【职业培训】19我眼中的纳米世界

我眼中的纳米世界主持人：追求进步，学术倾听，世纪大讲堂向您问候。诺贝尔奖得主理查德.费曼他是一位物理学家，早在１９５９年的时候，他就曾经预言，说人类可以用很小的机器制造出更小的机器，最后人们可以按照自己的意愿把分子逐个排列，生产出产品。可以说这些都是纳米技术的最早的动意。那么经过４２年的风雨，纳米技术呈现出什么样的局面呢？我今天给大家请来了北京大学技术物理系的李正孝老师，请他给我们讲一讲“他眼中的纳米世界”，好，有请李老师上场。好，请坐。李老师问您一个看起来很简单的问题，能不能告诉我，“米”这种概念是从什么时候开始有的？李正孝：要说起来“国际米”，现在我用的米叫做“国际米”。国际米这个概念是从１９６０年才开始有的。那么在这之前，各个国家都使用不同的度量单位，比如说我们国家有我们国家的尺，那么西方用他们的英尺，我们的尺，大体是上从这儿到这儿这么一个距离，胳膊肘，这叫一尺。主持人：量布的时候，一尺两尺这么量。李正孝：它主要是量布匹，用这个东西用的比较多。而西方他用脚，英尺是一脚，一脚就是作为一英尺。这个可能量距离比较好，但真要是说作布的话，这个东西就不行。主持人：也太不礼貌了，还得站在桌子上量。李正孝孝：是的。主持人：后来呢？这个米，随着微观研究的深入，它会往下分。按照我们正常的分法，米下面是分米，分米下面是厘米，厘米下面是毫米，毫米下面是什么我们就不知道了。李正孝：当然我们现在的文明主要是西方的文明，西方人是把米下面再分成毫米、微米、纳米。主持人：分米厘米全都不要了。李正孝：对，它也有这个单位，但是这个单位大家不是很常用。比如说他宁愿说是一个分米而不叫它厘米，相当于０.１个米。就这样，这么来叫。这个进位和咱们中国不一样，比如咱们中国是用万作为进位的，那么西方人实际上用千作为进位的。所以一个米会等于一个千毫米，一个毫米又等于一千个微米，一个微米又等于一千个纳米，这样的话，一个纳米就相当于是等于，１０的负９次方米。主持人：１米是１０亿分之一纳米。李正孝：１０亿个纳米是一米。就是说如果用咱们“亿”的话，其实西方人表达纳米很简单，它就是一百万个纳米是一个米。主持人：我有一点事情不明白，当我看到一个体积非常庞大的人在研究非常微小东西的时候，我就感到很奇怪，你看你长得这么胖，研究那么小的东西干嘛？李正孝：是的，我也是觉得这个合适不合适我也曾经考虑过这个问题，但是我实在是对纳米这个问题太有兴趣了，所以我觉得先委屈一下自己吧。主持人：什么时候有兴趣的？李正孝：应该说在１９８６年的时候，就是说刚刚开始还没有纳米这种叫法，那个时候称作“介观物理”。什么叫做介观呢？就是介于宏观和微观之间的，一般的来讲，宏观世界讲的就是微米以上的世界就是宏观世界。那么微观世界讲的是原子这个尺度，原子这个尺度是０.１个纳米，这样的话介观尺度讲的就是，介观物理研究的就是这么一个尺度的物理现象，就是１个纳米到１００个纳米之间的这样的一个结构和物理性质。主持人：我想知道一下，您童年的时候对什么感兴趣？不会那时候就喜欢纳米？跟你后来现在真作了这个事情差多少？李正孝：我小的时候正好是要学雷锋，所以学雷锋，雷锋精神就是要做一个革命的螺丝钉，那时候虽然搞不清楚螺丝钉有多重要，但是我想我能做一个螺丝钉就已经很光荣了。等我稍微大一点我想去当工人，因为那时候面临着是下乡，我是６０年出生的，面临的是下乡，下乡的话，好的结果就是能够返城当工人。所以不同的时期应该说我有不同的追求。那么等到粉碎四人帮之后，有大概几个月的时间我是非常渴望想当一名大学生，所以我去考试，７７年竟然就考上了。主持人：很幸运。李正孝：对。主持人：考上的时候研究什么？李正孝：我是北京大学物理系，我是学低温物理。低温物理实际上现在称作是“极端条件物理”。当然极端条件就包括了介观物理，比如说物理系的介观物理国家重点实验室就在那儿。主持人：从那个时候开始一直到现在，您的研究方向基本没有改变？李正孝：应该说没变，都是物理，在这个范畴内。当然现在我到技术物理系就有一点研究的偏技术了。主持人：那么研究方向没有改变，是不是求学的地域也没有改变，始终在北京大学这个地方？李正孝：那不是，我大学毕业之后，我就到中国科学院物理所去了，在那里读的硕士，在博士期间就到美国去，然后９３年回国，回到中国科学院来工作，那是做完博士后。主持人：留学经验已经给大家介绍了，下面呢就请李老师以他美妙的、演员般的嗓音为我们带来精彩的学术报告，“我眼中的纳米世界”。李正孝：很高兴能够有这么一个机会面对大家，跟大家谈一个非常敏感，非常热闹的一个话题，就是纳米技术和纳米材料的问题。当然讲起来说我眼中的纳米世界，这就是，我这么说就是“仁者见仁，智者见智”。那就是都是我个人的观点，我仅仅代表我自己。我方才已经做了自我介绍，我是做物理的，不是搞材料的，所以我眼中的纳米世界可能是非常物理的纳米世界。要说起来纳米问题，应该说是这么一个问题，就是说当你被研究的体系小到一定尺度以后，小到什么尺度呢？就是小到比这个宏观尺度要小，以后它会怎么样？但是搞微观领域的人很多，比如搞基本粒子的，它搞的这个世界要比纳米世界要小的多，他实际上研究的是飞米以下的，什么叫飞米呢？是１０的负１５次方米，纳米是１０的负９次方米。那么飞米是１０的负１５次方米，也就是原子核里头的物理世界。但是那个世界和我们这个物质世界离得很远。研究基本粒子问题的应该说，在相当程度上人们最早研究的时候是满足人类的好奇心，是对这个物质世界的好奇心，是处于这个角度来研究的。但是纳米材料就不是这样的，纳米技术就不是这样了。它和宏观世界结合的非常紧。它指的范围是１００个纳米到１个纳米之间这么一个范围。那么咱们知道到了微米就算是宏观世界了。搞微米材料的人，也就是现在叫粉体工艺或者叫粉体材料，你比如说，像陶瓷，粉末冶金，各种各样的胶，各种各样的涂料，这些人都是叫搞粉体工艺的人，应该说全世界有数以千计（这样）的人成为了千万富翁。那么纳米材料能给我们带来什么？有人说做了一个估计，说至少是应该乘上（10的）三次方，和微米因为是差１０的三次方。那么能够造就多少个千万富翁呢？再乘以１０个三次方，至少应该有这么多人，会在纳米这个领域里成为富翁。这就是为什么现在这个纳米世界里这么热的主要原因。为什么会这样？也就是今天我想跟大家聊的这个问题。这个世界应该说，它不同于宏观世界，也不同于微观世界，因为它的性质是完全不一样的，比如说，我们要说讲完全不一样，水可能是我们最熟悉的东西，我们每天都离不开水，比如说我们知道油水是不相溶的，那是指你宏观尺度上的水和微观尺度上的水都是和油不相溶的，你没有办法把它混在一起。但是你如果到了纳米尺度上，也就是说在这个微观世界里，它就能够溶，并且溶得非常好，成为热力学的稳定性。什么叫做稳定相呢？就是指的它放置在那儿，不管它温度变化也好，振动也好，里头加一点化学原料也好，它都能够是稳定的。我们知道油水混在一起，如果你愣要混的话，是不稳定的，比方说乳液就是这么形成的，它过一段时间以后总要分层的，分开，油是油，在上面，水是水，在下面。因为水比油重，它就分离了。所以中国有句俗话叫：“油水不相溶。”说形容两口子要离婚了，他是油，她是水，没办法融在一起。但是现在我们就有新的技术，能够把这两口子，经过纳米化之后让他们融在一起。这是一个笑话。我这么说。我这里准备了一个实验，给大家来演示一下，什么叫“纳米水”，好不好。这个就是“纳米水”，大家看起来这个水和这个水应该差别并不大，至少还是那样子。这地方刚好有一点矿泉水，我们等一会儿做实验就用它。这是两个三角瓶，是做实验用的。这是汽油，我们知道汽油是粘度系数非常小的东西，你要想把它乳化，是基本上做不到的。什么样的东西可以乳化呢？柴油可以乳化，重油可以乳化，我们豆油也可以乳化，咱们豆油乳化呢？像色拉油就是一种乳化油。色拉油放置的时间长了，它要分层的。那么这个汽油是这样的。我们把这两个瓶子里都倒上汽油，我们都倒这么多。好，这两个都是汽油。这个好象少点，再加点。哪位同学愿意上来尝一尝这个水，哪位同学，勇敢一点，我告诉你们绝对不会有问题，你如果回去跑肚找我。感觉还行。这是真正的矿泉水。我们看看如果把这种矿泉水，如果往油里倒会怎么样？大家看着。好，大家看到了吗？上面是油，下面是水，分得清清楚楚。如果我要是想让它混合混合，可不可能？主持人：您的动作太温柔了。李正孝：您来。主持人：你看溶在一起了吧。李正孝：噢溶在一起了，好，大家看，溶在一起了吗？上面是油，下面是水。应该是分得非常清楚的。这就是普通的水。这是我们在宏观上来讲，它是不可能和油相溶的。那么我们如果要是把纳米水加进来之后，会怎么样呢？有的同学说我喝一口行不行？我说你最好别喝，这个东西喝了会跑肚。因为这个经过处理了，它和普通的水已经不一样了。我们先来看看这个现象。我边倒的时候大家边看，它实际上是完全溶在一起的。注意到了吗？两件事，一个是它根本不会分层，还有一个颜色也不发生变化。这说明什么呢？说明这个水进到油里是以颗粒的形式进去的，并且颗粒的尺寸非常得小。它澄清透明，说明这个尺度小于光的波长，咱们可见光的波长的三分之一，它才对光不散射，如果尺度低于光的三分之一，小于光的三分之一的话，那么光的波动性就显出来了，光就会绕过它走，从而对光不发生任何散射，所以它是澄清透明的。这个东西至少说明两件事，一个这个东西也不可能是油，因为你要倒这么清亮的油进去的话，会导致这个油的颜色混合之后颜色会变淡，这个道理大家肯定听得明白。它进去还是水，并且是以颗粒的形式，并且是看不到的水，这个尺度我们知道可见光的尺度是４００个纳米到７００个纳米，那么三分之一咱们算最紫的可见光，紫内光的极限应该是１３０个纳米，那说明我这个东西应该低于１３０个纳米，实际上这个水加进去之后尺度是多少呢？是６个纳米。当然６个纳米你是不可能看到它的，你用可见光也观察不到它，如果你用可见光任何仪器你都观察不到，６个纳米的水或者颗粒，那是看不到的，固体颗粒你也看不到。因为这个光的波动性已经表现得很明显，它可以绕过被观察的东西，而不对光进行散射。这就是说，我们说了另外一个性质，就是说我们现在讲的纳米材料，其实有那么两个基本条件，第一个基本条件，就是说一定是尺度介于１个纳米到１００个纳米之间的。第二个条件就是它的性质是不同于常规材料的。这两件事同时具备，那么它叫纳米材料，缺一不可。那可能大家可能会说，就是说现在叫的这么多纳米材料，比如说我们一会儿用纳米涂料去刷立交桥了，一会儿使纳米洗衣机了，纳米电冰箱也出来了，甚至现在还有人把纳米材料用到了眼镜，说玻璃加了一点什么东西也变成纳米眼镜。是不是真正的纳米材料？我说有的是，有的不是。我们就用我方才交给大家的这两把尺子，你分别去量它就行了。那么这个东西就是说我们在这个纳米世界里，我们可以做很多事情，就是我们可以做原来我们不能想象的一些事情。我们不能想象什么呢？我们原来想象的微观世界基本就到微米以下。比如说，到我们毛细血管几十微米，我们觉得已经非常之细微了。但是在纳米世界里，那是一个长江，而纳米颗粒基本上是长江里的一只青蛙，那么根本就不算事。在这个世界里头你去处理问题的话，很多问题会很容易处理。那么现在我是把水变成了纳米水了，水是一个平台，我指的是什么呢？它可以溶很多东西，它是一个溶剂，溶剂平台。应该说绝大部分盐都是溶于水的，而不溶于油，我们要想制备油溶性的盐是很不容易的，我们必须去制备有机盐，而有机盐是非常难制备的，所以这个世界是无机世界。从这个无机世界变成有机世界那是一大飞跃，这应该说是地球史上的一次灾变，有了有机物之后才可能存在生命，合成氨基酸，才可能最后出现生命。所以我们能够把像油这么重要的东西，油一般是燃料上用的很多，这是国民经济的血液，是战略物资。和水这种完全不能相溶的东西放在一起，那实际上我们可以做很多很多的事。你比如说，很多女同学都擦化妆品，化妆品里面主要的东西我告诉大家是咖喱皮，咖喱皮给它磨碎，完了加到油脂里，让油脂作为一个载体摸到你的皮肤里，当然它会把黑的大汗腺给你遮住，有些褶皱、皱纹也能遮住，挺好，不错。但是进一步的发展，就是所谓营养素加起来，各种