物質(zhì)科學(xué)研究的新突破
　　白春禮
　　納米科技研究專家，滿族，1953年9月生于遼寧丹東。1978年畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)系，1981年、1985年先后獲中國科學(xué)院研究生院碩士學(xué)位、博士學(xué)位。中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員，中國科學(xué)院院長，國家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會首席科學(xué)家和國家納米中心主任。兼任中國科學(xué)院化學(xué)部主任，中國化學(xué)會理事長。1997年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士，同年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士。
　　先后從事高分子催化劑的結(jié)構(gòu)與物性、有機(jī)化合物晶體結(jié)構(gòu)的X射線衍射、分子力學(xué)和導(dǎo)電高聚物的EXAFS等研究。從20世紀(jì)80年代中期開始從事納米科技的重要領(lǐng)域——掃描隧道顯微學(xué)的研究，研制成功掃描探針顯微鏡（SPM)系列。在納米結(jié)構(gòu)、分子納米技術(shù)方面進(jìn)行了較系統(tǒng)的工作。
　　BaiChunli
　　白春禮
　　—、引言
　　中央領(lǐng)導(dǎo)一直對物質(zhì)科學(xué)研究高度重視。在2011年12月16日慶祝“天宮一號”與“神舟八號”交會對接任務(wù)圓滿成功大會上，胡錦濤總書記說：“要超前部署一批對國家長遠(yuǎn)發(fā)展具有帶動作用的重大項(xiàng)目，有效組織力量開展科技攻關(guān)，力爭在基礎(chǔ)研究上取得原創(chuàng)性突破、在高技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式突破。要加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，努力在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命中走在世界前列。物質(zhì)科學(xué)屬于基礎(chǔ)研究的范疇，所以總書記要求在基礎(chǔ)研究上取得原創(chuàng)性突破。溫家寶總理在2011年第14期《求是》雜志上發(fā)表了一篇文章，題目是“關(guān)于科技工作的幾個問題”。他在這篇文章中指出：“當(dāng)今世界正處于新科技革命的前夜，新技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命初現(xiàn)端倪。一些重要科技領(lǐng)域顯現(xiàn)發(fā)生革命性突破的先兆。物質(zhì)科學(xué)、能源資源科技、信息科技、材料科技、生命科學(xué)與生物科技、生態(tài)環(huán)�？萍�、海洋與空天科技等領(lǐng)域，都醞釀著激動人心的重大突破�！睖丶覍毧偫淼倪@篇文章中還專門提到：“在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域，宇宙暗物質(zhì)和暗能量研究探索，很可能像牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力、愛因斯坦提出相對論一樣，引發(fā)新的物理學(xué)革命；對量子調(diào)控的研究和突破，可能引發(fā)信息、能源、材料等技術(shù)的革命性變革�！笆�二五”規(guī)劃中也明確提出：把握科技發(fā)展趨勢，超前部署基礎(chǔ)研究和前沿技術(shù)研究，推動重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新學(xué)科產(chǎn)生，在物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、空間科學(xué)、地球科學(xué)、納米科技等領(lǐng)域搶占未來科技競爭制高點(diǎn)。
　　我引用這兩段話的意思就是說，中央領(lǐng)導(dǎo)對物質(zhì)科學(xué)研究高度重視，這也是今天我選這個作為報(bào)告題目的原因之一。
　　二、物質(zhì)科學(xué)
　　物質(zhì)科學(xué)可以定義為研究物質(zhì)基本組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能和變化規(guī)律的科學(xué)。它不僅是一切科學(xué)的基礎(chǔ)，而且可以衍生出一系列新的技術(shù)原理，為材料與器件的研發(fā)提供新的知識基礎(chǔ)。研究物質(zhì)的組成，涉及化學(xué)、物理、天文和材料等；研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，涉及物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)等；研究物質(zhì)的性質(zhì)，涉及物理、化學(xué)、生物和數(shù)學(xué)等；研究物質(zhì)的變化規(guī)律，也涉及物理、化學(xué)、生物、數(shù)學(xué)，等等。這些都是基礎(chǔ)科學(xué)涵蓋的范疇。同時，研究物質(zhì)還需要一些新方法，需要一些新技術(shù)，這些新方法、新技術(shù)、新手段往往也是多學(xué)科交叉的成果，這些新工具的出現(xiàn)為研究物質(zhì)的基本組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能和變化規(guī)律提供了非常重要的條件基礎(chǔ)。所以物質(zhì)科學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，也是多學(xué)科交叉的領(lǐng)域。
　　我們可以看一下物質(zhì)世界的層次與基礎(chǔ)學(xué)科之間的關(guān)系。其實(shí)我們?nèi)祟惪梢园盐覀兊难芯繉ο笥瞄L度單位串起來，如“米”這樣，銀河系是1021米，地球是107米，人類是101米，細(xì)胞是10-4米，分子是10—9米（納米），原子是10—^米（埃），原子核是10—14米。所以長度單位可以把最宏觀的體系——宇宙至原子以下的層次用長度單位串起來。我們知道，研究銀河系和地球，涉及天文學(xué)、地球科學(xué)和空間科學(xué)；研究人體細(xì)胞，屬于生命科學(xué)研究范疇；研究分子、原子層次，涉及納米科技、化學(xué)、物理、材料科學(xué)；研究原子核以下的層次，就屬于粒子物理、高能物理的范疇。這些都是基礎(chǔ)學(xué)科。那么基礎(chǔ)科學(xué)前沿是什么？這主要涉及三個方面：一是宇宙的起源與演化——宇宙到底是怎么來的，大爆炸學(xué)說目前被大家所接受，但關(guān)于宇宙的起源和演化還有很多未知的問題需要探索。二是生命的本質(zhì)是什么，這方面也有很多未知的問題。三是物質(zhì)的本質(zhì)與基本結(jié)構(gòu)，它仍然是基礎(chǔ)科學(xué)的前沿，而數(shù)學(xué)是物質(zhì)科學(xué)研究最重要的工具。物質(zhì)世界的層次與基礎(chǔ)學(xué)科之間的關(guān)系可用圖1來說明。
　　物質(zhì)科學(xué)研究也是辯證唯物主義世界觀在科學(xué)研究領(lǐng)域的實(shí)踐。為什么這么說呢？我們知道，物質(zhì)世界是分層次的，從宏觀、中觀、微觀到介觀，每個層次均有各自的特征和發(fā)展規(guī)律。一旦認(rèn)識了這個層次的特征和規(guī)律，科學(xué)與技術(shù)都將發(fā)生革命性的變化。人類認(rèn)識自然、適應(yīng)自然的社會活動，也必須從物質(zhì)世界及其運(yùn)動規(guī)律出發(fā)，按照其本來面貌去認(rèn)識世界，尊重客觀規(guī)律。這也是科學(xué)發(fā)展觀在自然科學(xué)領(lǐng)域的一個內(nèi)容、一個實(shí)踐，我們一定要尊重客觀規(guī)律，認(rèn)識客觀規(guī)律。我們在大學(xué)里學(xué)習(xí)了辯證唯物主義，有一句話是：“世界是物質(zhì)的，物質(zhì)是運(yùn)動的，運(yùn)動是有規(guī)律的，規(guī)律是可以認(rèn)識的。這句話實(shí)際上和我們的物質(zhì)科學(xué)研究是一脈相承的。所以，物質(zhì)科學(xué)研究也是辯證唯物主義世界觀在科學(xué)研究領(lǐng)域的一個實(shí)踐。
　　圖1物質(zhì)世界的層次與基礎(chǔ)學(xué)科之間的關(guān)系
　　下面舉幾個例子來講物質(zhì)論據(jù)的一個觀點(diǎn)。第一個例子是對自然現(xiàn)象的探索催生了新的理論，奠定了眾多發(fā)明和應(yīng)用的基礎(chǔ)。20世紀(jì)初，科學(xué)界最大的謎是太陽。20世紀(jì)中葉前，人類所需的所有能源都來自太陽。太陽的能量經(jīng)光傳播到地球，因此當(dāng)時的物理界研究的是光是怎么傳播到地球的。地球在自轉(zhuǎn)，順著地球自轉(zhuǎn)的方向測得的光和逆著地球自轉(zhuǎn)的方向測得的光的光速是一樣的——光速不變定理。光從太陽傳播到地球，照到人身上人會覺得熱，是因?yàn)楣鈺�產(chǎn)生熱，那么光是怎么產(chǎn)生熱的呢？光和熱的研究是20世紀(jì)初物理界的兩大研究重點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。愛因斯坦憑此發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎。光電效應(yīng)催生了相對論和量子論，因?yàn)橄鄬φ摵土孔诱摰幕�本原理都和光電效�?yīng)的發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)。相對論和量子論的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一個世紀(jì)的創(chuàng)新革命，產(chǎn)生了原子結(jié)構(gòu)、分子物理、核能、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、超級計(jì)算機(jī)……幾乎20世紀(jì)絕大部分的科技文明均源于此。2009年，諾貝爾基金會評出了100多年來諾貝爾獎史上“最受尊崇的”三位獲獎?wù)�，其中之一就是愛因斯坦�?921年因發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)獲諾貝爾物理學(xué)獎）。
　　第二個例子是對物質(zhì)科學(xué)的探索催生了新的檢測工具和新的領(lǐng)域。1981年，賓寧（Binnig)和羅雷爾（Rohrer)教授發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM)，并于1986年獲諾貝爾獎。賓寧是一個德國人，他到瑞士IBM實(shí)驗(yàn)室做博士后，有一個德國人是他所在的科學(xué)組組長，他們當(dāng)時做超導(dǎo)研究，賓寧想做局域的超導(dǎo)隧道效應(yīng)。以前做超導(dǎo)效應(yīng)是在兩塊金屬中間搭一塊絕緣體，然后測它的隧道效應(yīng)，當(dāng)關(guān)上磁場后，電子會穿過絕緣層，叫做隧道效應(yīng)。而局域性的隧道效應(yīng)就是把絕緣體兩側(cè)的一個金屬做成針尖狀，由于其非常尖，這種隧道效應(yīng)就是局域的。中間的絕緣層是真空絕緣層，那么針尖測量下面的超導(dǎo)材料就是局域的電荷密度波。在這個過程中他發(fā)現(xiàn)，如果針尖在磁場表面掃描的話，可以通過這樣一個掃描的方式來表征表面的形貌，這樣他就發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。當(dāng)然還有很多技術(shù)問題、技術(shù)難關(guān)需要克服。掃描隧道顯微鏡的發(fā)現(xiàn)被科學(xué)界認(rèn)為是納米科技的“眼睛”和“手”。所謂“眼睛”，是指利用掃描隧道顯微鏡可以直接觀察單個的原子和分子，這是科學(xué)家夢寐以求的。所謂“手”，就是利用它來操縱單個的原子和分子。圖2顯示了掃描隧道顯微鏡的原理——對物質(zhì)表面進(jìn)行掃描，通過隧道效應(yīng)變化來對形貌進(jìn)行觀測。其中一張圖是通過掃描隧道顯微鏡的針尖把一個一個原子排列成一個形狀，其中一個鼓包就是一個原子，從中間可以看到電子密度波，這實(shí)際上是量子效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡的出現(xiàn)為科學(xué)家在納米尺度上研究新現(xiàn)象、提出新理論，提供了一個非常微小的實(shí)驗(yàn)室，所以掃描隧道顯微鏡的發(fā)明促使納米科技走向成熟。
　　圖2掃描隧道顯微鏡的發(fā)明及納米科技的突破