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飞速裂变的时代中看纳米科技-程曜-第2章

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的同学,坐在中间的同学你四面一看都是同学,可是你坐在边边的同学,你会看到一边是同学,另外一边没有同学,对不对,这是不对称。所以在表面的这些原子,它的活性特别大,它跟在整个纳米粉末内部的这些原子的行为不一样,当我们纳米粉末小到比如说只有十个纳米的时候,它的原子大部分都是表面,所以它会有一些特殊的性质产生。我们现在讲的纳米科技和纳米技术是这些东西。 

    我们再来谈在这些产业结构里面,第一次工业革命,它的象征是什么?第一次工业革命的象征是人类控制了能量,我们控制了能源,我们可以生产,我第一张图,这边左上角给各位看的是一个纺织机,瓦特使用这个,就是把这个蒸汽,水蒸气的这个能量来变成一个机械的运动,在最早的时候,在英国他们就建造了这些纺织机,纺织机,它的影响力有多大?在没有纺织机之前,几乎所有的妇女都必须要呆在家里面织布,你可能一天织不到一匹布,那时候布是很贵的。可是有了纺织机以后,我们有一半的人口就被解放出来,可以到社会上参加工作,参加工作就可以对整个文明的进步,当然有更大的贡献。当然,第一次工业革命除了这些生产,就是把一些重复性的生产力用机器来取代之外,我们有了运输,我们有了汽车,更快的运输,我们有了火车,我们有了军舰、轮船。你看在两百年前,美国刚刚建国的时候,你从东部骑着马到西部去,你大概要花一个月的时间。铁路造好了以后,你坐火车过去,你大概需要一个礼拜的时间,那时候铁路还蛮慢的。然后你现在有了飞机,你大概只需要半天的时间,所以你看在这一两百年之内,我们怎么样?我们的运输速度增加了一百倍,从一个月缩减到半天。 

    我们现在来看第二次工业革命是什么?第二次工业革命主要是人类控制了信息,信息我们不但可以把这些信息储藏起来,我们还可以运算,我们还可以交换、通讯,我们还要感官。在未来我们可以把这个光直接打到眼睛里面,直接在眼球里面成像,这个技术其实已经有了。所以信息的工业革命,它包含不只是计算机,不只是这些,还包括到你的眼、耳、鼻、舌、声、意,现在你眼睛瞎了,可以用电子眼重新再看到,耳朵聋了,我可以用电子耳受再重新听到,这个你们大概都知道。我们可以直接用电子跟神经做交换,这些所有的感官信息都可以数码化,都可以传进来。 

    第二次工业革命主要来源是信息的储存没有大小,它没有空间上的大小,所以我今天我作为一个晶体管来储藏它,我这个晶体管做得越小,结果它越好。我在相同的面积,相同的芯片面积上,我如果生产越小的晶体管,我的产量就越大,然后它的速度就越快,对不对。现在不是奔四嘛,以后可能奔五、奔六,这个本来是兆赫,现在已经到了千兆赫,越来越快,用的能量越少。在这个情况下,就引起了整个大的变动,这个就是信息产业的工业革命的来源,这个信息产业工业革命,它牵涉着其中有一个生产力的变革,我们叫做光刻术,待会儿我还会谈到光刻术,我们利用光刻术把东西越做越小,越做越小,越做越小,然后越来越便宜,这就是第二次工业革命的来源。 

    那我们来谈这次工业革命有多快?大概在三十年,就是1970年到现在过了三十年,我们生产的晶体管,小了一万倍,我们增加生产的数量增加了一万倍,然后价钱还更便宜,我们刚才谈到第一次工业花了一百年,我们把这个运输的速度从美国东岸到西岸降低了一百倍,可是在信息产业革命里面,我们增加了一万倍。 

    会不会有第三次的工业革命,这个当然是我的预测,它会是另外一个非常重要的一个生产力的变革,牵涉到,其实就是控制生命的周期,我们可以现在利用这个生物科技来生产粮食、医疗、保健、延寿。你要知道,我们中国人在1900年的时候,平均寿命是多少?三十岁,现在平均寿命大概是六十几岁,接近七十岁,我们预计到公元2050年的时候,寿命可以延长到一百岁,这个就是控制生命的周期。生物科技就是第三次的产业革命,应该是跟这件事情有关。我们也知道大概克隆人,今年就会诞生,我们虽然不知道它能够活多久,不过你们可以想象,在我讲的这个时候,这个克隆人可能已经诞生了,可是它可能不久就死亡了,可能不久就死亡了,这个事情它的冲击会非常的大。 

    好,我们再回来看纳米的科技,纳米科技,我们这张图中间有两个预测,一个是1989年作的预测,你可以看到这是一个曲线,我们的晶体管越做越小,我们每三年这个晶体管就缩小一倍,数量增加了四倍,为什么数量增加四倍?晶体管缩小一倍,我们在面积上,我们就可以增加两倍,就是相同的面积可以增加两倍的晶体管,可是我们芯片的面积又增加了两倍,所以就得到了四倍,所以就翻两番,这么快的速度,在公元2002年就做了一个预测,这个预测我也在这图里面把它标明出来它的不同,这个预测跟原来不一样的地方是什么?我们现在的晶体管以现在的技术,晶体管缩小的速度要比过去十年来得更快。可是我们的数量呢,并没有办法向以前的每三年增加四倍,这么快的增加。其中的原因,就是我们不能把芯片的面积再增大,因为芯片的面积再增大的时候,我的里面有做坏的电晶体,如果做坏了,我整个芯片就要丢掉,这个时候我就不划算了。大家可能都会问,这东西一直做下去,做到纳米,我们大概应该是在最近几年,我们这个晶体管的大小就小于100纳米,这时候我们就不能叫微电子,我们叫纳电子,这个纳电子有没有极限,我们要不要做到像这个原子、分子一样这么大小,来帮我们做这个计算机,做这些计算。我们必须要讲,我们用光刻的方法,现在我们给它一个名字,这个光刻方式叫做由上而下的加工方式,这种由上而下的加工方式,它必定有一个极限。 

    我记得台湾有一个非常重要的微电子的学者,他就讲说其实未来三十年内,这些微电子还会急速地发展,每年增长30%,再增长30年。如果说以30%,现在微电子的生产总值大概3000亿美金,如果以每年30%的速度生产下去,我们在三十年就超过全人类的生产总值,所以这是不可能。你不可能,你总不能拿微电子来吃,对不对?你穿、吃都拿微电子来,起码纳米里面还有一个“米”字,纳米还可以吃。纳米真的是有协助于生物科技的,是可以吃的,这是真的。所以我们现在的讲法,就是微电子以更快的速度迈向极限,所以在公元2010年大概是50纳米或60纳米是它的极限,为什么是这个数字?因为50纳米跟60纳米牵涉整个加工,就是纳加工的光学系统的更动,使得成本上升,成本上升。当我这个芯片卖得更贵,然后又老坏,你会不会买,你不会买。这时候微电子的急速发展,我们就讲它停止了,停止了以后,会发生什么事情?是不是微电子就泡沫化了,就没有了,大家现在大家很努力地在念电子工程系,是不是就觉得有点害怕,将来就没饭吃了,不会,你们放心好了。所以它会转向多样化。 

    我们在下面会谈到转向微系统科技,这个微系统科技呢,我们也有一种在美国的讲法叫MEMS,就是Micro Electro Mechanical System,后来这个就是微机电系统把它集成在同一个芯片里面,我不只是有电子元件在里面,我还有机械元件,我可以做机械的事情,做机械的感测,这叫做微机电系统。过一会儿,美国人又发现这个名字不够,我们应该把光放进去,所以就叫做MOEMS,就是微光机电系统。现在更流行的名字叫BioMEMS,是生物微机电,不管怎么样,在欧洲都叫微系统技术,所以它会继续地扩散出去。 

    这里我举一两个例子,这个是加州伯克莱大学林立伟教授做的,也是我的学弟,他就是做得是一个针,用硅做的一个针,这个针本来是想刺到脑部里面,研究脑子的活动,所以它这上面有电极,有取样,有取样的孔洞,事实上我们也可以拿这个针来研究针灸,到底针灸是怎么回事。另外,你们看到另外一个,就是硅的振荡器,为什么我需要硅的振荡器,你们现在,如果你们手机坏了,把它拆开来,打开看看,这个手机里面有几个部分,其中有一个部分是石英振荡器,石英中频振荡器,这个石英振荡器因为它的材料跟硅不一样,所以它要另外做,然后到最后再用电子电路集成到你的手机里面,这时候石英振荡器就显得特别大。如果我用硅就可以把这个振器跟我的电子电路做在一起,是不是我就集成起来,这时候你的手机会更小,还不只更小,还会更便宜,这是最重要的,它成本还会降低。这就是我讲的这个微电子的微加工技术,它还会扩散到其他的机件元件。这个就是我做的,左上角那个还上了一个国际杂志的封面,这个讲的是什么?人造纤维的喷口,我们现在,你要知道自然的纤维,产量不能够再增加,因为耕地面积受限,羊毛啊、麻啊、棉啊,不能再增加,所以人纤,人造纤维不断地在增加,可是人造纤维,我们会认为还是天然的纤维穿起来比较舒服,错。将来人造纤维会更舒服,因为纤维它的好坏决定于两件事情,第一件事情就是它的横剖面,为什么是横剖面?你像蚕丝为什么会发光,蚕丝发光因为它是三角形的,羊毛为什么会是卷的?羊毛卷的,是因为它是扁的。 

    所以说,你的纤维的品质靠的是横剖面跟材料,材料现在我们比如说参了纳米丝进去以后,大家前一阵可能都在电视上看到,纳米丝参上去了以后,你的水倒上去它都不沾,因为就像荷花荷叶上面一层细细的丝,拿这个
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