宙空间中长碳链的生长机理，用激光蒸发石墨，发现了C60，也即富勒烯。由12个五元环和20个六元环构成的空心球形，形似足球。他们把足球放到草坪上照了一张照片，就是C60的模型。现在谁还敢用足球作模型呢？科学其实是很好玩的，只是我们现在把科学僵化了。1996年，三人获得诺贝尔奖。

早在1970年，日本科学家大泽映二就预言过富勒烯的存在，与诺贝尔奖失之交臂。现在富勒烯家族还有C60、C70、C76、C84等。人们在宇宙空间中也发现了大量富勒烯和其他碳元素的存在，如小麦哲伦星云矮星系的富勒烯，钻石星球密度极高的结晶碳等。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办，《纳米技术》和《纳米生物学》两种国际性专业期刊相继问世。一门崭新的科学技术——纳米科学技术从此得到科技界的广泛关注。

碳纳米管的发现：1991年，日本电气公司的饭岛澄男(S. Iijima)在研究巴基球分子的过程中偶然发现多壁碳纳米管， 1993年又发现单壁碳纳米管。饭岛澄男是做电镜的，他在电镜里看到长的结构，不同于球状的富勒烯，感到很好奇。认真研究后，他认为这是一种碳纳米管。

饭岛澄男和碳纳米管模型

饭岛澄男还在等待诺贝尔奖。因为碳纳米管的发现其实非常不简单，早在1952年两位苏联科学家就已经用俄文发表了一篇文章，国际上没有注意到。1976年，Oberlin，Endo和Koyama等人清楚地看到了碳管的结构。诺贝尔奖应该颁给谁呢？圆的富勒烯和片状的石墨烯都已获奖，饭岛澄男还在等待中。

纳米材料研究的蓬勃发展推动了纳米科技的发展。如何制备纳米尺度的材料，如何调控纳米材料的形态结构，以及如何提高纳米材料的稳定性是纳米科技的重要内容。

（三）纳米研究受到重视

北京大学是“纳米科技的先行者”。1997年9月27日，刘忠范和吴全德院士创建北京大学纳米科学与技术研究中心。这是中国第一个跨院级、跨学科的纳米技术研究中心，在国际上也产生了很大影响。

北京大学纳米科学与技术研究中心成立

2000年1月21日，纳米科技的“推手”，美国总统克林顿启动了NNI计划。他在加州理工学院发布了一个著名的演讲，讲到三种纳米技术的应用前景：制造出强度是钢的十倍而重量只有其几分之一的材料——这就是碳纳米管；把国会图书馆的全部资料储存在一块方糖大小的盒子内；在癌症病灶只有几个细胞大小时就发现它们。小学四年级语文下册有一篇刘忠范院士的作品《纳米技术就在我们身边》，也提到在疾病防治中的作用：“利用灵敏的纳米检测技术，可以实现疾病的早期检测与预防。”

纳米科技不是一夜之间突然冒出来的，而是人类认识世界与改造世界的伟大征途中的一个发展阶段，是科学与技术发展的必然结果。在纳米(介观)尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头。纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，充满了创新的机会。对这一领域的研究将极大丰富人类的认知世界，并给人类带来观念上的变革。

Part 05

纳米世界的神奇与奥妙

目前学界对纳米科技的定义是：在纳米尺度（0.1nm 到100nm）上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的科学和技术。纳米科技的最终目标是：直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性，制造出具有特定功能的产品。

人类认识世界，是向宏观和微观两个极端进军的过程。从微米科技到纳米科技，是科学发展的必然结果，是人类认识世界过程中的必然阶段。再往前走，纳米的千分之一是皮米（10-12米），可以分辨出原子核、质子，研究原子里面的东西。那里的能量已经大到难以想象了。再往前走还有飞米（10-15米），那是高能物理的世界。

粉色部分是纳米的尺度

（一）纳米的特殊性质

纳米世界为什么那么神奇？它的奥秘是什么？比如铁，没生锈的铁是银白色的。把一厘米的铁块打碎成一微米然后堆起来，还是亮晶晶的银白色。打碎成100个纳米，就变成了暗灰色，10个纳米再往下就成了黑色。铁的性质也发生了改变：100个纳米以下量级磁性会增加，然而三五个纳米以下，磁性消失了。尺寸决定一切。随着尺寸的不断缩小，性质从量变到质变，这就是纳米的神奇。

纳米世界有特殊的力学性质、光学性质、电学性质、热学性质、化学性质、磁学性质。纳米会给元素周期表带来革命性的膨胀，里面的性质更加丰富多彩。

（二）纳米的四大效应

表（界）面效应：粉尘为什么会爆炸？催化剂为什么是纳米级的？因为表面原子能量高，有活性。在一张桌子表面，原子占整体原子的比例几乎接近于零，但一个纳米的颗粒表面原子占比能达到99%。表面和里面的原子是不一样的。里面的原子都是成键的，这样才稳定。表面原子没法成键，所以有更高的能量；表面原子比例很大，意味着性质会变，会带来熔点、烧结温度、晶化温度降低等影响。

量子尺寸效应：为什么一个纳米和十个纳米颜色不同？因为当粒子尺寸小到一定程度时， 金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，半导体存在不连续的HOMO和LUMO且能隙展宽的现象。当能级间距大于热能、磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，就会因为量子尺寸效应而发生特异的光、 热、磁、声、电等现象。

小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化，与波动性有关。光或电子跑到纳米块里，在里面到处乱撞。隐形飞机就是利用了这样的原理。

小尺寸效应的影响因素很复杂。以自然界中的现象为例：螃蟹为什么横着走呢？据说在很久以前，螃蟹也像人一样“前后”行走。亿万年间，地球磁场南北极转过几次，螃蟹体内的纳米磁性颗粒失去了定向作用。信鸽之所以认路，是因为体内的纳米磁性微粒，能跟地磁相互作用判断方向。

宏观量子隧道效应：隧道效应指的是当微观粒子的总能量小于势垒高度时， 该粒子仍能穿越这一势垒。之前讲到的扫描隧道显微镜，就是利用了这一原理。近年来，人们发现一些宏观物理量也显示出隧道效应，这就是宏观量子隧道效应。

这四大效应使得纳米世界呈现出丰富的性质。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将是未来电子和光电子器件的基础， 也确定了微电子器件进一步微型化的极限。

某种意义上，纳米科技是人类思维方式的变革。从追求完美，制作单晶，到无限增加缺陷，越细碎越好。有人问：纳米是物理还是化学？纳米科技是一门新型交叉学科， 与传统学科的交融产生一系列全新的学科，如纳米物理学、纳米化学、纳米生物学等等。

Part 06

蓬勃发展的纳米科技

纳米科技在过去40年蓬勃发展，一个接一个纳米材料诞生，纳米材料家族不断的壮大。1981年，发现量子点；1985年发现了C60；1991年发现碳纳米管，1998年发现硅锗纳米线，2004年发现石墨烯，2010年发现石墨炔。

石墨烯

（一）石墨烯引发研究热潮

石墨烯是一种二维蜂窝状纯碳材料，号称“新材料之王”。一毫米厚的石墨大约含300万层石墨烯，用透明胶带不断地撕，通过颜色判断厚度，撕到只有一层时，就变成了石墨烯。发现石墨烯的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。

安德烈·海姆也被称为“学术玩家”，他把青蛙扔到强磁场里悬浮起来，拿到了2000年的搞笑诺贝尔奖。因为青蛙肚子里有水，是抗磁性的东西。现在变成了一个抗磁演示实验。作为一位物理学家，安德烈·海姆知道石墨烯理论上是不存在的，但他还愿意去做，最后真的做出来了。理论错了吗？没有。现在认为石墨烯并非理想的平面结构，表面是有波纹的。基础研究从0到1的突破，常常是无心栽柳的行为，源于科学家的好奇心和求知欲，很难进行“规划”和重点攻关。

悬浮在磁场中的青蛙

其实石墨烯并不是新东西，新事物的发现常常有历史渊源。早在1947年，Phil Wallace最早计算单层石墨片，也即石墨烯；1962年，Hofmann和Boehm透射电镜里看到了少层甚至单层石墨烯；1975年，van Bommel在SiC上外延生长了石墨烯；而用透明胶带剥离薄层石墨，Heinrich Kurz早在1990年就已经提出。只是在2004年，石墨烯的发现才掀起研究热潮。

石墨烯是一种超级材料，有许多神奇的性质：石墨烯是最薄的材料，只有一个原子层的厚度；也是强度最大、导电性和导热性最好的材料。石墨烯有很多好玩的效应，比如魔角石墨烯的超导效应。石墨烯的应用领域也非常广阔，比如手机触摸屏、电子纸、高性能电池、电子皮肤、射频标签等。

石墨烯的发现开辟了新的领域，氮化硼、硅烯、鳞烯等二维材料相继被发现。石墨烯就是新的领域。2010年，中科院化学所的李玉良院士首次合成了石墨炔。

（二）纳米技术的研究及应用

半导体纳米线：广泛应用与LED、纳米线激光器、单电子晶体管、光探测器、生物传感器、太阳能电池等。中国科学家也作出了重要贡献，杨培东研制出第一个纳米导线激光器；2006年，王中林成功地研制出纳米发电机。

王中林和纳米发电机

量子点：具有亮度高、不易光漂白、激发光谱范围宽等特性，不同颜色的量子点材料可以做染色用，做生物标签，进而研究各种各样的性质。可以应用于疾病检测，比如艾滋病毒快速可视检测、癌症嗅探器等。

被量子点标记的小鼠

随着癌细胞增长，细胞内的基因和蛋白质会发生变化，这个过程会释放出可探测到的挥发性有机化合物。就像训练的狗可以“闻”出癌症，纳米粒子也能嗅探出来。国家纳米科学中心的赵宇亮院士，用富勒烯包合物把癌症细胞紧紧圈到一起，癌细胞就死掉了。

现在还有纳米药物，有韧性极强、摔不破的纳米陶瓷。日本研制的一种弹性陶瓷，可以像拉面条那样，从1厘米拉到11厘米。还有纳米二氧化硅气凝胶保温隔热材料，耐灼烧，耐热性特别好。

国家大剧院

纳米自清洁材料：国家大剧院就应用了“光催化自清洁玻璃”，上面有二氧化钛纳米涂层，在阳光照射和雨水冲刷下，由于纳米催化作用，可变成气体或容易擦掉的物质。这个技术由刘忠范院士的导师、东京大学的藤嶋昭教授发明。但北京降雨量小，雾霾严重，自清洁效果并不理想。而且人们还不知道纳米材料如何清洁，有很多问题。科技应用也需要因地制宜。

现代隐身术：纳米材料优良的吸波性能，可以吸收各个方向的电磁波，可有效地减小电磁波的反射率，因而可用于隐身目的。

集成电路芯片：美国禁止台积电等公司为华为生产芯片，为解决“卡脖子”问题，现在全国都早发展芯片加工技术。1965年，英特尔创始人摩尔提出了“摩尔定律”：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。1971年能做10微米，现在能做7个纳米，正在往5个纳米发展。

纳米光刻技术

纳米压印技术：20世纪90年代由周郁教授发明，分为热压印技术和紫外光压印技术，盗版光盘就是用这项技术做的。

仿生组装技术：人们经常从自然界吸取灵感。细胞膜上面有各种东西，现在通过化学组装也能做各种各样的东西。

SPM加工与操纵技术：Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa三位科学家因“设计和合成分子机器”获2016年诺贝尔化学奖。这也属于纳米技术，将来可以做纳米升降机等各种各样的机器。纳米操作技术一度被给予厚望，但后来发现实用性不足。

微纳加工技术：现在的芯片加工技术是自上而下的，拉硅单晶后切片，在上面画通道。很多“卡脖子”的关键技术中国目前都没有。现在人们尝试自下而上的微纳加工技术，通过化学或组装变化加工芯片。

Part 07

走向未来的纳米科技

纳米科技未来的发展是向深度和广度进军。早期做纳米领带、化妆品、运动器材，后期能源和电池、化学传感器、航空航天、医药卫生、电子信息、生物技术等都用到纳米技术。

纳米科技发展的历程可简要概括为“三部曲”。2000年到2010年前后是基础研究，2010年到2020年前后是纳米科技的工程化，包括石墨烯材料；2020年后，或将迎来真正的规模性产业化。现在纳米科技也在产业化，但还不成熟，没有形成真正强有力的影响，不应当操之过急。

纳米的安全性也受到重视。纳米颗粒或纳米纤维很容易进入细胞，防晒霜、口红中都有纳米颗粒，是否会在使用时进入人体皮肤甚至人体内部，而产生危害？目前科学家还在研究。2008年后，美国、中国、英国都开始重视安全性研究。

从更大的时间尺度来看，根本性的科技进步呈现出每百年两次的周期性。差不多50年会有一场技术革命。纳米技术有可能引导下一次的工业革命。将与信息技术和生物技术一样，带来新的产业革命和巨大的社会财富，对21世纪的经济、国防和社会产生重大影响。如果说20世纪是微米科技的世纪，那么21世纪就是纳米科技的世纪，但纳米科技的影响波及面有多广，有多深刻，还有待我们去观察。

纪要整理：贾雨心

摄影：张雪梅

编辑： 张雪梅

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