人類與魔法世界的距離，只隔著一臺原子操縱機

材料千差萬別

2020 年 10 月 9 日，倫敦瑪麗女王大學、劍橋大學和特羅茨克高壓物理研究所在《科學》雜誌的子刊上發表了一項研究[1]。在這項研究裡，科學家們通過實驗數據和理論計算，證明了聲音的最快速度是一個常數。

大家應該都知道，聲音在不同的介質裡，傳播的速度是不一樣的。聲速在空氣中大約是 340 米/秒，在水中的傳播速度是 1450 米/秒。我們可以看出一個規律，那就是介質的密度越大，聲音傳播的速度就越快。

其實這個現象很好理解。聲音的傳播，本質上就是傳播介質裡原子振動動能的傳播。所以，物質越是緻密，聲音的傳播也就越快。但是，物質的疏密程度並不是影響聲音傳播速度的唯一變量。聲音在氧氣裡的傳播速度是 326 米/秒[2]，這跟聲音在空氣裡的傳播速度相差不多。但是你能猜出聲音在氫氣中的傳播速度嗎？如果你以前並不知道這個數值的話，我打賭你會猜不到。因為，聲音在氫氣裡的傳播速度是驚人的 1270 米/秒，與聲音在水裡的傳播速度差不多，是空氣中傳播速度的 4 倍。

原來，聲音的速度，還會與傳播介質的原子量成反比。也就是說，傳播介質的原子量越小，聲音的傳播速度也就越快。科學家們先是根據量子力學創建了數學模型，然後又在各種各樣的材料上驗證他們的理論預測。實驗證明，聲音在固體氫中傳播的速度，與聲音傳播的理論極限速度非常相似，達到了每秒 36 千米。

這個速度，比聲音在空氣裡傳播的速度，足足快了 100 多倍。造成這麼大的差異的原因，就是材料。

新材料是令人著迷的。比如說，石墨烯氣凝膠是堅韌的固體，但它的密度卻比氦氣還低，可以漂浮在空氣中。再比如說，有一種能夠把皮膚或肌肉組織粘合在一起的膠水，可以替代手術中的縫合線，粘合後的傷口最後會自然癒合，不易留下疤痕。還有人人都聽說過的網紅材料碳納米管，它的抗拉強度是同等體積鋼絲的100倍。

圖：碳納米管

材料即魔法

人類的文明發展史，差不多就是一個人類對新材料的利用史。

最開始，我們敲打石頭，做成石刀和石斧。再後來，我們還通過冶煉技術，進入了青銅時代和鐵器時代。每一種物質都有一些內稟的特性，這差不多就是我們普通人對於材料的理解。

圖：阿舍利手斧（人類舊石器時代早期的工具）

但是，鐵器的出現，顛覆了人類對材料的理解。早期人類的冶煉技術，並不足以把鐵礦石完全融化。熔爐裡的鐵，是一種粗糙多孔的黑灰色混合物。後來，人們意外地發現，捶打高溫的鐵塊，可以提高鐵的純度。再後來，工匠們逐漸掌握了鍛造、淬火，甚至在鐵中加入木炭來製造硬度更高的鋼的辦法。

鐵器之所以能比青銅更加深刻地影響人類的文明，正是因為它對人類來說，已經不僅僅是一種天然材料，它將複雜的冶煉和鍛造技術融入了其中。

著名科幻小說家阿瑟·克拉克曾經有句名言，他說：「任何足夠先進的科技，都與魔法無異。」 我覺得，這句話如果用在材料科學上面，會顯得更加貼切。

圖：阿瑟·克拉克

如果古代人拆開一個現代人製造的機械鐘，他們一定不會認為機械鐘是神秘的魔法。那些極其複雜的結構和零件，意味著這只是能工巧匠的設計而已。但是，如果古代人見到現代人生產的氣凝膠，肯定會大吃一驚。因為即便把氣凝膠徹底砸碎，古代人也依然看不出所以然來。他們會以為，這是用某種禁錮了空氣的魔法。

圖：氣凝膠

之所以氣凝膠會比鐘錶顯得更神秘，就是因為，材料永遠不會主動向人展示它們的微觀結構。材料就像是一個單向的加密系統，它把製造材料的科學技術封裝了起來。按照規定的流程製造一種材料是容易的，但破解未知材料的製造過程，則非常困難。

發現材料靠撞大運

我們經常會用「材料科學」這個詞來描述研究新材料的學科。但是，特別遺憾的是，在過去很長的一段時間裡，材料科學根本算不上是一門科學，也沒有什麼可以遵循的研究範式。我們沒辦法通過某種材料的尺寸、密度、分子量等基本數據，推測出材料的特性來。大部分時候，我們只能試試看。

託馬斯·愛迪生就是嘗試法的典範。只要一提到孜孜不倦的嘗試，我們很多人立即就會想起大發明家愛迪生和他尋找燈絲的故事。1878 - 1879 年間，愛迪生用了 1600 多種不同的材料做燈絲實驗。他幾乎把他和助手能找到所有纖維，全都試了個遍，最後才終於找到了碳化的竹纖維當作燈絲。

我相信很多人都聽過這個故事，但是你可能沒注意的是，碳化竹纖維並不是一種天然材料。當時的愛迪生，已經試過能找到的所有天然材料後，才被迫開始嘗試加工過的材料。碳化竹纖維就是在這種情況下被愛迪生找到的。

在愛迪生的時代，由於我們不了解竹纖維的內部結構，當然也就沒辦法對這種纖維碳化後的新材料做出有效的預測。這種研究，其實就是在撞大運。

但是，即便能夠憑藉量子物理了解材料的微觀本質，我們也沒能真正避免愛迪生遭遇過的窘境。在研究新材料的過程中，嘗試法仍然還是最有效的辦法之一。

2010 年，頂級期刊《自然》上刊登了華盛頓大學的生物化學家大衛·貝克教授的一篇論文[3]。這篇論文最神奇的地方是，它把 57000 名玩家寫進了作者欄中。原來，這 57000 名玩家，都在一個名叫 Foldit 的蛋白質摺疊遊戲中，做出過突出的貢獻。

大衛·貝克是一名研究蛋白質結構的知名科學家。2008 年的時候，他靈機一動，想出了一個非常天才的主意。他想，能不能開發出一款遊戲，讓玩家們聯網，用各種胺基酸來拼裝蛋白質呢？說幹就幹，有了想法之後，貝克教授真的帶領軟體團隊，把遊戲做出來了。這就是剛剛我提到的 Foldit 蛋白質摺疊遊戲。

在這個遊戲中，玩家的目標就是用各種各樣的胺基酸，拼裝出指定的蛋白質分子。遊戲一上線就火了，一個個的蛋白質拼裝任務，被海量的玩家一一攻破。在 Foldit 官網的論壇上[4]，還有玩家留言說：「下一個任務什麼時候出？希望有點兒難度才有挑戰性。」

2011 年，貝克發表了一篇關於猴類愛滋病毒相關蛋白結構解析的文章。這也是遊戲 Foldit 的功勞。據說，這個蛋白的結構已經困擾了研究者15 年之久，但是，這個任務發到 Foldit 上之後，僅僅 10 天就宣告破解。

圖：David Baker

雖然發動大量遊戲玩家破解蛋白質結構的主意看起來很棒，但也透射出一個問題，那就是：這仍然是一個愛迪生式的研究過程。之所以可以迅速地完成研究工作，只是因為我們擁有幾萬名熱情高漲的愛迪生而已。

說到這裡，你可能會想問，為什麼非要用人力來完成結構設計呢？直接用計算機算不可以嗎？科學家們當然想到過用超級計算機來計算蛋白質的結構。但是，蛋白質的變化實在是太多了，多到超級計算機也難以完成如此龐大的計算任務。這種情況下，遊戲玩家的優越性就突顯了出來。人類可以高效地識別出哪類組合是完全不可能的，從而過濾掉大量無用的選項。這個過程有點像是下圍棋，雖然圍棋的變化數比宇宙中的原子總數都要多，但大部分時候，我們在下棋的時候直覺會告訴我們：值得落子的地方，總是只有不多的幾個而已。

理性設計法為時尚早

現在，我們已經在用大數據+人工智慧的模式來設計材料，這樣就可以把有限的計算能力，用在最有價值的方案的篩選上了。這就是現在材料研究中流行的理性設計法。只要把量子力學當作設計材料的第一性原理，我們就能預測出具備某種結構的材料，會具備什麼樣的化學性質。

但是，理性設計仍然只是一個好的開始，更加困難的是材料的製造。大部分有神奇特性的材料，在微觀尺度上都有著不同尋常的結構。即便我們完全清楚這種材料的微觀特徵，想要把它們製造出來，也是一件很不容易的事情。

石墨烯是一種天然材料。簡單說來，如果能從石墨片表面撕下 1 個碳原子那麼厚的薄薄一層，我們就獲得了石墨烯。如果把無數層的石墨烯疊在一起，它就又變回了石墨。

圖：石墨烯

通過計算可以得知，一平方米石墨烯的重量，只有 0.765 毫克。但是就是這張只有一個碳原子厚度的薄膜，卻能夠承受高達 4 公斤的拉力。如果石墨烯薄膜發生破損，只需要用含有碳原子的物質接觸它，它就能進行自我修復。石墨烯還有一大堆的神奇特性，比如石墨烯薄膜有著超高的透光率，它們看起來幾乎就是透明的。石墨烯還有極好的導電、導熱性能。所有這些優秀的特性，都讓科學家們垂涎欲滴。

早在 1948 年，科學家就通過電子顯微鏡觀察到了很薄的石墨樣本。但是，在當時的條件下，人們根本無法確定，電子顯微鏡下的石墨薄片是由幾層碳原子疊加而成的。

在後來差不多半個多世紀的時間裡，科學家們想盡了各種辦法，希望能夠獲得石墨烯。這些方法包括氧化還原法、取向附生法、化學氣相沉積法等等。但是，這些方法製造出來的石墨烯，要麼就是不夠均勻，要麼就是成本過於高昂。

更多科學家鍾愛的方法，還是簡單粗暴的機械打磨。如果能直接把一塊石墨磨成 1 個碳原子的厚度，那剩下來的最後一層就是石墨烯了。

2004 年，英國的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃瑟洛夫發明了一種非常簡單的方法。他們用膠帶粘住石墨，再撕開，石墨就被撕成兩片，再粘住，再撕開，膠帶上的石墨厚度就再次減少為原來的一半。這樣反覆多次操作之後，膠帶上的石墨層就只剩下一層了。最後，他們再用溶液把膠帶溶解掉，就得到了石墨烯。

當然，你不要試圖用家裡的膠帶復現這個過程，說起來容易做起來難。當石墨薄到一定程度時，就是完全透明的了，你根本無法看到膠帶上是否還沾著石墨。但它的原理真的是極其簡單的。就是憑藉這種簡單有效的石墨烯製取方法，這兩位科學家獲得了 2010 年的諾貝爾物理學獎。

但是，這種製取石墨烯的方法依然有缺陷。雖然理論上，使用膠帶總是可以把石墨一分為二，但是，膠帶上的膠也並不總是均勻的，這會導致石墨烯薄膜的完整性被破壞。這種方法製取的石墨烯通常都是幾微米大小的碎片，而不是完整的一大片薄膜。這樣的方法如果想要實現大規模生產，仍然是困難重重。

所以你看，僅僅是製造石墨烯這件事情，就已經讓科學家絞盡腦汁了。現有的石墨烯製取方法，根本就沒有一條確定的技術發展路線，完全就是百家爭鳴、百花齊放的狀態。這正是材料科學不太體面的地方，我們即便掌握了量子力學、大數據和人工智慧，我們用的方法，依然還是愛迪生的老路子，那就是反覆不斷地嘗試。

計算機晶片上的材料突破

有人認為，在材料科學領域，低垂的果實已經越來越少。只有那些在微觀尺度上極度隨機的結構，才是容易得到應用和量產的，比如那些不沾水的布料和不沾油汙的塗層。對於微觀尺度上高度有序的材料，比如石墨烯，我們只能靠碰運氣的方式來尋找製造它們的辦法。如果找到，那就是人類的幸運，如果找不到，也只能接受現實。這也是很多神奇材料在實驗室裡存在了很多年，也沒能走向市場的重要原因之一。

不過，我們也不用太過悲觀。有一種結構非常複雜的納米級材料，我們已經持續穩定地量產多年。而且，我們還在不斷地挑戰著這種納米材料的尺度極限。你能猜出這是什麼材料嗎？——計算機晶片。

計算機晶片確實可以算作是一種特殊的材料。它特殊的微觀結構讓它在通電後可以具備計算、存儲等神奇的功能。最初，由於對計算機性能的強大需求，讓我們發明了光刻技術。現在，光刻技術已經反覆迭代，可以挑戰性地創造出小於 5 納米尺度的微觀材料結構了。

如果有某種材料的附加值可以達到與計算機晶片一樣高，那麼就可以動用光刻機或者類似的技術來生產它。目前看來，如果想在宏觀尺度上操縱微觀結構，雷射是我們最好的工具。現在，利用雷射在微觀尺度上操作，最大的問題依然是慢。提高效率的辦法，就是讓許多互相平行的雷射束同時工作，就像是刻圖章一樣，一下子就把我們需要的一大片結構刻在材料上。雖然以目前的技術水平讓很多束雷射完全平行一起工作，還面臨著不小的技術困難，但這裡並沒有任何科學原理上的限制，我們只需要耐心地等待技術的提升就行了。

除了光刻技術，還有另外一種製造材料的思路，那就是利用微觀上的量子力學規律，讓材料實現微觀層面上的製造，或者自組織。

生命體內的 DNA 和 RNA 分子，就是一些非常神奇的材料。這些材料能夠在極小的尺度下記錄海量的信息。還能夠利用這些信息，通過自組織的方式來創造各種各樣的蛋白質。

還記得開頭提到的用於替代縫合的膠水嗎？這種膠水，就是利用化膿性鏈球菌分泌的一種蛋白質製成的。皮膚和肌肉組織都是由蛋白質組成的，想要把它們粘合起來非常困難。但是這種特殊的蛋白接觸到組織細胞的時候，就會與周圍的蛋白質形成牢固的化學鍵，這就起到了粘合的作用。

用這個思路，我們還可以有針對性地設計出各種各樣的膠水。比如說，某種膠水完全不沾手，但是卻可以牢固地粘合金屬或者陶瓷。我們可以提前在計算機中設計出這些蛋白的結構，然後再通過基因編輯技術，把某些細菌改造成生產蛋白質的機器，從而量產這類蛋白。

新材料研發的瓶頸

由此可見，在新材料研發上，我們現在面臨的最大困難是我們無法隨心所欲地在原子層面上操縱物質的結構。

我們已經具備了大量的理論基礎，科學家們也很清楚目標是什麼。以石墨烯的生產為例，科學家們早就知道石墨烯的存在，也知道它的結構和特性，就是沒辦法完美且廉價地生產它。

另一方面，在基因編輯技術上，雖然我們已經能實現基因的敲除和剪切，但這些技術都用了一些巧妙的方法，來進行相對粗糙的基因剪輯工作。想要把工作做到精確地編輯一個鹼基，現在我們還很難做到。

因此，無論是自上而下的雕刻，還是自下而上的組合，新材料研發的技術奇點都明確地指向了一項技術，那就是通用型的分子和原子操縱技術。我們姑且可以把這種技術，叫做原子操縱機。

這種原子操縱機的構想並不是天方夜譚。早在 1970 年，美國物理學家阿什金[5]就發現，雷射束產生的力可以推動分布在水或者空氣中的微小粒子。阿什金還觀察到，散射的雷射會對微粒產生明顯的推力。1986 年，阿什金展示出改進的實驗，他只用了一束聚焦的雷射來照射粒子，雷射的散射光與雷射本身組成了一個陷阱，像鑷子一樣把粒子固定住了，這就是著名的光鑷。阿什金也因此被後輩們稱之為光鑷之父。

圖：A. Ashkin

觀看了這個實驗後，阿什金[6]在貝爾實驗室的同事，華裔科學家朱棣文大受啟發。朱棣文立即投入了相關的研究。他發現，雷射的壓力可以讓高速運動的原子和分子減速，並且讓它們冷卻下來。他用來自不同方向的多束雷射，把原子控制住。1997 年，朱棣文幸運地憑藉著雷射冷卻和捕獲原子的方法，先於阿什金獲得了諾貝爾物理學獎。

圖：朱棣文

2018 年，已經 96 歲高齡的阿什金[7]，終於等來了他的諾貝爾獎。他發明的光鑷，也是目前最有希望的一種製造原子操縱機的技術原理。

窮舉所有材料

在原子操縱這個技術奇點被突破後，製造一種材料將不再是一件困難的事情。

在量子力學理論、大數據和人工智慧的共同驅動下，對新材料進行理性設計，已經成為新材料設計的新範式。只要我們能夠通過計算，來設計出一種新材料，我們立即就可以嘗試生產它。在這個階段，一種新材料能否大規模生產，僅僅取決於市場對這種材料的需求。

不過，能設計就能生產，這還不是材料科學的終極狀態。人工智慧+大數據的設計模式仍然受到人類經驗的限制，畢竟大數據就是人類的工作經驗。我們可以大膽想像，當量子計算機能夠參與到尋找新材料的工作中時，我們就可以放棄設計，而採用地毯式搜索和排查的方法，把可能有用的材料全部都窮舉一遍。到那時，我們真的會迎來一次井噴式的新材料爆發。大量我們想都想不到的新材料，都會被排查出來，等待我們去生產和使用。

我們可以隨意開幾個腦洞，大體上感受一下新材料對我們生活的改變。

< 腦洞 1 >

未來的高分子材料可能永遠不會老化，更不會磨損。它們可以自動修復表面和內部的傷痕，而需要的原料只不過是空氣中無處不在的二氧化碳和水而已，就好像植物利用光合作用可以將空氣中的二氧化碳轉換成各種有機物一樣。

< 腦洞 2 >

同類的可以吸附和固定二氧化碳的材料，可以被大規模地生產和部署，用來回收大氣中的二氧化碳。只需要紫外線的照射，這些材料就能把二氧化碳固化到內部。這些材料吸收了足夠的二氧化碳後，就可以被當作固體燃料燒掉，把裡面的碳源重新釋放出來。這是一種全新的太陽能利用方式，有了這類材料，人類也就不再為碳排放問題而擔憂了。

< 腦洞 3 >

新材料會讓我們對太陽能的利用效率大大增加，甚至遠超過植物的光合作用，這可以讓人類直接擺脫對化石能源的依賴。建築物的外牆完全用可調節透光度的太陽能電池板來建造。人們可以根據需要，來調節進入室內的陽光強度。多餘的陽光，則可以高效地轉變成電能儲存起來。大規模使用太陽能電池板還能夠減少樓體放熱，改善城市熱島效應，讓城市的空氣更清新。

在這個新時代裡，製造業可能會有這樣一句流行語：能用材料解決的問題，就不要製造機器。這句話確實沒錯。如果你家的地毯可以自己除塵，那還要吸塵器嗎？如果你家的玻璃可以自淨，那還要擦窗器嗎？如果你家的牆體本身就能幫你調節溫度，那還要空調和暖氣管道嗎？

新材料不僅會全面地改善我們的生活環境，還會深刻地改變我們的衣食住行。曾經有一句話：工業時代沒辦法用水和泥土製造出蘋果，但是蘋果樹可以。但是，到了新材料爆發的新時代，我們也可以自信地說：蘋果樹能做到的，我們也行。

量子世界最本源的力量

無論我們如何大開腦洞，我們所能想到的改變，也只是真實未來的冰山一角而已。可以說，一種新材料，濃縮了用於設計和生產這種材料的全部科學技術。對於普通人來說，材料真的就像是某種魔法。人們只是知道這些材料具備著各種各樣的神奇特性，卻可能永遠不知道為什麼。

如果用一句話來概括新材料，大概可以這麼描述：這是來自量子世界底層的最本源的力量，一旦這股力量被充分挖掘出來，我們的世界真的會像魔法世界一樣神奇。

關於新材料的暢想就到這裡。在最後，我又要公布今天的知識彩蛋了。

提問：

我們在開始時提到的「比氦氣還要輕的石墨烯氣凝膠」是怎麼製造出來的？

如果你對此有興趣，我會在「未來小課堂」繼續為你講解，正文的精華內容後續還會以漫畫的形式整合上線。請在公眾號「浦發銀行」，回復關鍵詞「未來科技體驗館」便可進入彩蛋聽我講解！

信源

1. https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
2. https://pages.mtu.edu/~suits/SpeedofSoundOther.html
3. https://www.nature.com/articles/nature09304
4. https://fold.it/portal/
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Ashkin
6. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/ashkin/lecture/
7. https://physicsworld.com/a/arthur-ashkin-gerard-mourou-and-donna-strickland-the-nobel-prize-for-physics/

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