互动科普

“Zhong Lin Wang”这个名字被纳米科学界广泛关注，是从1999年他利用碳纳米管制造出“纳米秤”开始的。

碳纳米管是一种奇异的分子，它是由一层极薄的碳原子卷起来，形成的圆柱形碳结构。它的直径仅几个纳米，相当于人类头发直径的五万分之一。因为有着不可思议的强度和韧性、良好的导电性，重量又极轻，碳纳米管是各种新锐电子产品梦寐以求的材料，也成为材料科学实验室的宠儿。王中林和同事在实验室中对单根纳米管进行性能测试时发现，通过测量碳纳米管在外加交变电压下不同的共振频率，就可以算出附着在它“身上”的微粒的质量，由此发明了“纳米秤”。

借助这个“世界上最小的秤”，他们计算出碳纳米管上的微粒质量为2.2×10-16克，比此前世界上最精确的秤，精度还要高出1,000～10,000倍。

“纳米秤”的问世，让科学界大为振奋：它可以用来测量生物大分子和颗粒的质量，成为人类进军微观世界的有力武器。比如，科学家通过测出单个病毒的质量，就可以区分病毒种类，借此发现新的病毒。

2001年，王中林在美国《科学》杂志上发表文章，宣布为纳米世界迎来了一位新成员——纳米带。他的研究小组利用高温固体气相法，在世界上首次成功利用金属氧化物合成了10～15纳米厚、30～300纳米宽的带状结构。和单个纳米管相比，纳米带能通过简单和可控的生产过程制造出来，大量生产时也能保持结构统一、没有缺陷，为纳米级传感和敏感器以及光电器件打下基础。这也是继1991年发现多壁碳纳米管和1993年合成单壁碳纳米管以来，纳米材料合成领域的又一重大突破，立即引起了科学界的极大重视。

此后，王中林在纳米科学界的成就一发不可收拾：2004年，王中林领导的研究小组首次成功合成了自环绕单晶纳米环；2005年，他们又制作出了无机晶体材料的螺旋结构，这是人类创造出的又一种崭新的无机功能材料类的“DNA”结构；2006年，王中林首次利用压电效应发明了纳米发电机；2007年，王中林发明了不依赖于原子力显微镜并能连续不断输出直流电的纳米发电机雏形。

“每项研究都环环相扣，一个环节的失误就会导致整个实验的失败。”回顾自己的研究生涯，王中林感触良多。以本期杂志介绍的纳米发电机为例，“理论有了，模型也搭建好了，却始终不产生电流。我们只好一个原因一个原因地排除，这是相当繁琐的工作。不断排除、不断实验，我们解决了纳米线和基片接触的问题、解决了针尖与纳米线接触的问题、解决了微小电流收集的问题……在一步步地解决了各种问题之后，才得到了理想的发电机雏形。”

和纳米科学结缘

“1983年，我刚读博士时，就开始进行纳米科学的研究了，当时，它的名字还不是‘纳米’，而是‘小颗粒’。”说起与纳米科学结缘，王中林颇有一点得意——在纳米科学刚刚起步的时候，他就进入了这个领域，并一直走在最前沿。

纳米科学的确是一门新兴的学科。回顾它的历史，我们似乎只能追溯到1959年，物理学大师费曼题为《最底层大有发展空间》的演讲：“如果我们能够按照自己的愿望，一个一个地排列原子，将会出现什么？这些物质将会有什么样的性质?这是十分有趣的问题。……如果有一天，我们能够在原子或分子的尺度上加工材料和制造设备，就能够把百科全书资料存储在一个针尖大小的空间内，这将给科学带来什么？”这成为纳米科学产生的原始思想。

直到1974年，“nanotechnology”（纳米技术）这个词才第一次出现在公众面前，但它的意义仍不同于今天的纳米科学，而是日本科学家谷口纪男（Norio Taniguchi）用来描述公差小于1微米的精密机械加工。

时间到了20世纪80年代，纳米科学才真正开始起步：1982年，IBM苏黎世实验室的格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）发明了扫描隧道显微镜（STM），可以让单个原子成像。1984年，德国科学家格雷特（H. Gleiter）等人，采用惰性气体蒸发冷凝法，制造出了铁、铜、铅等金属和二氧化钛等氧化物的纳米颗粒。二氧化钛的纳米颗粒可以改变陶瓷的易脆性质，这可以说是纳米材料的第一次科学应用。

也正是在这时，王中林的人生经历了一次巨大的转折。1983年，刚从西安电子科技大学（当时名叫西北电讯工程学院）毕业的他，参加了“中美联合招收物理研究生”（China-US Physics Examination and Application Program，缩写为CUSPEA）考试，并成为当年西北五省唯一被CUSPEA录取的学生，赴美留学。当时正值改革开放初期，人们对外界知之甚少。王中林对美国高校更是一无所知，便别出心裁地以字母顺序选择了以A开头的亚利桑那州立大学（Arizona State University）。幸运的是，他竟然歪打正着地投在国际知名显微分析学家、高分辨电子显微学奠基人J·W·考利（J.W.Cowley）教授的门下。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学正式诞生。而王中林在美国、英国等多个知名学府和研究所学习、工作之后，来到了美国佐治亚理工学院。“1994年来到佐治亚理工学院之后，我便全力以赴地投入到了纳米技术的研究中。”在电话线的那端，王中林的语气很坚定，这时，他已经在纳米科学领域里奋斗了25年，也被公认为全世界纳米科技领域做得最好的五个人之一。

又一次产业革命

“20世纪70年代重视微米技术的国家，如今都成为了发达国家，现在重视纳米科学的国家，很可能成为下一世纪的先进国家。”因发明扫描隧道显微镜获得1986年诺贝尔物理学奖的罗雷尔，这样评价纳米科学的意义。

“纳米技术有可能是人类历史上又一次产业革命，它将使人类进入智能化的类生物体系的生产时代，这意味着纳米科技的最高宗旨，是制造出类似于动物的机器——具有感官、智能、反馈、自修复等高级功能。”对于从事了多年并深爱着的纳米技术，王中林的重视之情溢于言表，“纳米科学为学科交叉研究提供了新的平台，它从概念上改变了我们从事科学研究的传统文化。过去，研究物理的人只是在物理这个圈子，研究化学的人只在化学圈子，研究生物的人也只是在生物圈子。而纳米技术的出现，跨越了多个学科，这是一种研究理念的改变和革命，必然产生极大的科学、技术和社会效益，所以它的影响是深远的。”

他认为，纳米科学的出现有五大因素：“第一，是新工具的发明，任何重大革命都是从工具开始的，像扫描隧道显微镜、原子力显微镜、透视显微镜等，它们提供了观察微观世界的眼睛和手段。第二是技术需要——微电子技术的发展，如果没有微电子技术的需要，纳米还只是停留在科学上，到不了技术这一步，所以必须有工业的需求。第三，近十多年来，科学家发现的一系列纳米结构，为人类提供了一幅蓝图，我们可以用这些结构来制造未来器件，设计出比现在性能更高的多功能器件和系统。第四，这些独特结构所拥有的性能，例如量子效应、表面效应等。第五，电子计算模拟技术展现了微观世界在超短时间内的一些物理化学过程。这五大方面的原因综合在一起，就形成了现在的纳米科学和技术。”

谈到纳米科学的未来，王中林更是显得兴致勃勃，我们采访时，已是美国的深夜，但他的声音却明显上扬，显示出愉悦的情绪：“纳米科学的前景非常广阔。很多纳米技术短期在3～5年内就能应用，像一些新型催化剂、新型能源材料、能源储存技术、医学上新的成像技术以及新的元件的出现，还有复合材料、场致发射材料、生物材料等等。中期目标是在10年左右，药物的靶向投递、细胞级癌症早期诊断、高性能太阳能电池、新的水制氢技术等都将变为现实。长期目标是在25年之后，包括单细胞的诊断、全光信息处理技术、从神经系统来治疗聋哑病技术、从环境中把热能或化学能转换为电能等技术将发展起来。”

不过，在美好蓝图面前，王中林并没有迷失方向：“我们接下来要做的就是继续提高纳米发电机的功率，并把它和其他纳米器件集成到一起，做成自驱动系统。这种系统可以从环境中自动获取能量。”在这种可以自己回收环境中的能量并转换成电能的纳米发电机的驱动下，各种纳米器件就有了大展拳脚的机会，纳米技术的发展也将开始新的里程。