我眼中的纳米世界

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１ ０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。
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
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，各种各样的营养素加进来，比如说抗皱，它里头加一些中药 的成份，摸了之后皱纹就少了。去斑，就是把我们皮肤里头的一些沉积色素能够 溶出来。这些东西，当然这个应用是很广了，我仅仅举这么两个例子。但是在这 个尺度上我们很难让皮肤吸收，它吸收通过汗腺，当然也可以通过皮肤的一些 淋巴组织来进行吸收，吸收是干嘛？吸收是通过这种渗透，很费劲，有效成分 应该说我们擦的这点东西，有人做过估计，基本上是１０的负４次方以下的那 些东西能够进入到皮肤里头。也就是说你擦不到万分之一，这么多东西都浪费掉 了。如果我们要把有效成分，比如说中药的有效成分变成纳米的水颗粒里头包含
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，wenku.baidu.com不能告诉我，“米”这种概念是从 什么时候开始有的？
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。
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：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，
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。
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？