[李静海]：谢谢周校长，我们后面还安排了一些跟科学家对话的活动，到时候大家再提问。下面请中国科学技术大学校长侯建国作报告，他的题目是《纳米科学技术的前沿》。
[侯建国]：各位同学，大家下午好，刚才周其凤老师已经介绍了化学年整个的启动情况，以及化学学科整体的情况。我今天下午和大家交流报告的是我想通过一个技术领域，纳米科学技术前沿物理化学大家所关心的科学技术问题，来和大家看看化学领域所关心的问题和它发展的前景。
今年是化学年，化学是研究物质的组成、结构、性质以及变化规律，创造新物质、新材料的科学。刚才周老师已经为我们介绍了，我们化学家在过去一个世纪里为人类创造了各种各样的材料，我们现在的生活基本上离不开这些化学合成的材料。
人类社会发展总是在不断的进步，我们都希望有更好的生活，但是同时能源是有限的，环境也是非常脆弱的，所以对于我们未来科技的挑战以及我们的期待又非常多，具体到材料上来说，我们就希望以后能够制造出能够像纸一样轻，同时又像铁一样坚硬的复合材料。现在人类都离不开电子器件，包括计算机、手机，这些计算机都是由一系列的电子元件所构成。我能不能继续的把电子器件尺寸做的更小，使得能耗更小，同时功能强大。还有，现在的能源是大家都谈论的问题，我们能不能制造出一些新的化学剂，新的化学方法，直接利用太阳能从海上获取氢气，为人类提供不懈的能源。
纳米科技，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用，和传统材料不一样的特点就是它由量子效率所控制的，所以它有非常重要的特性。
量子力学，量子力学有两个基本的原理，一个是测不准原理，也就是一个电子，它的热量和位置是一个常数，同时还有很重要是它有波粒二象性。电子在力学世界里，任何态只有一个状态，不能具有死和活的状态，这些都是很复杂，就是给大家介绍的是量子力学和宏观世界非常不一样，是金属在纳米粒子的颜色是多彩的，如果我们把金属颗粒，比如金和银做成纳米尺寸大小，由于电子自由受限制，如果电子自由承担大于给他粒子的尺寸，因此它的边界就会受到限制，受到限制就受到量子力学的因素。
比如碳原子，这是构成生命体和自然界最重要的元素，碳的元素在化学周期表是第六号，原子核有六个质子，有六个中子，六个质子和六个中子形成碳的原子核，原子核周围有2个IS电子，它的轨道是球心对称分布的。这是第一层电子。第二层电子能量更高一点，所以它的活动半径更大一点，但是它也是球心对称的分布。同时还有2个2P电子，把不同的碳原子组装起来，就是5个碳原子是一个纳米的大小。由于轨道外的电子形成S轨道是对称的，P轨道是亚伦状的。不同的原子放在一起，不同原子电子就会相互作用，会形成各种各样的化学介，也是电子多函数在空间有不同的分布和对称的形式。由于各种各样的电子化学介，我们有可能把化学周期表不同的元素作为一个基本的结构单元来创造出我们所需要的各种各样的物质。我们通过利用不同的城建方式可以创造出自然界里不同的材料，具有完全不同的特性。比如像石墨，是一层一层的，每一层是六个碳原子组成一个六角形的结构联起来，它是一个城状的。金刚石是最坚硬的自然物体，石墨是很好的导电材料，但是用手一撕就可以撕开。
这是碳纳米管，把石墨管卷起来形成碳纳米管，在管内和管外电子介的状态也不一样，管大小也不一样，也形成了同样是一个碳纳米管，但是它是半导体性质的。这些就是化学家过去构建不同材料一些基本的原理。
分子尺度上的量子调控实际就是能级与波函数工程，怎么调整能量分立能级在核外分布的形式，能够把电子放在不同的能级上，如果没有掺杂的话就是一个绝缘体，掺杂就是到底。如果把两个原体形成分子，实际是进行波函数的改造，对它的承接方式进行改造，能够创造各种不同的材料。
能级与波函数工程过去就有，但是那个时候不是主动的，现在我们能不能主动的来控制化学材料的合成，来设计化学合成的方法，制造出我们所需要的各种各样的材料。
1959年，美国科学家在美国物理学会上曾经做过一个很重要的演讲，如果人们能够按照自己的意志来安排一个原子，将会产生怎么样的奇妙景象，当时59年还带有科学幻想的预见，但是今天我们逐步正在接近这种目标，虽然还有很多的困难克服，但是我们已经看到了解决这些问题的曙光。
我们要分子和原子的尺度上来控制电子态的形式和波函数形成的结构，首先我们必须具备在原子和分子的层面上对电子态进行观察的工具以及操纵的工具，也就是说在纳米世界里需要我们的眼睛和手。
在2006年科学家发明了一个机器，叫做扫描隧道显微镜，就使得我们人类第一次不仅能够直接看到电子波函数，看到原子的分子轨道在空间的分布形式，还可以对原子外的分子化学介进行一些控制和剪切。
这是STM工作模式示意图，保证要有一个针尖，要非常细，有几个原则作为你探测的手段，也就是说眼睛和手。STM不仅使人类真正看到单个原子，也能够直接操作单个原子，IBM科学家用金属的原子在金属表面摆出一个IBM，这是最小的字。同时把铜原子在铁的表面摆一圈，把表面电子波放在里面，电子波受到限制，在里面产生了像水波钢设计的条文，第一次真正给我们展示了电波波函数的设计。
过去化学家了解分子的结构通过光谱的方式，比如把材料进行晶体，用X光或者是电子显微镜，形成染色的图象来推测材料里面的结构和性质，以及通过红外光谱来了解由于分子合成以后会有振动，振动谱就像一个特殊分子的指纹一样，然后来分析分子结构是什么样子，通过分子推算它有什么样的振动谱。
STM这个工具使得我们能够在一些特定的碳的体系里可以直接看到分子化学界形态，从时空的角度，这个图象是化学电子分布图象，这里有五边形和六边形的形态，这是导弹电子云的图象，这样可以把分子的结构确定下来。
除了对于单个分子识别以外，同时可以利用分子进行手性识别，自然界产生手性来控制我们整个世界。一个分子分位左旋份子和左旋分子，从结构上很难区分出来，但是在性质上会发生很大的变化，比如氨基酸是生命体重要元素，氨基酸都是左旋的，右旋对人体是有害的。很多药物左旋的药物是有用的，化学家发明不对称的反映方法可以自别出左旋和右旋。怎么样进行手性识别，由于手性的分子结构基本完全一样，只是静态对称的繁衍，所以在很多的光谱和结构的表征上是很难直接来进行分别。按照我们可以通过探测显微镜的方式来测分子波函数的分布，利用轨道波函数的分布就可以把手性的分子左旋和右旋确定出来。
除了可以直接看到表面的分布，电子波函数的分布之外，我们还可以做的更多。X光可以穿透人体，然后把骨骼显现出来。一类分子是碳82的笼子，里面有一个重金属的元素被包围在笼子里，如果正常拍它的图形是看不到里面是不是有一个金属的原子在里面，如果我们通过对分子能量的扫描，可以把里面的重金属元素通过透视的方法确定出来，这是一个表征的方式。
除了看到分子形态和电子波函数的轨道以外，我们还更希望能够控制这些原子和分子，然后实现特定的功能。比如负微分电子的效率，是50年代很著名的科学家提出的效率，单个分子由于量子力学效率是分离的，在一定的电压下轮机之间存在共振的睡窗。这是一个最小的负微分电子效率。
最小的二级管是多大呢？二级管就是单向导电，电流只能沿着一个方向走，所有电子都填埋在几代下面，导弹是空的，但是我们可以通过化学的方法在环境当中通过一些反映方式把碳原子上面其中一个用氮原子来取代，一旦取代了以后，我们就相当于在两个轮机之间…，所以是一个半导体的性质，就构成了单个分子的半导体。在氮掺杂的分子里就可以单向的导电性，实现最小的二级管开关。
刚才讲的只是通过控制，我们能不能通过对化学介更主动和更精确的控制创造一些新的分子来。就像我们做手术一样，把化学介进行一些剪切改变分子的性质。这是一个金属碳氢分子，是碳原子，氮原子和氢原子组成的，最外面有八个氢原子，在金的表面没有磁性，我们利用扫描探针显微镜做成手术刀，把最外面八个氢原子切掉，就形成一个新的分子，这个分子就变成了有磁性的。
这个过程就是一个分子，分子在金的表面，通过探测显微镜能量的注入，把上面八个氢分子切掉，由于苯环电子不饱和，就会和金表面产生一定的介和作用，产生一定新的分子，在这里形成一个磁性的分子。
分子是很神奇的，它非常小，它是最小的具有完整特定功能的单元。既然可以做电阻效应，也可以做整流效应，还可以有一个单分子的效应，一个分子能不能一装多能，不仅做开关，还可以做整流呢？这是三聚氰胺，它是一个很有意思的分子，分子也是一个苯环，单色是氮原子，蓝色是氢原子，放在金属的表面，最底下这两个氢原子会脱开，然后立在同源的表面，两个氢原子底下是完全对称的，我们可以通过转移的方式切掉，把最上面的氢原子切掉移植到这些地方来，这些分子结构本身不对称，造成电子结构的不对称，电子结构一旦不对称以后，它就具备了整流的效益。没有做之前是一个正常的电压曲线，现在剪切完一个，整流比可以达到34。最重要的是，它在过程当中还可以有很多电流的噪声出现，是周期性的，因为在电子电压下，分子氢键在两个稳定状态之间跳动，也就是说注入电子有弹性电子和非弹性电子，对于弹性电子来说能量没有改变，从上面传过分子到达电机，出现了整流效益。如果分子吸收电子的能量，碳氢间容量就会升高，而且状态高和低会造成电流的大小，而且这个速度是可以调整的，电压高就跳动的快，电压低就跳动的慢，机械的开关和电子整流一个分子同时实现了两种功能。
能不能实现单分子的化学反应，这是最早的单分子化学反应的演示，这是非常经典的化学反应，这个分子可以切快，把碘原子移走，把苯环并在一起，并入以后再注入电子，就形成一个新分子的苯环。后面还可以利用扫描探测显微镜把一氧化碳，二氧化碳在铁的表面吸附了一个氧气，再把一氧化碳的分子可以移动到吸附氧上面，把电子注入氧，一氧化碳形成反应形成二氧化碳。
最近我们也做了一个反过来的实验，二氧化碳的还原反应。二氧化碳排放很重要，怎么样减少二氧化碳是全人类面临的课题。这里有很多方法，这里演示的方法就是在分子上，这是提供了一种思路。怎么样使得二氧化碳还原以后变成二氧化碳，一氧化碳是有燃料，可以烧，这是二氧化碳的表面，二氧化碳的表面有很多氧的空位，氧的缺陷，红的部分是氧原子，二氧化碳表面可以人为的形成很多的氧的空位，氧缺位以后，二氧化碳会吸附在氧缺位口，中间是碳原子，两边是氧原子，氧原子会吸附在氧空位上。二氧化碳碳和两个氧之间介和是很强但是由于吸附在这上面以后，就减弱了这个碳氧之间的强度，然后再加一点能量的注入，就能够使得二氧化碳其中碳氧键断掉，从而形成一氧化碳。
这种反应很显然是非常低效率的，但是这种反应演示了一种可能性，或者给未来设计提供一些新的思路，也许今后我们能够沿着这样一些思路设计出一种可以工业化生产的二氧化碳还原一氧化碳的反应。
再回到Feyeman重要的演讲，50多年过去了，我们正在一步一步接近当时科学家的预言。当时他演讲的题目是《在底部有足够多的空间》。他当时提出能够在最小的空间里，在原子和分子的尺度上来检测控制我们的世界，我们就能够创造出无限的可能性，包括制造出各种各样的对人类来说更加绿色、更加有效、更加有用的材料。这就是说化学会产生很多的空间，我想科学也会产生无尽的创造力。
谢谢大家！