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在人工智能领域,早在20世纪50年代初期就有几部关于机器人的好莱坞大片了,而人工智能这个概念是在1956年诞生的。人工智能的第二次热潮发生在80年代,紧随电影《星球大战》 《银翼杀手》和《终结者》之后……所以,因为至今还没有关于纳米技术的好莱坞大片,纳米技术就很难像二者那么流行。
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“纳米泡沫”始末
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纳米技术曾经在硅谷很热。十年前,硅谷的风投们竞相追逐纳米技术的创业者,那个时候,似乎只要创业公司的名字上有“纳米”两个字就会迅速走红。后来证实,十年前这股纳米热潮其实是一个“纳米泡沫”。但那个时候,世界范围内都有不同程度的“纳米热”,我们也不能责备硅谷的“掘金”心态。2006年,有研究者估计全世界大概有1 200个纳米创业者,而一半都集中在美国。
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2000~2005年,风投们在纳米技术上的投资超过十亿美元。事后看来,这确实很不可思议,2000年时发生了“网络泡沫”,2002年时又有了一场生物技术的泡沫,短短三年内,我们竟然又造出了一个泡沫。风险资本投资公司Harris & Harris当时只投纳米技术的创业者,美国中央情报局(CIA)控制的投资公司In-Q-Tel当时也认为纳米技术是美国的一个关键战略技术。2000年,时任美国总统比尔·克林顿将美国政府对纳米技术的投资加倍。2003年,时任总统乔治·沃克·布什进一步加大了对纳米技术的投资金额。
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除大量资金外,鲍·瓦尔加(Bo Varga)2001年在硅谷创建的nanoSIG公司专注于组织纳米产业内的专题研讨会和论坛,可见当时关于纳米的讨论非常火热。由于“纳米技术股”在股市上的亮眼表现,2006年,Invesco公司创建了专门的交易所交易基金ETF(Exchange-Traded Fund),被称为纳米技术投资基金(Lux Nanotech ETF),帮助投资者对30个不同的纳米公司进行投资。2005年2月《商业周刊》更是用大篇幅报道纳米技术。
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勒克斯研究(Lux Research)是专注于包括纳米技术在内的新兴科技的投研一体组织,2004年其关于纳米技术的年度报告称:“纳米技术今年会有1 580亿美元的产品收入,接下来10年,营收数字会增长18倍,也就是说,2014年,纳米技术的产品将有2.9万亿美元的营收,其中,89%会来自新兴的纳米技术。”国际知名的威利(Wiley)出版社在2006年出版了史蒂芬·爱德华兹(Steven Edwords)的新书《纳米技术的先驱——他们会将美国带往何处》(英文书名为The Nanotech Pioneers:Where Are They Taking us,中文版暂无)。
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雷·库兹韦尔也在《奇点临近》(The Singularity is Near:When Human Transc-end Biology,机械工业出版社,2012年12月出版)的畅销书中预测,“纳米技术会在2020年全面到来”,并在书中有类似“用纳米计算机和纳米机器人升级细胞核”这样的描述。
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纳米泡沫首个不好的预兆应该是NanoSys公司的上市失败,他们于2004年取消了上市计划。此时,一些业内专家才开始注意到纳米技术的大部分投资其实并不是来自风投资本,资金要么来自政府(尤其是美国和中国),要么来自像IBM这样的大公司。
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业内对于纳米技术的心态开始悄然转变,尤其当诸多纳米技术股的表现开始走下坡路之后。Lux Research于2007年取消了对纳米技术的年度报告。2009年1月,麻省理工学院的年度科技评论取消了“年度纳米技术”。不过,至少雷·库兹韦尔的态度还是始终如一的,在《计算机世界》2009年发布的一篇《未来学家声称,纳米技术能让人类在2040年获得永生》的文章里,库兹韦尔坚称纳米机器人很快就能“清除癌细胞,备份记忆并延缓衰老”。
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纳米缓慢“撬动世界”
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纳米技术到底有何应用潜力
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总的来说,目前大家对纳米技术的普遍狂热已经退去。这个领域的主要问题是,纳米技术不是一个单独的产业,它是一种可以让诸多产业受益的技术。纳米技术领域本身没有诸如苹果或谷歌这样的巨头,但纳米技术能给电池、半导体等关键产业带来重大影响。以半导体产业来说,2007年其进入到了65纳米级的生产制造工艺,这就是纳米技术,但很少人会称其为“纳米技术”。再比如,大部分生物科技也是“纳米技术”,因为它们在分子水平操作,但大家也只称其为生物技术。
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对投资者来说,最根本的问题是,纳米技术的应用需要很长时间才能产生收入,其投入市场的时间比很多其他产品诸如软件要长得多。多数风险资金喜欢五年的投资期,这在2000年是不现实的。然而,十多年后的现在,新的纳米制造技术可能会让它变成现实。
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现在,硅谷的纳米技术创业者确实很少,相比虚拟现实和机器人等“遍地开花”的创业者,它们显得略为寂寞。但是,全世界的大学和相关研究机构都在继续加大对纳米技术的投资和研发,硅谷的几所大学同样如此,IBM等不少大公司也在投资,尽管很多不那么直接和明显。中国政府对纳米技术的投资也名列世界前茅。原因很简单,纳米技术的潜力实在太大了,对世界可能带来的影响和变革是颠覆性的,是绝对不能忽视的技术。
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纳米技术的应用非常广泛。目前研究非常活跃且已取得重大进展的领域是:它能带来更坚固和更轻的材料;能带来更清洁的能源和可持续的(能自我降解)的物品;能带来新的电池,能让我们几秒钟就充好电,并且可以持续使用很长时间;能带来更有效治疗疾病和损伤的生物医药;能重塑计算机科学,带来更快、更强大的计算能力……当我谈论技术的未来时,我不会谈论那些“充满想象力”的未来,而是根据实实在在的已有研究成果,告诉大家一个“真实的”,一定会到来的未来。因此,对于提及的纳米技术应用和研究进展,我都可以告诉你相关的研究论文题目,以及何时、发表在哪里。
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新材料改写电池历史
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迄今为止,纳米技术最成功的案例或故事是什么?很多人提到纳米技术都会首先提到新材料,这些新材料到底有什么神奇之处?
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目前我们能在实验室里不用花很多钱就能做出来的唯一新材料是激光材料,比如超市里条形码扫描器上使用的材料。除此之外,制作任何新材料是极为困难和昂贵的。
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目前为止,纳米技术最成功的故事发生在英国。2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)教授用一种很简单的方法从石墨薄片中剥离出了石墨烯,很快在科学界引起不小震动。石墨烯是只有一个碳原子厚度的单层,是目前已知的最轻、最硬的材料(比钢硬200倍),是已知的室温下热量和电最好的导体(能以每秒一百万米的速度传输电力)。同时,碳是这个星球上除了氢、氦和氧之外的第四大最常见和最丰富的元素,这意味着石墨烯应该是可持续的绿色材料。
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石墨烯很快影响到诸多领域,比如半导体、可弯曲电子产品以及太阳能电池等。以电池来说,2014年,姜教授(Kisuk Kang)的团队在韩国首尔国立大学设计了一个全石墨烯电池。埃琳娜·珀丽阿卡瓦(Elena Polyakova)2009年在纽约成立的石墨烯实验室(现为石墨烯3D实验室)正在制作石墨烯的3D打印电池。除此之外,中国合肥工业大学在基于石墨烯电极制作锂离子电池方面也有不少突破。
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在1996年库匝卡拉·亚伯拉罕(Kuzhikalail Abraham)在EIC实验室制造出锂空气电池之前,这种新一代大容量电池一直只存在理论上的可能性。锂空气电池能储存的电能是目前最好电池的十倍以上,几乎跟汽油不相上下。汽油的储能是每公斤13千瓦,而这种电池是每公斤12千瓦。近20多年来,锂空气电池仍然一直很难建造出来,直到2015年剑桥大学克莱尔·格雷(Clare Grey)的团队使用了石墨烯构造出高度多孔、海绵状的碳电极。这意味着什么呢?我们可能很快就能看到使用锂空气电池的新能源汽车,它的续航能力将跟使用汽油的汽车不相上下。
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也就是说,石墨烯可以被用来建造比目前的电池有更好表现的超级电容器。此外,充电的速度也会大大提高。所谓的“激光刻划石墨烯(LSG)超级电容器”是指轻便灵活又能快速充电的电池。到底多快呢?只需要几秒钟。
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2008年,诺基亚研究中心和剑桥大学合作推出了一款应用纳米技术的概念机“诺基亚Morph”,它可以自由转变成各种形状,表面还能自动清洁,不过,它是通过太阳能自充电的,商业应用上还不可行。如今,LSG超级电容器将有望改变这一情况。石墨烯可以用来制造卷起来放在口袋里的手机,或者薄如墙纸的电视机,诺基亚Morph已经展示了其可能性。总之,可折叠、可弯曲的电子装置都将成为可能,接下来也许我们会重新发明报纸,只不过未来的“报纸”会是可以随意折叠放在包里、门缝里的电子阅读器。
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石墨烯还可以用于制造更好的太阳能电池。2012年,斯坦福大学化学工程教授鲍哲南的团队用石墨烯和碳纳米管取代了传统电池电极的材料,研发出了第一个全碳太阳能电池,意味着可拉伸甚至更便宜的太阳能电池板成为可能。2015年,杰里米·芒迪(Jeremy Munday)带领的美国马里兰大学电气与计算机工程系的研究团队研发出了一种新型纳米级太阳能电池,其能源转换水平较当前的光伏太阳能电池技术提升了40%。
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目前,劳伦斯伯克利国家实验室的材料科学家迈克尔·克罗米(Michael Crommie)和加州大学伯克利分校的一位物理学教授正在单个分子尺度上研究太阳能电池(即单个石墨烯纳米带)。
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