纳米材料的新应用场景-未来科学论坛嘉宾对话

本文从纳米材料多个领域科研专家和教授的角度阐述了纳米材料当下和未来在众多行业的新应用和方向，提出了一些更加务实的纳米科技研究思路，虽然是2017年未来论坛未来科学大奖颁发期间的对话，但对未来纳米材料的进一步研究和推进有着更清晰的指引。

原标题：嘉宾对话：纳米材料的新应用场景

2017年10月28日上午未来科学大奖颁奖典礼暨未来论坛年会在京举办。在研讨会一的对话环节，主持人杨培东和嘉宾崔屹先生、江雷先生、周郁先生进行了精彩的对话。

以下为对话实录：

　　杨培东：因为今天我们在这谈的是纳米材料，刚才听到两个演讲，关于纳米材料主要在能源方面的应用，简单回顾一下过去几十年当中，纳米科技的发展，应该说，纳米科技从上个世纪大概80年代初的时候，开始成长，在这个过程当中，有量子点，最早的是量子点的发明，然后量子点作为一个学科、一个领域，非常大的一个领域，量子点之后，后面又有一系列的非常有用的，然后有一些非常新奇的化学或者物理性质的一系列的纳米材料产生出来，像碳60，发现以后，获得了诺贝尔化学奖，碳60之后，在90年代初，又看到了另外一类的纳米材料，像碳纳米管，之后在90年代初，又有一类很大的非常有用的纳米材料，就是半导体纳米导线出来。00年左右，出来另外很有意思的纳米材料，就是石墨硒，石墨硒在前几年获得了诺贝尔物理奖。当然现在又看到了各种各样的非常好的，像我们通常说的二维材料，很热门的一个研究领域。过去二三十年纳米材料有层出不穷的新材料出现，产生了非常好的化学和物理性质，衍生出来很有用的技术。

　　纳米材料科研方面有什么节点和发展方向，开始之前，首先介绍两个嘉宾，江雷教授跟周郁教授，首先让他们利用两三分钟的时间，讲一下他们在纳米材料上面的科研。

　　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准材料，这个领域非常广，能源、资源、环境到新材料都有，我明天会有一个报告，详细地说这方面的内容，今天时间关系，不做详细的讨论了。

　　周郁：大家好，我是周郁，普林斯顿工学院的教授，我的主要领域是纳米制造、纳米材料和纳米器件，以及其他在各个领域里的应用，我明天有一个报告，关于纳米制造和纳米材料的关系。

　　杨培东：接下来回过来讨论一下，接下来在未来，这个也是未来大奖，在未来几十年当中，纳米科技应该有什么样的机会、什么样的挑战？

　　崔屹：刚才杨培东回顾了过去20年、30年，纳米材料以及纳米科学上的一些重要的材料体系，我想往下可能两个方向会继续往前走，基本上过去20年，每隔五年左右，就会跳出新型的材料，想都想不到，突然之间出现新型的系列材料，大家就疯狂研究。往下发展，还有可能出现其他新型体系的材料，像过去20年那样，所说的量子点，石墨硒、碳纳米管、半导体纳米线、纳米孔材料等等，将来更大的发展，对过去20年，新型纳米体系的材料，跟最终解决问题的连接上，科学问题连接上，性能连接上，反馈到纳米材料，机会可能会特别大，因为过去20年积累了很多技能，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，跟最后产生的问题、技术结合，这样又会产生科学。

　　江雷：我认为未来纳米科技在能源、环境、健康、信息领域都有很重要的应用，那么我这里举几个例子，比如淡水的采集，一个国家最终国民生产能力，是淡水占有量，看一下世界地图。淡水采集如何在中国的中西部，包括其他的非洲地区。从环境角度上，简单的是两个事情，一个是雾霾事情，比雾霾更重要的是环境荷尔蒙，洗衣服、洗衣机还有化工对于环境的污染，50-100年之内，人类能不能生存问题，能不能生出孩子问题，环境荷尔蒙问题解决，农药的大量使用，对健康的影响。这些都是化学污染，雾霾多半是物理污染，能看得见，摸不着的是这两个。

　　在信息领域纳米科技会进入的方向是什么呢？进入柔性问题，如何用加工有机光材料，进行微纳加工，有机光电、微电子和传统的硅基电子结合，这是信息领域的突破。能源在锂电池还有水力发电、风力发电之后，另一个异军突起的是能度差发电，宗旨是仿生、电鳗（音译），就是一个毫秒放出600电压，靠离子能度差，海水淡化过程产生巨大能量，全世界海水产生20TW，人类用10TW差不多了，这是巨大挑战。

　　周郁老师做器件的，信息领域有更高的见解，不再多说了。

　　周郁：将来非常美丽，预言将来怎么样这是很难的事情。有三个重要方面，肯定对未来能源和其他领域，有非常重要的作用。创新性概念，打破传统性概念，大家一定要能够有革命性想法，这是将来很大的推动力，还有一个重要的推动力，就是很小的想法在实验室里做出来，但是没有能力做出产品化、大量生产，这个概念不管有多么好，慢慢就不去研究了。很多今天的概念，很多年前在实验室已经发现了，为什么到今天，人们才重视它？原因就是现在的制造技术可以把这种新技术能够使我们应用。

　　崔屹博士讲，你要想到，不是每个单独技术，是新的应用目标，要想怎么把各种技术，任何可以用上的，来实现你的应用，这是很重要的方向。所以我觉得创新、制造然后是应用，这是三个很重要的推动力，对于将来的能源还有其他领域是非常重要的。

　　杨培东：接着周郁讲一下，从纳米科技作为如果将来创新型的科学技术，从应用方面现在很多时候大部分替代性的，现在已经有化学工业、半导体工业也好，现在很多纳米材料，在替代某些系统里的一些东西，从创新的角度来看，纳米科技有没有能够想到未来，未来有没有可能创造现在还没有的，是纳米科技能够真正因为纳米技术，形成将来的技术，有没有可能将来（英文）真正纳米材料能够做的？

　　江雷：这是未来的组织工程问题，纳米技术如何和基因工程结合，然后产生组织工程，每个工程都是诺贝尔奖级的，最简单的一个是纳米技术和基因工程结合，比如种牙，牙拔下去就完了，还要镶假牙或者种假牙，纳米技术和基因工程结合，把牙的干细胞取出来，再放到牙的位置上去，像你三岁换乳牙的时候，长出一颗牙。这件事情一定能成，因为上帝已经安排做过这个事情，只是我们找到这个启动牙再生的基因，牙就长出来了，干细胞能达到的。这件事情做完了就是诺贝尔奖。

　　为什么牙是纳米材料，牙的基本材料是碳酸钙组成的纳米棒，按照基因程序化组装做成的牙，整个控制靠基因控制。所以纳米技术和基因技术结合，不光是牙，还有很多，比如骨头，骨头坏了、折了，再长一个安上去，这是未来的健康产业，巨大无比。

　　杨培东：纠正一下，做完了应该获得未来大奖。

　　周郁：很多技术都是对将来的材料有很大的意义，像这些量子点，还有另外一种纳米制造办法，纳米结构是非常有序的，光子晶体，或者很多人造纳米材料，实际上要用到非常纳米结构很准确控制，不但控制它的大小，而且要控制它的位置在什么地方，现在传统就是用做集成线路的办法，这个只能做在很小的表面上，怎么做到墙这么大的东西，而且特别便宜。这是很重要的问题。

　　因为我在这里面做了很多工作，纳米压印是我20年前发明的技术，现在已经被工业界广泛用到制作各种产品，包括基因检测，包括材料，包括谷歌glass，很多手机上都是用纳米压印的东西做出来，很多人说怎么没有在报纸上看到呢？很重要的原因，工业很少向外界告诉，他们的成功办法，他要是做得好的话，一定不告诉你，所以你从来听不到，不成功的东西，要把它发表。因为我本人在学术界做，而且我在工业界做，我开过四个公司，做的好的东西从来没人讲的。现在很多新闻，不应该太在意，到底哪个东西有用没用，不应该根据新闻，应该根据哪个东西真正应用到产品上。

　　另外一个重要点是造价是最重要的东西，如果发明一种制造办法，把造价降成十倍，过去英特尔CEO很有名的一句话，制造价钱如果能够降十倍，这要有新的革命。要看什么时候有革命，看这个技术是不是能把过去的造价减到十倍。如果能的话，一定是一个革命性的技术。

　　崔屹：纳米科技到底能开创一个什么新的完全产业？不是替代性，是开创出来的。有两个相关的补充一下，可能是开创性的，不能完全脱离现有的应用，比如现在穿的衣服，就是基本功能保暖、美观，所以能不能在穿戴上面，现在有一点苗头，但是还没有完全展开，就是你所穿的衣服上面，我有diseplay的功能，上面可以放电影，还可以穿谨慎一点，能测量出身体的皮肤，每一块肌肉的情况，现在坐姿如果不是很好可以提醒我，还有上面有很多传感器，把身体健康状况测出来，很多功能可以加到穿戴上，这是纳米上面会开创的全新应用。现在是所谓的IOT，就是物联网，需要大量的遍布各个地方，包括对于环境的监测，各种各样的监测等等，以及食品，IOT上线可以开创大的领域，这两个有可能性。

　　周郁：关于穿衣服，衣服可以跟（英文）结合起来，穿上以后，虽然是一个人，可以跟小孩拥抱，科技跟另外一个人接触，都是靠衣服产生这种感受。

　　杨培东：过去几十年当中，纳米科技各种各样的新材料，如果将来纳米科技真正形成新的产业，必然联系到将来的制造，肯定是非常大规模的，可能产生挑战，怎么做这个事情？纳米材料制作过程当中，又会引起什么样的新环境问题？

　　周郁：很多制造技术确实需要减低对环境的影响，我自己觉得纳米压印就是改变物质的形状，所以很少有些污染，当然还有很多化学东西，如果能减少制造当中的污染，也是很重要的。

　　崔屹：纳米制造非常重要，现在面临的重大挑战是在制造上面的很多问题。比如硅负极，做了十年，科学问题解决差不多了，应用的时候发现，制造成本要掉下去，现在用的工艺做出来的材料，发现用的这个溶剂不行，不环保，而且太贵，整个工艺都要改，一直要改到那个程度，简化到那个程度，最后算出来成本足够低，产生的污染知道怎么回收，气体还是液体污染，不行的话又得改，得换东西，来来回回其实在公司里需要折腾很久，很多循环，最后才找到一个成熟的工艺。它和当初实验室做出来的工艺过程完全不一样，要到这个程度，这样的考虑，特别是对中国是一个制造业的国家，里面过去的环境成本太高，过去是忽视了，现在环境成本全加回来了，所以整个制造工业，不光纳米制造，所有的制造工业，都要重新考虑工艺设计，纳米制造业不例外。

　　江雷：其实纳米制造对于环境压力并不大，因为多数情况下纳米材料的使用不是单一情况下使用，只有少数情况，人体成像还有药物载体，很少单一使用，往往是复合体系，多尺度体系，这种情况下几乎没有环境问题，就像大楼，用混凝土做的一样，你能感觉到沙子的存在吗？多数情况是复合体，纳米本身作为一个产业，已经存在过，就是催化剂产业，其实就是纳米颗粒负载在微米或者更高级尺度上的重要产业，巨大无比，并没有造成什么环境污染，这个担心不是说完全不必要，但是不需要特别的注重，但是我们也要保持一定的警惕，做这样的安全研究。

　　杨培东：接下来谈一下相对不一样的讨论，现在人工智能非常热，可以讨论一下接下来人工智能在材料界是怎么样的一个角色？

　　江雷：人工智能的未来表现形式毋庸置疑，归根到底离不开材料，离不开智能化的器件，可穿戴电子技术是必选项，这里面的有机光电合成材料架构器件规模化工艺是未来人工智能能不能走进千家万户的很重要的关键问题，软件识别还有图像识别等等其他的当然还有。这是非常重要的事情，而且和纳米科学技术相关。

　　崔屹：人工智能现在发展了很多的方法，对数据的分析，现在有一个刚刚开始的方向，就是对人工智能的办法，对新材料的发现，我们实验室和斯坦福另外一个教授的合作，在锂电池上面有一个研究方向，固态电解质，要找到锂离子的导体，传导很快，找这个材料怎么找，大家半个世纪都是凭经验找，现在想对已知的数据库进行分析，用人工智能能不能预测出有什么的材料，有什么的样性质，离子导的很快，离子超导体，跟电子超导体是两个概念，很可能人工智能对新材料的快速发现，以及设计，会有所贡献。当然现在比较早，看不出效果怎么样，能看到一些苗头，有可能这上面有一些影响。

　　周郁：人工智能其实有很长的历史优化，为什么突然一下变得那么重要，实际上有两个东西，很有本质的变化，一个是大数据，很多数据可以集中起来，过去拿数据很困难，然后是计算机能力，手机计算机能力比十年前大计算机都要强，这种情况下，优化办法比较广泛，过去没法优化的事情，有计算机和大数据的情况下也有可能，优化性就是人工智能用到很多领域去。

　　杨培东：人工智能和材料相辅相成，之所以现在有人工智能，的确离不开过去几十年材料发展，计算速度依赖于半导体工业过去几十年当中的发展。人工智能反馈回来材料界，将来是一个新型有很多机会的领域。

　　接下来时间，大家现场有没有问题。

　　提问：我本人做纳米器件加工，并且做纳米工业器件的研究，问一下周教授，开创并且发明了纳米压印技术，在工业界推广做了很多贡献，纳米压印技术在工业界推广过程当中，现在可能遇到的技术瓶颈和相应对策？

　　周郁：我明天有一个讲演，首先给你稍微讲一下，现在纳米压印被各个领域都在用，从做半导体器件，做显示器，做生物等等，每个领域用的时候有不同的要求，你要把技术根据你的应用需要调整，所以这是一个很多面性的事情，好的事情是大家都在用，而且已经用到产品上面，表示出很多技术的东西都已经被解决了。

　　提问：做纳米工业器件对纳米尺寸的均匀性要求相对来说比较高一些，纳米压印技术对微米尺度器件影响不那么大，纳米尺度对均匀性怎么更好地保证均匀性？

　　周郁：明天就要讲这个事情，纳米压印关键的是做模子，怎么做均匀，有缺陷的话怎么修补。我明天讲这个问题，有一种办法，叫做自我修补。开始的时候做出来不是好的，可以变成完美的，大自然很多原理，用的巧妙的话，可以做这种非常神奇的事情，我明天就要讲这个内容。

　　杨培东：顺带谈一下纳米打印跟现在应该说很热门的3D打印，将来是相辅相成？

　　周郁：因为我也跟很多做3D打印的人非常熟，它的目的是完全不一样的，而且原理也不一样，现在所有的3D打印都是用光的办法，然后产生化学变化，形成三维的形状，一用光的话，已经把它最小的尺寸限制住了，大概一个微米左右，不能再笑了，明天我要讲的话，纳米压印可以做到0.1，几个原子的结构，都可以用纳米压印的办法做，应用就是不一样，比如好多3D打印的应用，做运动鞋，要有特别的材料，又透气，又轻，而且要合适你的脚的形状，不能靠过去剪一块两个平面的布，靠怎么折，一做就做成三维的，做好，根据脚的形状做这种正好就是穿在你脚上就是合适的。这些周期用3D打印，还有做汽车壳大的东西，目的是不一样的，但是各有各的应用。

　　杨培东：三维打印能不能在纳米制造上有所突破？

　　周郁：将来要结合几种非常不一样的技术，结合在一起，可以先用3D打印，做出一个架子，就是微米级的架子，然后再用自组装的办法，或者用其他的技术办法，怎么把微米级的三维的东西变成纳米级的三维东西。这样就做出来了。

　　提问：冷冻电镜这个技术在未来材料科研里面的应用前景？

　　崔屹：昨天我们在科学杂志上发表了一篇论文，用冷冻电镜技术研究锂电池的材料，冷冻电镜技术颁发诺贝尔奖化学奖，冷冻电镜研究蛋白质生物体的结构，去年用冷冻电镜技术研究材料学，冻在那，液氮温度非常低，中间钛可以冻技术，还有用冷冻电镜研究结构生物学。我们现在研究材料，材料上面有很多重要的材料，锂电池金属锂不稳定，熔点比较低，电子束打上去，不稳定。各种各样催化材料，相信冷冻电镜技术可以稳定住，用电子显微镜，可以看到原子结构排布，从而给很重要的信息，技术应用问题出在哪，或者怎么做好，知道结构才能知道性质。昨天发表这篇文章可能是开创性的，我们跟生物学家学，把他们发展的技术拿过来，研究材料科学。未来大量工作用于冷冻电镜，用于材料学。

　　提问：太阳能一系列的领域，很多领域现在用太阳能，从物理角度，本来太阳能是注入地球负伤的一个主要来源，如果太阳光落在地面上变成热量，直接转化成伤浪费了，如果做太阳能的各种各样利用，是不是可以说我们延缓了伤的转变，或者伤的增加过程。不管怎么样，还是不能改变伤增加，实际上最终达到了还是太阳光变成了伤，有没有这样的作用？通过一个化学反应储存了能量，而使得太阳光落到地面上，转化成伤的增加过程减缓了。有没有可能我们这样的利用，影响了地面的生物光合作用，如果起到不是好的作用，负面的还有一个作用。

　　关于生物方面的，我们现在农药，还有一些病虫害的污染，从基因工程角度有没有可能把病毒或者有害的，用基因工程角度，直接变成有用细胞，让所有的这些有害的细菌，或者病毒，不让它产生，比如癌细胞，从基因工程角度来说不让它生长，逆生长，生长出对人类有用的细胞。有没有可能？可以用纳米结合基因工程生长一个新的牙，按照这样的思路，人类有没有可能最终发展成所有人的器官都重新生长，想什么时候生长什么时候生长，人立刻重新开始变成一个新的人，我所有的器官都想革新就革新一遍，是不是未来有这样一个可能？

　　杨培东：关于伤增加这个事情，肯定会发生的，做化学反应过程当中，肯定会发生。但是我们做太阳能转化成化学能也好，转化成电也好，事实上你从过去，从地球的形成过程当中，可以看到，我们现在所的原油也好，也是太阳能，只不过在过去几百万年当中，太阳能转化成化学能，这是一个很慢的过程，最终储存到地下去了。所以我们现在用的原油实际上是几百万年前的太阳能，我们现在想要做的把整个过程加快，因为我们从整个地球体系来说，我们需要把二氧化碳排放减缓，从化学尤其从伤的角度看这个事情，加快光合作用，为了减缓伤。

　　江雷：第一个问题，您的设想是反自然的，对于人类来说你说是害虫，但是它存在是合理的，它吃你的粮食天经地义，上帝造了它就是要吃东西，所以要消灭它就是法西斯了，所以不能消灭它。

　　第二个问题，也就是我提的问题，是顺应自然，牙可以再生，人只是再生一次，有些变色龙可以再生很多次，抓住尾巴，掉了，再长出来。再生的基因成长，这个问题是存的在，而且顺应自然，完全可以的。想换什么就换什么的时代肯定可以到来的。

　　杨培东：感谢三位嘉宾，感谢大家的参与！（转自新浪科技）