物質科學研究的新突破
　　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)于北京大學化學系，1981年、1985年先后獲中國科學院研究生院碩士學位、博士學位。中國科學院化學研究所研究員，中國科學院院長，國家納米科技指導協(xié)調委員會首席科學家和國家納米中心主任。兼任中國科學院化學部主任，中國化學會理事長。1997年當選為中國科學院院士，同年當選為第三世界科學院院士。
　　先后從事高分子催化劑的結構與物性、有機化合物晶體結構的X射線衍射、分子力學和導電高聚物的EXAFS等研究。從20世紀80年代中期開始從事納米科技的重要領域——掃描隧道顯微學的研究，研制成功掃描探針顯微鏡（SPM)系列。在納米結構、分子納米技術方面進行了較系統(tǒng)的工作。
　　BaiChunli
　　白春禮
　　—、引言
　　中央領導一直對物質科學研究高度重視。在2011年12月16日慶�！疤鞂m一號”與“神舟八號”交會對接任務圓滿成功大會上，胡錦濤總書記說：“要超前部署一批對國家長遠發(fā)展具有帶動作用的重大項目，有效組織力量開展科技攻關，力爭在基礎研究上取得原創(chuàng)性突破、在高技術領域實現(xiàn)跨越式突破。要加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)，努力在新一輪科技革命和產業(yè)革命中走在世界前列。物質科學屬于基礎研究的范疇，所以總書記要求在基礎研究上取得原創(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“關于科技工作的幾個問題”。他在這篇文章中指出：“當今世界正處于新科技革命的前夜，新技術革命和產業(yè)革命初現(xiàn)端倪。一些重要科技領域顯現(xiàn)發(fā)生革命性突破的先兆。物質科學、能源資源科技、信息科技、材料科技、生命科學與生物科技、生態(tài)環(huán)保科技、海洋與空天科技等領域，都醞釀著激動人心的重大突破。”溫家寶總理的這篇文章中還專門提到：“在物質科學領域，宇宙暗物質和暗能量研究探索，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)新的物理學革命；對量子調控的研究和突破，可能引發(fā)信息、能源、材料等技術的革命性變革。“十二五”規(guī)劃中也明確提出：把握科技發(fā)展趨勢，超前部署基礎研究和前沿技術研究，推動重大科學發(fā)現(xiàn)和新學科產生，在物質科學、生命科學、空間科學、地球科學、納米科技等領域搶占未來科技競爭制高點。
　　我引用這兩段話的意思就是說，中央領導對物質科學研究高度重視，這也是今天我選這個作為報告題目的原因之一。
　　二、物質科學
　　物質科學可以定義為研究物質基本組成、結構、性質、功能和變化規(guī)律的科學。它不僅是一切科學的基礎，而且可以衍生出一系列新的技術原理，為材料與器件的研發(fā)提供新的知識基礎。研究物質的組成，涉及化學、物理、天文和材料等；研究物質的結構，涉及物理、化學和數(shù)學等；研究物質的性質，涉及物理、化學、生物和數(shù)學等；研究物質的變化規(guī)律，也涉及物理、化學、生物、數(shù)學，等等。這些都是基礎科學涵蓋的范疇。同時，研究物質還需要一些新方法，需要一些新技術，這些新方法、新技術、新手段往往也是多學科交叉的成果，這些新工具的出現(xiàn)為研究物質的基本組成、結構、性質、功能和變化規(guī)律提供了非常重要的條件基礎。所以物質科學是一門基礎學科，也是多學科交叉的領域。
　　我們可以看一下物質世界的層次與基礎學科之間的關系。其實我們人類可以把我們的研究對象用長度單位串起來，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、地球科學和空間科學；研究人體細胞，屬于生命科學研究范疇；研究分子、原子層次，涉及納米科技、化學、物理、材料科學；研究原子核以下的層次，就屬于粒子物理、高能物理的范疇。這些都是基礎學科。那么基礎科學前沿是什么？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，大爆炸學說目前被大家所接受，但關于宇宙的起源和演化還有很多未知的問題需要探索。二是生命的本質是什么，這方面也有很多未知的問題。三是物質的本質與基本結構，它仍然是基礎科學的前沿，而數(shù)學是物質科學研究最重要的工具。物質世界的層次與基礎學科之間的關系可用圖1來說明。
　　物質科學研究也是辯證唯物主義世界觀在科學研究領域的實踐。為什么這么說呢？我們知道，物質世界是分層次的，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。一旦認識了這個層次的特征和規(guī)律，科學與技術都將發(fā)生革命性的變化。人類認識自然、適應自然的社會活動，也必須從物質世界及其運動規(guī)律出發(fā)，按照其本來面貌去認識世界，尊重客觀規(guī)律。這也是科學發(fā)展觀在自然科學領域的一個內容、一個實踐，我們一定要尊重客觀規(guī)律，認識客觀規(guī)律。我們在大學里學習了辯證唯物主義，有一句話是：“世界是物質的，物質是運動的，運動是有規(guī)律的，規(guī)律是可以認識的。這句話實際上和我們的物質科學研究是一脈相承的。所以，物質科學研究也是辯證唯物主義世界觀在科學研究領域的一個實踐。
　　圖1物質世界的層次與基礎學科之間的關系
　　下面舉幾個例子來講物質論據(jù)的一個觀點。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)明和應用的基礎。20世紀初，科學界最大的謎是太陽。20世紀中葉前，人類所需的所有能源都來自太陽。太陽的能量經光傳播到地球，因此當時的物理界研究的是光是怎么傳播到地球的。地球在自轉，順著地球自轉的方向測得的光和逆著地球自轉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，是因為光會產生熱，那么光是怎么產生熱的呢？光和熱的研究是20世紀初物理界的兩大研究重點，進而發(fā)現(xiàn)了光電效應。愛因斯坦憑此發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎。光電效應催生了相對論和量子論，因為相對論和量子論的基本原理都和光電效應的發(fā)現(xiàn)密切相關。相對論和量子論的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一個世紀的創(chuàng)新革命，產生了原子結構、分子物理、核能、激光、半導體、超導體、超級計算機……幾乎20世紀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”三位獲獎者，其中之一就是愛因斯坦（1921年因發(fā)現(xiàn)光電效應獲諾貝爾物理學獎）。
　　第二個例子是對物質科學的探索催生了新的檢測工具和新的領域。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實驗室做博士后，有一個德國人是他所在的科學組組長，他們當時做超導研究，賓寧想做局域的超導隧道效應。以前做超導效應是在兩塊金屬中間搭一塊絕緣體，然后測它的隧道效應，當關上磁場后，電子會穿過絕緣層，叫做隧道效應。而局域性的隧道效應就是把絕緣體兩側的一個金屬做成針尖狀，由于其非常尖，這種隧道效應就是局域的。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。當然還有很多技術問題、技術難關需要克服。掃描隧道顯微鏡的發(fā)現(xiàn)被科學界認為是納米科技的“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——對物質表面進行掃描，通過隧道效應變化來對形貌進行觀測。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，這實際上是量子效應。掃描隧道顯微鏡的出現(xiàn)為科學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驗室，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