論納米技術和納米材料的科研本質

來自專欄 論事物的本質

寫這篇文章之前，我耐著性子把知乎納米技術和納米材料兩個話題下面的所有精華帖都看了一遍。除了少數行家敢於說真話，比如 @弗雷劉 的這一篇回答石墨烯，尤其是石墨烯電池的未來前景如何？可以說是相當一針見血，剩下有相當一部分人在搞個大新聞或者帶領不明真相的群眾圍著大新聞起鬨，堅稱納米科學日後大有可為。特別是針對於一些關鍵問題的回答「納米技術」中現在有哪些真正的被應用了？或者具有很好的應用前景？下面的回答簡直慘不忍睹，甚至有幾個已經認證的官方大v號還在那邊偷換概念，說了半天大有可為，結論竟然是拭目以待，呵呵。簡直把本來就混亂無比的納米界渾水攪得更加混了。

我寫的這一篇文章本來是應該不存在的，就像石墨烯一樣，本來應該不存在。為什麼呢，首先，因為現在身在坑裡的人不可能寫這種文章，還沒出坑的納米小將寫這種東西的話，因為圈子實在太小，很可能被人分分鐘人肉出來然後傳到老闆那裡去就直接gg了。納米大將就更加不可能了，人家為什麼要寫一些真實的東西把自己路給堵死呢，躺著收割，悶聲發大財就不好嗎？所以本質上來說，要在這兩個話題下面可以得到有任何insight的東西簡直是不可能的，大家也不需要insight，還不如去小淫蟲論壇看看如何燒爐子還有點意義。

當然最為重要的一點，像這種討論事物本質學的文章，qualification是很重要的，因為不能犯外行去指點內行的錯誤。討論這麼大一個話題的時候，就有很多人來問你，你是誰，你有啥資格來對整個納米學科指點江山呢？我一個僅在行業里混了五年的人當然沒資格了，還記得納米科研女神曾經說過，我組裡世界上最優秀的學生也要花個三五年才能摸到納米科學的門，你連門都有可能沒摸到你就應該閉嘴好好學習。對啊，怎麼說都應該請一些在這個領域混了十年二十年的千老們說說他們的觀點，但是他們在哪裡呢，我在知乎怎麼一個都沒見到。或者，讓下面那些我提到的納米學科的大牛們自己現身說法是最好的。但是我說了，納米大牛就算被你請來現身說法了，也是絕無可能唱衰自己獻身終生的事業的，所以你完全不可能聽到一些真實的聲音。

但是僅僅因為沒有人有資格你就不能發聲了嗎？那這樣太多人的認知只能永遠這麼一灘死水下去，永無撥雲見霧之日。納米學科和大多數科研行業一樣是毫無互聯網的分享精神的，從業人員逐漸變得和化工廠的老師傅們一樣，對於談業內情況諱莫如深，惜字如金，這是為什麼呢？因為談的多了他們自己也兜了底，對於毫無數理能力做強技術壁壘的搬磚人員來說，分分鐘被人取代，那還怎麼靠這行吃飯呢？

所以此篇，應該也算是拋磚引玉，希望更多的人可以拿出一些真實的經歷來，講講你眼中的納米技術和材料到底是什麼樣子的。歡迎領域內各種人撰文@我，即便是懟我也可以，因為知乎上相關的真知灼見簡直匱乏到了極點。請注意，我無意於預測納米技術和行業的整體未來，這和讓你叫我去預測2019年房價會不會跌一樣，這種事情我是不做的，因為其實沒有人可以預測。我只是想討論一下，在納米領域做科研，本質上在幹些什麼事情。

以下是正文。

這篇文章非常難寫，因為這個領域太大，實際上納米技術這個概念就是混淆的，任何在納米尺寸下面的天坑專業研究都可以和納米技術扯上關係。正因為這裡面的混亂和無序，才使得很多人完全看不清裡面的門道，秉著自己看不清就是高大上的想法，自然而然就掉進了坑裡面，這裡面也包括曾經的我。所以還是要做一點功課的，比如把現在世界上的業界大佬們在乾的一些事情給拿出來做參考是很有必要的。所以我所參考業界的部分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...當然每一個人我都扒一遍研究方向和歷史資料我顯然已經至少需要在這個行業裡面沉浸個數十年，那時候我已經成為他們其中的一份子了，所以你也見不到這篇文章了。因為他們涉獵的範圍實在太多了，歸類也很困難，我只能總結了一些高頻率的關鍵詞給大家一個粗略的印象：

量子點，納米顆粒，納米線，納米帶，納米環，納米纖維，納米晶體，二維材料（石墨烯及其衍生烯類，MoS2, WS2, SnS2等），碳納米管，富勒烯及衍生，儲能材料（電池，包括各種鋰離，鋰空，鋰硫，鈉電，鋁電，燃料以及超級電容等），光電材料（發光材料，太陽能電池），半導體材料（晶體管，晶元等），催化材料，感測器材料。

大概你去看他們乾的事情大概率會和上面所說的事情扯上關係，當然還有一些我沒提的東西，就比較邪乎了，類似於納米機器人，納米發電機，納米小汽車，納米醫生，納米護士之類的東西。這種呢，我姑且先歸類於「納米藝術」這個分支下面吧。當然還有國內的一些經常在說的東西：比如納米空氣凈化器，納米電飯鍋，納米洗衣機，納米保健內褲等等。實話說，這些個名詞我這種外行評價不了。。。

當然你把這些字逐個念完，你多半就已經暈了，你根本沒法總結出什麼納米科學的本質出來。毫不例外的，我剛進坑的時候也是這一副一臉懵逼的樣子。所以，在懵逼的時候去看看維基百科的定義可能是不錯的思路：

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

這段話的意思大概就是說在玩某一種材料，只要在其中一個維度上的範圍落在了1到100納米以內你已經在搞納米技術了，所以你需要做的就是接近這個尺度，然後研究這個尺度下的特有性能，這也是整個納米技術的核心部分，嚴格來說是一個介於宏觀尺度和微觀尺度的亞微觀尺度。要研究這樣一個尺度的材料，你的手段不外乎兩種：

自上而下式的（top down），採用宏觀到亞微觀的approach，比如研磨，剝離，刻蝕等方法。

自下而上式的（bottom up），採用微觀到亞微觀的approach，比如化學合成，聚合，自組裝等等。

前一種方法大都涉及物理操作，後者涉及化學反應，如果要用我的話來總結，那麼納米技術就是使用物理和化學方法去操作特定尺寸材料的一種技術。嚴格意義上來說並沒有任何科學的理論基礎，連維基百科上提到納米技術的誕生是起先於富勒烯的發現和電子顯微鏡的發展，之後才被人提上歷史進程的。所以說，嚴格來說，納米科學這種詞語是完全錯誤的，因為沒有納米學這種東西，納米不是學科只是一門技術，他和美容美髮技術，汽修技術，烹飪技術一樣，和科學沒有任何關係。

那麼為什麼那麼多人對於這種技術趨之若鶩呢，因為他們看見了利益，他們期待著某些宏觀上普通的材料在納米這個尺寸下會誕生一些特殊的性能，這就是所謂的納米尺寸效應。談到納米技術的好處時候，一般都會有人給你安利納米尺寸的東西有啥啥啥好處，學術界對於此的通常解釋也不外乎那麼幾個：超高比表面積，超高長徑比，超高反應活性等等。那你承認不承認這些林林總總的納米材料的確有這些優勢呢，你必須承認啊，人家有白紙黑字的數據擺在那裡。但是這材料有用嗎，沒有用。這就是納米材料的詭譎之處了。

因為在相當長的時間裡，我們都密切關注著一個納米材料某些方面的一些神奇性能，卻看不到材料在納米尺寸下面所喪失掉的性能。比如最典型的兩個，物理強度和化學穩定性。那工業界的應用它根本不和你講太多道理，對於特定應用的某些關鍵性能，不符合的材料就直接pass掉，完全不理睬你所謂的神奇的納米尺寸效應。這就是為什麼納米材料在工業界的應用如此慘淡的原因了。

而且更進一步來說，所謂的納米尺寸有時候並沒有給材料帶來太多的好處，反而帶來了一些劣勢。以我熟悉的一些材料舉例子，比如金屬材料如果薄到納米尺寸，在小於10nm的情況下，它的導電性能反而下降了，這是因為很薄的金屬會在製備過程中形成明顯的晶粒邊界導致了電阻上升。還有以前用納米纖維做過濾，首先是強度不夠，纖維膜在沒有強度支撐的情況下分分鐘破裂。其次就是孔隙太小雖然能夠過濾掉很細的顆粒，但是壓降太大，耗能不說，如果做成口罩能把人給憋死。那這種納米尺寸帶來的劣勢你在聽那些業內人士鼓吹的時候，他們會跟你也順帶科普一下嗎？

所以在很多時候，人們能用的材料並不是那種某些方面有非常強大的性能，而是材料整體他沒有明顯的短板，各個方面都能滿足我們的需求，這些材料已經到處充斥著我們的生活了。而那些在實驗室柜子里鎖著的各類神奇納米材料，實際上現在已經只是納米學術界各類學者撰文的工具，僅此而已。而整個納米學界經過多年的變異，分化，各種門類已經琳琅滿目，目不暇接。如果你是一個新人，跑到那樣偌大的森林，分分鐘迷失掉自我不足為怪。但是今天你看了此文，就可以抓住重點。你需要堅定不移的去考察這種納米材料對於工業化應用的價值，然後再去看看你要不要成為一名納米學科的從業者。否則，你在做的事情，拿我的男神王爾德的話來說，就是：始於自我欺騙，終於欺騙他人。

最後我想澄清的一點是，納米技術和納米材料的區別。真正有用納米技術其實不是Nature Nanotechnology，Nano Letter, ACS Nano那些學術界自己和自己玩的一些東西，我不認為拿著NSF施捨的小錢能夠做成任何造福於人的納米技術，因為納米技術行業本就應該是資金密集型，設備密集型的。你能指望幾個團隊里的納米小將靠切矽片，燒爐子，開反應改變世界？最典型，也是最有用的半導體產業里所用到的光刻技術，那才是改變了世界的納米技術，而且創造了令人驚嘆的計算機科學和互聯網技術。那光刻術和玄之又玄的納米尺寸效應有啥子關係呢？沒有，就是把集成電路做小做多了，這樣運算速度就更快了。如果根據定義來，那些晶元成品是屬於納米材料的，但是沒有人這麼稱過。人家叫半導體材料，早就和納米材料撇清了關係。所以呢，納米技術的確是大有可為的，納米科學和納米材料我只能呵呵。

寫到這裡有點累了，因為要討論的事情太多了，以後想起什麼的話再補充吧。

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