【前沿交叉学科】纳米科技:助力学科融合,关注人类未来——访纳米科学与技术研究中心彭练矛教授

【编者按】北京大学前沿交叉学科研究院是跨学科的研究平台。研究院的基本任务是组织跨学科的学术交流、开展跨学科的科学研究和培养交叉学科的优秀人才。研究院以北京大学雄厚的基础学科和先进的技术学科为基础,组织联合相关的研究力量,建设具有良好学术交流环境、学科前沿性与学科交叉性相结合、实体与虚体相结合的交叉学科研究平台,为北京大学的交叉学科研究创造良好的学术氛围和研究条件。本网将陆续介绍一些相关的研究中心,以飨读者。

当你流连于琳琅满目的电子产品面前目不暇接之时,可曾想过,是什么让你的电脑、手机的更新速度越来越快?

1965年,在信息技术即将开始迎来几十年高速发展的黄金时期的前夜,英特尔(Intel)创始人之一摩登•戈尔便提出了著名的摩尔定律: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。换言之,相同价格所能买到的电脑性能,将实现每隔18个月翻一倍的跨越式提升。几十年来,电子信息技术行业的蓬勃发展,一次次神奇地印证了这一规律。

今天,一根细小的头发丝上就可以放置成千上万个晶体管,相关的芯片和电路技术已经深入到纳米级别的微观层次,纳米科技正在信息技术开拓新边疆的前沿阵地中扮演越来越重要的角色,悄然引领着信息时代的又一次“革命”。

纳米科学与技术是研究物质在纳米数量级的微观结构、性质和应用的学科。特殊的研究对象、复合的观测方法、广泛的应用范围,使得纳米科技成为物理学、化学、生物学、电子学、材料学、信息学等许多学科热烈追捧的“宠儿”,也对从事纳米科技领域研究的学者在综合知识和学术能力上提出了更高的要求。北京大学交叉学科研究院下的纳米科学与技术研究中心(以下简称纳米中心)成立于1997年9月27日,是我国第一个跨学科的纳米科技联合研究机构,涵盖了物理学、化学、电子学、材料科学、微电子技术、计算机以及生物学等专业领域。经过十几年的发展,纳米中心已成为国内纳米科技研究的重要机构,所承担各类纳米科技相关项目逾百项,获30多项授权发明专利。

在中心里,一群来自不同学科背景的顶尖学者聚合在一起,共同探索着纳米科技最前沿的难题和中国纳米科技未来的发展道路。长江特聘教授彭练矛便是其中一位执着的“纳米人”。他主攻纳米电子领域,多年来在相关的学术研究和技术创新上取得了国际领先的突出成果,创造了多个“中国第一”乃至“世界第一”。他在纳米科学方面的工作2000年被列入“中国基础科学研究十大新闻”第一条,由他带领的研究团队完成的研究成果“实现碳纳米管的高效光伏倍增效应”位列国家科技部组织评选的2011年度中国科学十大进展之一。

纳米科技和电子学的结合

许多人对纳米科技和电子技术交叉结合所体现的意义与价值不甚明了。从某种意义上说,一部现代计算机的发展史,就是一部记录了人类如何追求制备体积更小、速度更快、效率更高、能耗更低、价格更廉的电子元件的不断超越自我的奋斗史。信息技术发展到今天,硬件的支撑越来越依靠纳米科技通过专门的研究方法和观测手段进行纳米层次的器件组织和建构。

由于常规手段和技术的限制,芯片、晶体管、集成电路等器件在进一步微型化、智能化的过程中面临的困难逐渐增多,而纳米科技正好为之注入了新鲜的活水,为摩尔定律的延续和信息社会未来的新飞跃提供了可能。

整整十余年,彭练矛教授和他的团队十年如一日专注地做着同一件事情,那就是研究如何用碳基纳米材料制备性能更好的未来芯片和集成电路,并探寻最终实现以碳基取代硅基的产业革命之道。为什么要以碳基取代硅基?彭练矛介绍说,人类社会和科学技术要向前发展,都必须经历如生物体新陈代谢一般的更新过程。现在的电子信息核心元件如芯片、电路、晶体管等,都是以硅元素作为基本材质,可以说没有硅就没有20世纪以信息技术为代表的第三次产业革命,美国的硅谷正是这一现代技术文明的繁荣象征。然而,随着相关技术和产业的飞速发展,水涨船高地将对元件材料的要求提到了相当的高度,捉襟见肘的硅基材质将不可避免地在未来面临更多的挑战。而碳基材料则作为一种新兴承载体,显示出了更多优良性能。这一方面为人类指明了可能的解决之道,另一方面又使人们深切感受到发展纳米科技来创造未来碳基电子器件的紧迫性。

2001年,彭练矛教授和现任纳米中心主任的刘忠范教授合作主持一项科技部973项目,开启了他们在碳基电子器件领域的求索之路。2006年,彭练矛在另一个项目的研究中考查了用碳纳米管来制作晶体管的可行性,并成功证明了碳纳米管做的晶体管速度比硅基材料的晶体管快5到6倍,而功耗却只有后者的百分之几。也就是说从单个器件上来看,碳基材料的性能已远超硅基材料。随后他将关注点从单个器件转移到电路上,近几年一直专注研究着如何用碳纳米管等纳米材料制成完整电路,并通过使用与通常轨迹不一样的复杂逻辑联结起系统化的电路,最终实现碳基器件在整个电路上的嵌入,为性能更好、功耗更低的碳基取代硅基打下基础。

“用碳基材料做的单个器件和晶体管,我们中心一直是世界上做得最好的。”彭练矛教授自信而欣慰地笑着。他介绍道,现在纳米中心用碳纳米管做的电路,其性能也已经达到了全球最高的水平。“此外,我们还第一个实现了用碳纳米管制成最复杂的逻辑电路——乘加法器。”2012年9月份,由美国国家标准局组织的一次碳纳米管国际会议,云集了IBM、Stanford、Berkeley等世界顶尖碳基纳米科技研究机构的优秀学者,“我们中心是唯一一家受邀去做报告的美国境外的单位。”而这也足以体现了北京大学纳米中心在世界纳米科学界的领先地位。

纳米科技:推动学科融合的催化剂

彭练矛指出,交叉学科研究院和纳米中心有一个共同的理念,即要通过对一些重点交叉学科的建设和发展,促进学科的融合,以适应人类未来的研究。而纳米科技凭借其自身的特殊性展露出对各自然科学的强大整合作用,无形中为推动学科的融合起到了极为重要的催化效果。“纳米科技自己日后就将形成一门成型的学科。”

纳米科学与技术可以称得上是学科间交叉融合的典型。“纳米科技的发展,利用了物理、化学、电子学、材料学等多学科交叉融合的复合优势,需要这些学科的融合。但是这个‘融合’的概念本身并不是大家原来想象的那样子。”彭练矛说,物理、化学这些不同学科的界限,本来就只是科学发展早期人为划分的一种框架,“我们要做的只是从历史的角度对这种划分给以尊重,但绝对不能让这些人为的界限成为妨碍自己思维的障碍。科学的发展是不会完全按着那套人为的框架走的,尤其是发展到更高层次以后,原有的学科界限将变得更加模糊。”

他以纳米电子科技的研究为例介绍说,现在做集成电路和芯片,传统电子学涉及比例已经小了很多,大部分的加工是化学和材料领域的技术过程;而对于电路和器件的制备,听起来是电子学,但是材料不解决的话,随后的工作也将无从展开;未来对于实现碳基芯片和电路的信息化、智能化,单纯传统意义上的物理、化学、电子学都是力不能及的。因此,研究纳米科技不可避免地要涉及多个学科的知识和方法,只有学科综合背景扎实、视野全面开阔的研究人员才能成为新时代独领风骚的“纳米人”。“还是那句话,人类科技的发展和进步有其自身的规律,本质上不依赖于我们对学科的划分。”

鉴于此,彭练矛对纳米中心和交叉学科研究院其它研究中心的学生提出了自己的建议。他说,学生进入交叉学科研究院后,不要在潜意识里给自己设定了一条学科的界限。纳米中心和交叉研究院希望给学生传达一种新的观念,即不同学科之间的界限不是固化而绝对的,它们只是在研究具体问题的方法和角度上各有侧重而已,且其差异将在未来越来越小。比学科的划分重要得多的是问题意识,要以问题为导向完善自身的知识技能结构。

“本质上,教育更重要的功能就像是给人一个工具箱,要做什么事情就拿出什么东西即可。想要画画就拿出画笔,想要收割就拿出镰刀。掌握了不同工具,想做什么都可以。”因而纳米中心希望学生在实际研究中将更多其他学科的内容作为自己工具箱的一部分。

纳米科技和人类社会的明天

纳米科技不仅是一门各学科思维碰撞融合的交叉学科,也是一门非常前沿的、具有极大实用价值的学科。有些人可能会觉得纳米科技的研究成果太超前以致和当下的生产技术关联甚微。而事实上,仅就纳米电子技术来说,其将自身的学术研究成果转化为现实中具有经济效益的实际应用的速度是非常之快的,“现在看上去很前沿、学术的东西,十几年甚至几年之后立刻就变成我们日常生活中天天接触的技术了。”

对于纳米科技等学术前沿领域的拓展和挖掘,大学更肩负有引领社会的重要责任。“公司里的研发部门可能只是针对明后年要做怎样的产品而研究,而大学的研究是要考虑未来十几年、甚至几十年的。”彭练矛一语道出了大学的学术研究价值对于社会的意义之所在,也呼应了北京大学纳米中心立足科学前沿、关注人类未来的理念和宗旨。他进一步说道,纳米科技这样在刚出现时看上去很前沿的技术,通常在大学首先出现,后来再通过大公司研究所的开发,进入人们的日常生活和社会的方方面面。在彭练矛看来,学术、日常生活、前沿研究之间是不存在矛盾的,存在的只是一个小小的时间差。因此他提醒研究纳米科技和其它交叉学科的老师与学生要目光长远,放眼未来,而不要短视地局限于当下。

今天,人类从荷尖初露的碳基电子器件上看到了信息社会未来发展前景中的巨大潜力,而由此可能引发的新一轮技术竞赛则已经无声地揪紧了各国纳米科学家的神经。彭练矛无不惋惜地说,上个世纪的信息产业革命主要是由美国领导发动的,拥有技术优势的西方获取了巨大的收益,而中国未能占得先机。如今,碳基取代硅基的升级与革新正逐渐成为未来发展的大趋势,如果中国能够抓住这一转型时期的难得机会,好好利用并加以深入挖掘,便可以创造自己的历史。“关键在于中国纳米科技研究者能否通过自身努力把握住这一机会。”

小小纳米,神奇地丈量起了人类的大未来。

编辑:歆琴

链接:【前沿交叉学科】纳米科技:助力学科融合,关注人类未来——访纳米科学与技术研究中心彭练矛教授插图

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