论纳米技术和纳米材料的科研本质

论纳米技术和纳米材料的科研本质

2018.12.9日更新

纳米果然是一个闷声发大财的学科,在约莫等了大半年之后终于有业内人士@我了,激动的流下了幸福的泪水。 @王乐天 的这一篇回答

王乐天:「纳米技术」中现在有哪些真正的被应用了?或者具有很好的应用前景?中提到的观点直中要害,强烈推荐,我就顺带再罗嗦两句。

在纳米制造中的一大关键问题就是纳米材料结构的有序性随着尺度的降低,获得成本几何式上升。这个基本就扼杀掉了99.9%使用“特殊技巧”制造的纳米器件或结构走出实验室的可能性,而这些特殊技巧基本上就是目前纳米科学家们灌水发论文的看家本领。而这些个看家本领失败的根源就是为了降低一个纳米结构的体系混乱度,也就是熵,使用了一系列工具,而这些工具可能会引入的体系熵值比这些纳米结构本身还来的大,所以根本没有办法降低体系的熵,而目前来说除了光刻之外几乎没有有效的手段去解决这一问题。

以下为原回答。


写这篇文章之前,我耐着性子把知乎纳米技术和纳米材料两个话题下面的所有精华帖都看了一遍。除了少数行家敢于说真话,比如 @弗雷刘 的这一篇回答石墨烯,尤其是石墨烯电池的未来前景如何?可以说是相当一针见血,剩下有相当一部分人在搞个大新闻或者带领不明真相的群众围着大新闻起哄,坚称纳米科学日后大有可为。特别是针对于一些关键问题的回答「纳米技术」中现在有哪些真正的被应用了?或者具有很好的应用前景?下面的回答简直惨不忍睹,甚至有几个已经认证的官方大v号还在那边偷换概念,说了半天大有可为,结论竟然是拭目以待,呵呵。简直把本来就混乱无比的纳米界浑水搅得更加混了。

我写的这一篇文章本来是应该不存在的,就像石墨烯一样,本来应该不存在。为什么呢,首先,因为现在身在坑里的人不可能写这种文章,还没出坑的纳米小将写这种东西的话,因为圈子实在太小,很可能被人分分钟人肉出来然后传到老板那里去就直接gg了。纳米大将就更加不可能了,人家为什么要写一些真实的东西把自己路给堵死呢,躺着收割,闷声发大财就不好吗?所以本质上来说,要在这两个话题下面可以得到有任何insight的东西简直是不可能的,大家也不需要insight,还不如去小淫虫论坛看看如何烧炉子还有点意义。

当然最为重要的一点,像这种讨论事物本质学的文章,qualification是很重要的,因为不能犯外行去指点内行的错误。讨论这么大一个话题的时候,就有很多人来问你,你是谁,你有啥资格来对整个纳米学科指点江山呢?我一个仅在行业里混了五年的人当然没资格了,还记得纳米科研女神曾经说过,我组里世界上最优秀的学生也要花个三五年才能摸到纳米科学的门,你连门都有可能没摸到你就应该闭嘴好好学习。对啊,怎么说都应该请一些在这个领域混了十年二十年的千老们说说他们的观点,但是他们在哪里呢,我在知乎怎么一个都没见到。或者,让下面那些我提到的纳米学科的大牛们自己现身说法是最好的。但是我说了,纳米大牛就算被你请来现身说法了,也是绝无可能唱衰自己献身终生的事业的,所以你完全不可能听到一些真实的声音。

但是仅仅因为没有人有资格你就不能发声了吗?那这样太多人的认知只能永远这么一滩死水下去,永无拨云见雾之日。纳米学科和大多数科研行业一样是毫无互联网的分享精神的,从业人员逐渐变得和化工厂的老师傅们一样,对于谈业内情况讳莫如深,惜字如金,这是为什么呢?因为谈的多了他们自己也兜了底,对于毫无数理能力做强技术壁垒的搬砖人员来说,分分钟被人取代,那还怎么靠这行吃饭呢?

所以此篇,应该也算是抛砖引玉,希望更多的人可以拿出一些真实的经历来,讲讲你眼中的纳米技术和材料到底是什么样子的。欢迎领域内各种人撰文@我,即便是怼我也可以,因为知乎上相关的真知灼见简直匮乏到了极点。请注意,我无意于预测纳米技术和行业的整体未来,这和让你叫我去预测2019年房价会不会跌一样,这种事情我是不做的,因为其实没有人可以预测。我只是想讨论一下,在纳米领域做科研,本质上在干些什么事情。

以下是正文。


这篇文章非常难写,因为这个领域太大,实际上纳米技术这个概念就是混淆的,任何在纳米尺寸下面的天坑专业研究都可以和纳米技术扯上关系。正因为这里面的混乱和无序,才使得很多人完全看不清里面的门道,秉着自己看不清就是高大上的想法,自然而然就掉进了坑里面,这里面也包括曾经的我。所以还是要做一点功课的,比如把现在世界上的业界大佬们在干的一些事情给拿出来做参考是很有必要的。所以我所参考业界的部分big name大概有如下:Paul Alivisatos, Charles Lieber, Yi Cui, Hongjie Dai, Zhenan Bao, Peidong Yang, Younan Xia, Xiaogang Peng, Xiangfeng Duan, Zhonglin Wang...当然每一个人我都扒一遍研究方向和历史资料我显然已经至少需要在这个行业里面沉浸个数十年,那时候我已经成为他们其中的一份子了,所以你也见不到这篇文章了。因为他们涉猎的范围实在太多了,归类也很困难,我只能总结了一些高频率的关键词给大家一个粗略的印象:

量子点,纳米颗粒,纳米线,纳米带,纳米环,纳米纤维,纳米晶体,二维材料(石墨烯及其衍生烯类,MoS2, WS2, SnS2等),碳纳米管,富勒烯及衍生,储能材料(电池,包括各种锂离,锂空,锂硫,钠电,铝电,燃料以及超级电容等),光电材料(发光材料,太阳能电池),半导体材料(晶体管,芯片等),催化材料,传感器材料。

大概你去看他们干的事情大概率会和上面所说的事情扯上关系,当然还有一些我没提的东西,就比较邪乎了,类似于纳米机器人,纳米发电机,纳米小汽车,纳米医生,纳米护士之类的东西。这种呢,我姑且先归类于“纳米艺术”这个分支下面吧。当然还有国内的一些经常在说的东西:比如纳米空气净化器,纳米电饭锅,纳米洗衣机,纳米保健内裤等等。实话说,这些个名词我这种外行评价不了。。。

当然你把这些字逐个念完,你多半就已经晕了,你根本没法总结出什么纳米科学的本质出来。毫不例外的,我刚进坑的时候也是这一副一脸懵逼的样子。所以,在懵逼的时候去看看维基百科的定义可能是不错的思路:

"The manipulation of matter with at least one dimension sized from 1 to 100 nanometers."

这段话的意思大概就是说在玩某一种材料,只要在其中一个维度上的范围落在了1到100纳米以内你已经在搞纳米技术了,所以你需要做的就是接近这个尺度,然后研究这个尺度下的特有性能,这也是整个纳米技术的核心部分,严格来说是一个介于宏观尺度和微观尺度的亚微观尺度。要研究这样一个尺度的材料,你的手段不外乎两种:

自上而下式的(top down),采用宏观到亚微观的approach,比如研磨,剥离,刻蚀等方法。

自下而上式的(bottom up),采用微观到亚微观的approach,比如化学合成,聚合,自组装等等。

前一种方法大都涉及物理操作,后者涉及化学反应,如果要用我的话来总结,那么纳米技术就是使用物理和化学方法去操作特定尺寸材料的一种技术。严格意义上来说并没有任何科学的理论基础,连维基百科上提到纳米技术的诞生是起先于富勒烯的发现和电子显微镜的发展,之后才被人提上历史进程的。所以说,严格来说,纳米科学这种词语是完全错误的,因为没有纳米学这种东西,纳米不是学科只是一门技术,他和美容美发技术,汽修技术,烹饪技术一样,和科学没有任何关系。

那么为什么那么多人对于这种技术趋之若鹜呢,因为他们看见了利益,他们期待着某些宏观上普通的材料在纳米这个尺寸下会诞生一些特殊的性能,这就是所谓的纳米尺寸效应。谈到纳米技术的好处时候,一般都会有人给你安利纳米尺寸的东西有啥啥啥好处,学术界对于此的通常解释也不外乎那么几个:超高比表面积,超高长径比,超高反应活性等等。那你承认不承认这些林林总总的纳米材料的确有这些优势呢,你必须承认啊,人家有白纸黑字的数据摆在那里。但是这材料有用吗,没有用。这就是纳米材料的诡谲之处了。

因为在相当长的时间里,我们都密切关注着一个纳米材料某些方面的一些神奇性能,却看不到材料在纳米尺寸下面所丧失掉的性能。比如最典型的两个,物理强度和化学稳定性。那工业界的应用它根本不和你讲太多道理,对于特定应用的某些关键性能,不符合的材料就直接pass掉,完全不理睬你所谓的神奇的纳米尺寸效应。这就是为什么纳米材料在工业界的应用如此惨淡的原因了。

而且更进一步来说,所谓的纳米尺寸有时候并没有给材料带来太多的好处,反而带来了一些劣势。以我熟悉的一些材料举例子,比如金属材料如果薄到纳米尺寸,在小于10nm的情况下,它的导电性能反而下降了,这是因为很薄的金属会在制备过程中形成明显的晶粒边界导致了电阻上升。还有以前用纳米纤维做过滤,首先是强度不够,纤维膜在没有强度支撑的情况下分分钟破裂。其次就是孔隙太小虽然能够过滤掉很细的颗粒,但是压降太大,耗能不说,如果做成口罩能把人给憋死。那这种纳米尺寸带来的劣势你在听那些业内人士鼓吹的时候,他们会跟你也顺带科普一下吗?

所以在很多时候,人们能用的材料并不是那种某些方面有非常强大的性能,而是材料整体他没有明显的短板,各个方面都能满足我们的需求,这些材料已经到处充斥着我们的生活了。而那些在实验室柜子里锁着的各类神奇纳米材料,实际上现在已经只是纳米学术界各类学者撰文的工具,仅此而已。而整个纳米学界经过多年的变异,分化,各种门类已经琳琅满目,目不暇接。如果你是一个新人,跑到那样偌大的森林,分分钟迷失掉自我不足为怪。但是今天你看了此文,就可以抓住重点。你需要坚定不移的去考察这种纳米材料对于工业化应用的价值,然后再去看看你要不要成为一名纳米学科的从业者。否则,你在做的事情,拿我的男神王尔德的话来说,就是:始于自我欺骗,终于欺骗他人

最后我想澄清的一点是,纳米技术和纳米材料的区别。真正有用纳米技术其实不是Nature Nanotechnology,Nano Letter, ACS Nano那些学术界自己和自己玩的一些东西,我不认为拿着NSF施舍的小钱能够做成任何造福于人的纳米技术,因为纳米技术行业本就应该是资金密集型,设备密集型的。你能指望几个团队里的纳米小将靠切硅片,烧炉子,开反应改变世界?最典型,也是最有用的半导体产业里所用到的光刻技术,那才是改变了世界的纳米技术,而且创造了令人惊叹的计算机科学和互联网技术。那光刻术和玄之又玄的纳米尺寸效应有啥子关系呢?没有,就是把集成电路做小做多了,这样运算速度就更快了。如果根据定义来,那些芯片成品是属于纳米材料的,但是没有人这么称过。人家叫半导体材料,早就和纳米材料撇清了关系。所以呢,纳米技术的确是大有可为的,纳米科学和纳米材料我只能呵呵。

写到这里有点累了,因为要讨论的事情太多了,以后想起什么的话再补充吧。

编辑于 2018-12-10

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