10月28日上午，2017未来科学颁奖典礼暨未来论坛年会在北京举行。在第一场研讨会的对话环节，主持人杨培东与嘉宾崔屹、姜磊、周瑜进行了精彩的对话。
以下为对话实录:
杨培东:今天，我们在这里谈论纳米材料。刚才，我们听到了两个关于纳米材料在能源中的应用的演讲。简单回顾一下过去几十年纳米技术的发展，应该说纳米技术是在上世纪80年代初开始成长的。在这个过程中，最早发明了量子点，然后量子点变成了一个学科，一个领域，一个非常大的领域。量子点之后，后面还有一系列非常有用的纳米材料，然后产生一系列具有一些非常新颖的化学或物理性质的纳米材料，比如碳60。发现之后，它获得了诺贝尔化学奖。碳60之后，90年代初，又出现了另一种纳米材料，比如碳纳米管，然后90年代初，又出现了另一种非常有用的纳米材料，即半导体纳米线。2000年左右，又有一种有趣的纳米材料问世，那就是几年前获得诺贝尔物理学奖的石墨硒。现在当然有各种非常好的材料，比如二维材料，这是一个热门的研究领域。在过去的二三十年里，新的纳米材料层出不穷，产生了非常好的化学和物理性质，并衍生出有用的技术。
纳米材料研究有哪些节点和发展方向？在我们开始之前，我们想介绍两位客人，姜磊教授和周瑜教授。首先，让他们用两三分钟的时间谈谈他们对纳米材料的研究。
姜磊:我是中国科学院理化研究所的姜磊。我的研究方向主要是研究仿生智能和精密材料。这个领域很广，从能源、资源、环境到新材料。明天我做个报告，会详细描述这方面的内容。今天就不详细讨论了。
周瑜:大家好。我是周瑜，普林斯顿理工学院的教授。我的主要领域是纳米制造，纳米材料和纳米器件，以及其他各个领域的应用。明天我要做一个关于纳米制造和纳米材料关系的报告。
杨培东:让我们来来回回地讨论一下。接下来，在未来，这也是未来奖。纳米技术在未来几十年应该有什么样的机遇和挑战？
崔屹:刚才杨培东回顾了过去二三十年纳米材料和纳米科学中的一些重要材料体系。我觉得接下来两个方向可能会继续往前走。基本上20年来，每隔5年左右，就会有新材料跳出来。想都不敢想。突然之间，新的系列资料出现，大家疯狂学习。再往下，可能还有其他新的体系材料，如量子点、石墨硒、碳纳米管、半导体纳米线、纳米多孔材料等。就像过去20年一样。在过去的20年中，新的纳米体系材料将与最终的问题解决，科学问题，性能，以及对纳米材料的反馈联系在一起，机会可能特别大，因为在过去的20年中积累了大量的技能。如何合成我想要的材料，不同的形状，不同的孔隙率等等，一系列的技巧，结合最终的问题和技术，会通向科学。
姜:我认为纳米技术在未来的能源、环境、健康、信息等领域会有非常重要的应用。所以这里有一些例子，比如淡水的收集。一个国家最终的国民生产能力就是淡水量。看一看世界地图。如何在中国中西部包括非洲其他地区采集淡水？从环境的角度来说，有两个简单的东西，一个是雾霾，比雾霾更重要的是环境激素。洗衣服、洗衣机和化学药品污染环境。50-100年内，人类能不能生存，能不能生孩子，环境激素问题怎么解决，大量农药怎么用，都会影响健康。这些都是化学污染，雾霾多在物理污染。这两个看得见摸不着。
纳米技术在信息领域的方向是什么？柔性问题，如何利用加工后的有机光材料进行微纳加工，有机光电子学、微电子学和传统硅基电子学的结合，是信息领域的一个突破。继能源锂电池包括水力发电和风力发电之后，另一个异军突起的是能源差的发电。其目的是仿生和电鳗，即一毫秒释放600伏电压。由于离子的能量很差，海水淡化过程产生巨大的能量，全世界海水发电20TW，人类差不多10TW。这是一个巨大的挑战。
做器件的周瑜老师在信息领域的见解更高，就不多说了。
周瑜:未来很美好。预测未来是非常困难的。有三个重要方面肯定会在未来的能源等领域发挥非常重要的作用。创新观念，打破传统观念，一定要能有革命性的想法，这在未来会是很大的推动力。另一个重要的推动力是，小创意在实验室里做出来，却没有能力产品化、量产。这个概念再好，我们也不会慢慢研究。今天的许多概念是许多年前在实验室里发现的。为什么直到今天人们还关注他们？原因是现在的制造技术可以把这种新技术应用到我们身上。
崔屹博士说，你应该认为不是每一项技术都是新的应用目标。利用各种技术实现你的应用是一个很重要的方向，什么都可以用。所以我觉得创新，制造，然后应用是三个非常重要的驱动力，对于未来的能源等领域非常重要。
杨培东:然后周瑜说，从纳米技术作为未来创新科技的角度来看，现在大部分在应用上是被替代的。现在有化学工业和半导体工业，现在很多纳米材料正在取代一些系统中的一些东西。从创新的角度来看，纳米技术能想到未来吗？有没有可能创造出未来还没有的东西？纳米技术有没有可能真的因为纳米技术而形成未来的技术？未来有可能吗？
蒋:这是未来组织工程的问题。纳米技术如何与基因工程结合，进而产生组织工程？每个项目都获得了诺贝尔奖。最简单的就是纳米技术和基因工程的结合，比如种牙，拔了牙就完事了。还需要有假牙或托牙。纳米技术和基因工程相结合，把牙齿的干细胞取出来，放到牙齿的位置上。就像你三岁换乳牙的时候，长了一颗牙。这个东西肯定行，因为上帝早就安排好了这个东西，但是当我们找到这个启动牙齿再生的基因，牙齿就会长出来，这是干细胞可以达到的。如果这个做到了，那就是诺贝尔奖了。
牙齿为什么是纳米材料？牙齿的基本材料是由碳酸钙组成的纳米棒。根据基因编程组装的牙齿的整体控制依赖于基因控制。所以纳米技术和基因技术的结合，不仅仅是牙齿，还有很多其他的，比如骨骼。如果一根骨头断了或者断了，会再装一根。这是未来的健康产业，这是巨大的。
杨培东:纠正我。你以后应该会中大奖的。
周瑜:很多技术对未来材料意义重大。像这些量子点，还有另外一种纳米制作方法。纳米结构非常有序。光子晶体，或者说很多人造纳米材料，实际上需要用非常纳米的结构来精确控制，不仅是尺寸，还有位置。现在的传统是把它们当做集成电路，只能做在很小的表面上。怎么才能做出这么大的墙？这是一个非常重要的问题。
因为我在这方面做了很多工作，纳米压印是我20年前发明的一项技术，现在已经被业界广泛应用于制作各种产品，包括基因检测，包括材料，包括谷歌眼镜。很多手机都是纳米压印的，很多人说为什么没在报纸上看到？一个很重要的原因，业内很少向外界讲述他们的成功方法。如果他做得好，他不会告诉你，所以不成功的事情你从来没有听说过，所以你要公布出来。因为我在学术界做，在工业界也做。我开了四家公司，做的好事从来不说。现在很多新闻，不应该太在意，什么有用什么没用，不应该基于新闻，应该基于真正应用到产品上的东西。
还有很重要的一点，成本是最重要的。如果发明一种制造方法，使成本降低十倍，过去英特尔CEO有句名言，如果制造价格能降低十倍，就会有新的革命。要看什么时候会有革命，这个技术能不能把过去的成本降低十倍。如果可以，那一定是革命性的技术。
崔屹:纳米技术能创造什么新的完整产业？不是替代，是创造。有两个相关的补充，可能是开创性的，不能完全脱离现有的应用。比如你现在穿的衣服，有基本的保暖和美观的功能，那你能穿吗？现在有一些标志，但是还没有完全开发出来，就是在你穿的衣服上，我有diseplay的功能，可以在上面播放电影。你也可以仔细地穿上它们，测量你身体的皮肤和每块肌肉的状况。现在，如果坐姿不太好，请提醒我，它上面有许多传感器来测量身体健康，许多功能可以添加到佩戴中，这是Nano将创建的一个全新的应用。现在是所谓的IOT，也就是物联网，需要大量的场所，包括环境监测，各种监测等等，还有食品。IOT的发射可以创造一个大领域，这两个都是可能的。
周瑜:至于穿衣服，衣服可以和(英语)结合。穿上它们后，虽然你是一个人，但你可以拥抱一个孩子。当技术接触到另一个人时，产生这种感觉全靠衣服。
杨培东:在过去的几十年里，各种纳米技术的新材料。如果纳米技术真的在未来形成一个新的产业，那一定和未来的制造业有关，一定会非常大规模，可能会产生挑战。我们如何做到这一点？纳米材料在加工过程中会造成什么样的新的环境问题？
周瑜:很多制造技术确实需要减少对环境的影响。我个人认为纳米压印就是改变物质的形状，所以污染小。当然还有很多化学物质。如果能减少制造中的污染，也是很重要的。
崔屹:纳米制造非常重要，现在的主要挑战是制造中的许多问题。比如硅阳极用了十年，科学问题解决了。应用后发现制造成本会下降。对于目前工艺制作的材料，发现使用的溶剂不好，不环保，而且太贵。整个过程必须改变，而且必须改变到那个程度，简化到那个程度。最后算下来，成本足够低，产生的污染懂得回收，气体或液体污染。如果没有，就必须更换。和原来实验室做的工艺流程完全不一样。在这种程度上，考虑到这一点，特别是对于中国这个制造业大国来说，过去的环境成本太高，而过去却被忽视了。现在环境成本已经全部加了回来，所以整个制造业，不仅仅是纳米制造业，所有制造业都要重新考虑工艺设计。纳米制造也不例外。
姜:其实纳米制造对环境的压力并不大，因为大多数情况下，纳米材料并不是在单一的情况下使用，只是在少数情况下，有人体成像的药物载体，很少在单一的情况下使用，往往是复合体系，多尺度体系。在这种情况下，几乎不存在环境问题，就像用混凝土建造的建筑一样。你能感觉到沙子的存在吗？大多数案件都很复杂。纳米本身作为一个产业已经存在了，就是催化剂产业。事实上，这是一个重要的行业，其中纳米颗粒被装载在微米或更高的尺度上。它是巨大的，没有造成任何环境污染。这种担心并不是完全没有必要，而是不需要特别注意。但是要保持一定的警惕性，做这样的安全性研究。
杨培东:接下来，我们来谈谈一个相对不同的讨论。现在人工智能很火。能不能讨论一下人工智能在材料行业会起到什么作用？
姜:人工智能未来的表现形式是毫无疑问的。归根结底，离不开材料和智能器件。可穿戴电子技术是必须的。有机光电合成材料架构器件的大规模技术是未来人工智能能否走进千家万户的一个非常重要的关键问题。软件识别、图像识别等。其他人当然也是。这是很重要的事情，而且和纳米技术有关。
崔屹:人工智能现在发展了很多方法，数据的分析现在有一个开始的方向，就是人工智能的方法和新材料的发现。我们实验室和另一个斯坦福的教授有合作，有一个研究方向是关于锂电池的，固体电解质。需要找到锂离子的导体，导电快。如何找到这个素材？半个世纪以来大家都是凭经验找，现在要分析已知的数据库。可以用人工智能来预测有哪些材料和性能可用吗？离子传导非常快。离子超导体和电子超导体是两个概念。人工智能很可能将有助于新材料的快速发现和设计。当然，现在还早。看不出效果。我能看到一些迹象。可能对它有一些影响。
周瑜:人工智能其实优化了很久。为什么它突然变得如此重要？其实有两件事发生了实质性的变化。一个是大数据，可以集中很多数据。过去很难得到数据，然后就是计算机能力。手机的电脑能力比十年前的大电脑还要强。在这种情况下，有很多优化方法。过去优化不了的东西，有了计算机和大数据也是可能的，而且优化了。
杨培东:人工智能和材料相辅相成。现在之所以有人工智能，真的取决于过去几十年材料的发展，计算速度取决于过去几十年半导体产业的发展。人工智能反哺材料领域，这将是一个未来机会很多的新领域。
下次，你在现场还有什么问题吗？
问:我自己做纳米器件加工，研究纳米工业器件。请教周教授，他发起并发明了纳米压印技术，并为其在业界的推广做出了诸多贡献。纳米压印技术可能会遇到哪些技术瓶颈，以及相应的对策？
周瑜:我明天要做一个讲座。首先，我给大家简单介绍一下。现在纳米压印被用于各个领域，从制造半导体器件、显示器、生物学等等。每个领域都有不同的要求。你得根据你的应用需求来调整技术，所以这是一个多方面的事情。好的是大家都在用，而且已经用在产品上了。凡是显示很多技术的都解决了。
问:制作纳米工业器件对纳米尺度均匀性的要求比较高。纳米压印技术对微尺度器件影响不大。纳米级如何更好的保证均匀性？
周瑜:这个我们明天再说。纳米压印的关键是制作模具，如何使其均匀，如何修复缺陷。这个问题我明天再说，有个办法，叫自修复。一开始并不好，但可以变得完美。大自然的原理有很多，如果运用得当，它可以做出如此惊人的事情。这个我明天再说。
杨培东:顺便问一下，现在非常流行的纳米打印和3D打印在未来会互补吗？
周瑜:因为我也很熟悉很多做3D打印的人，它的目的完全不一样，原理也不一样。现在所有的3D打印都是利用上行光，然后发生化学变化，形成三维形状。一旦用完，它的最小尺寸已经被限制了，大概是一微米。我再也笑不出来了。如果我想明天再说，纳米压印可以实现0.1的结构，几个原子。它们都可以通过纳米压印来制造，但应用是不同的。比如很多3D打印的应用，做运动鞋，要有特殊的材料，要透气，要轻，要适合你的脚型。你不能俯身用两个平面剪一块布。你怎么能折叠它？一旦你做到了，你就可以让它变得立体。好好干。根据你的脚型，穿在脚上正合适。这些周期是3D打印出来的，还有像车壳那么大的东西。目的不同，但各有各的应用。
杨培东:3D打印能在纳米制造领域取得突破吗？
周瑜:未来应该是把几种非常不同的技术结合在一起。你可以用3D打印做一个架子，也就是微米级的架子，然后用自组装或者其他技术方法，把一个微米级的三维的东西变成纳米级的三维的东西。就是这么做的。
问题:冷冻电镜在未来材料研究中的应用前景如何？
崔屹:昨天，我们在科学杂志上发表了一篇论文。我们用冷冻显微镜技术研究了锂电池的材料，获得了诺贝尔化学奖，研究了蛋白质中生物体的结构。去年，我们利用低温显微镜技术研究材料科学。液氮的温度很低，中间钛可以冷冻，我们也用冷冻显微镜技术研究结构生物学。现在我们在研究材料，上面有很多重要的材料。锂电池的金属锂不稳定，熔点比较低，电子束打在上面不稳定。通过冷冻电子显微镜技术，各种催化材料被认为是稳定的。有了电子显微镜，可以看到原子结构排列，从而给出技术应用问题是什么，或者如何做好的重要信息。只有知道了结构，才能知道性质。昨天发表这篇文章可能是开创性的。我们向生物学家学习，采用他们开发的技术，研究材料科学。在未来，将会为冷冻电镜和材料科学做大量的工作。
问:太阳能现在用在一系列领域，很多领域。从物理学的角度来看，太阳能原本是注入地球的一个主要伤害源。如果阳光落在地上变成热量，直接转化成伤害，浪费掉。如果我们对太阳能进行各种利用，是否可以说我们延缓了伤害的转化或伤害的增加？不管怎样，还是改变不了伤病的增加。其实最后达到的还是阳光变成了伤害。有这样的角色吗？能量是通过一种化学反应储存起来的，这种化学反应使阳光落到地面上，转化为伤害的递增过程被减缓。我们这样的使用是不可能影响到地面的生物光合作用的。如果没有起到好的作用，还有一个负面。
关于生物，我们现在被杀虫剂和一些病虫害污染了。从基因工程的角度来说，是不是可以直接把病毒或者有害的变成有用的细胞，让所有这些有害的细菌，或者病毒都产生不出来，比如癌细胞。从基因工程的角度来说，它们不能生长，逆向生长，生长出对人类有用的细胞。可能吗？通过纳米结合基因工程有可能长出一颗新牙。按照这个思路，人类有没有可能在所有器官都重新长出来的情况下，最终发育成一个新人？有没有可能以后我所有的器官都要创新？
杨培东:关于受伤人数的增加，这肯定会发生。在化学反应过程中，肯定会发生。但是我们可以将太阳能转化为化学能或电能。其实你可以从过去看，从地球的形成过程看，我们现在拥有的原油也是太阳能，但是在过去的几百万年里，太阳能转化为化学能，这是一个缓慢的过程，最后储存在地下。所以我们现在用的原油其实是几百万年前的太阳能。我们现在要做的是加快整个进程，因为从整个地球系统来说，我们需要减缓二氧化碳的排放。从化学的角度看这件事，尤其是伤害，加快光合作用，才能减缓伤害。
姜:第一个问题，你的想法是不自然的。对于人类来说，你称之为害虫，但它的存在是合理的。它吃你的食物是理所当然的。上帝创造它是为了吃，所以毁灭它是法西斯主义，所以我们不能毁灭它。
第二个问题，也就是我的问题，顺应自然。牙齿可以再生。人只能再生一次。有些变色龙可以再生很多次。它们抓住自己的尾巴，脱落又长回来。再生基因生长，这个问题是存在的，完全有可能顺应自然。随心所欲改变的时代一定会到来。
