5月29日，燕缘科创NO.37期，南加州大学电子及计算机工程系副教授、美国普林斯顿大学电子工程系硕士&博士、北京大学物理系91级校友吴蔚分享了纳米技术。

满天飞的各种关于纳米技术的消息是否让你困惑？究竟什么是纳米技术？是泡沫还是真有用？本次直播吴蔚教授从纳米技术的本质谈起，重点分享了纳米技术的两个应用：纳米光学在化学传感器上的应用和纳米电学在机器人控制上的应用。

以下是分享速记整理：

首先感谢燕缘科创大讲堂给我这个机会跟大家聊一聊。我是研究纳米的，什么是纳米？1纳米是10^-9米。1米等于1000毫米，1毫米等于1000微米，1微米等于1000纳米，1纳米差不多是头发直径的10万分之一。直观的想象一下，一个可拉伸的1米长的尺子，刻上尺度，最小尺度到1纳米，然后把尺子拉长，围绕地球赤道一周，这个时候1纳米的刻度相当于拉伸到了4厘米长。所以纳米是一个非常非常小的东西。

纳米往上是微米，就属于宏观世界，比如头发是88微米，虽然很细，但看得见摸得着。比纳米小是Å（埃），Å是原子尺度，一个原子大概是Å这个数量级，属于微观世界。于是纳米正好是宏观世界和微观世界的过度，这也是我们对纳米结构比较感兴趣的地方。

宏观世界和微观世界有些非常玄妙的区别，并不仅仅是一个大一个小。举个例子，费曼物理学讲义里提到时间反演对称性，微观世界是具备时间反演对称性的，就是带电粒子在一个电场中运动，如果录下来之后倒着播放，是不知道录的视频是正着放还是倒着放的。但宏观世界没有时间反演对称性，每个人都只能越来越老，没人越来越年轻。比如一个杯子掉地上碎了，录下来倒着播放就是一堆玻璃片儿聚在一起成了一个杯子，每个人都知道这个电影是倒着放。纳米结构恰巧是一个从宏观到微观世界过度的尺度，在这个过渡里就会有一些很神奇的现象。

纳米技术的本质就是关注从1纳米到几百纳米的尺度，在这个范围内有一些新的现象、新的原理，我们就是要研究这些现象和原理，利用这些特有的现象和原理实现一些有意思的功能。今天我给大家举两个应用的例子，这两个应用都是在我组里的实验室做的。一个是跟纳米光学有关，一个和纳米电学有关。

纳米光学在化学传感器的应用

跟纳米光学相关主要是利用表面增强拉曼来做化学传感器。拉曼谱本质是分子本身有各种各样的震动模式，在光的照射下光子会和分子的震动模式相互作用，把能量传给分子，光子的能量就变了一点点，从而知道了振动模式的能量是多少，显示在拉曼谱上就是一组组峰。拉曼谱是一个光子跟一个分子相互作用，如果从量子力学角度来看，这是一个二阶效应，它效率非常低。所以拿一个光子测拉曼谱，拉曼谱通常都非常弱，基本上不是特别有用，现实生活中用起来不是很方便。

大概70年代末80年代初，提出了表面增强拉曼，发现表面上有一些金属纳米颗粒，再把要测拉谱的分子扔到这些颗粒上，测试信号就强了，而且还强挺多。这个基本原理是这些金属颗粒相当于小的天线一样，可以把外界光信号接收过来，增强很多倍，这时候拉曼信号就可以增强。从量子力学讲，拉曼是一个二阶效应，二阶效应就意味着这个信号会和入射光光强的平方成正比，把入射光增加100倍，拉曼信号就可以增加1万倍。

下一个问题就是做一个什么样的结构能够获得最强的增强呢？2012年有人做理论研究发文章说最佳的结构是两个直径差不多50纳米的金属小球，在金属小球中间有一个小的空隙，这个空隙如果是真空，差不多半个纳米可以有最强的增强。在我们之前并没有人能够用实验证明这个理论的预测是对的，而且没有人能做出这个理论上最佳的结构。

我们想了一个办法，发明了一种做纳米加工的技术，就是把直径50纳米的两个纳米小球顶在两根高分子小柱子上，往上沉积长出薄薄的一层绝缘体，用原子层沉积技术长绝缘层的时候，它是一层一层原子的涨，可以长得非常非常薄，而且控制的非常非常精确。如果能够让这两根柱子互相倒下来，头碰头，那这两个金属纳米颗粒之间的间距就正好是绝缘层厚度的两倍。这个绝缘层可以控制到是一个原子还是两个，就可以非常精确的控制间距。

怎么让两个金属小球碰到一起呢？就更简单了，把样品泡在酒精里，从酒精里拿出来，酒精蒸发的时候表面张力会把两个小球拉到一起，就像大家洗澡的时候头发可以一撮一撮的，完全是一个道理。

上面这个图就是我们做的样品，一对儿一对儿的头上顶着金属颗粒，下边是高分子柱子，放大可以看到金属颗粒碰在一起之后的样子。可以看到样品的间距做的非常精确。用这个样品可以干点什么呢？当时浙江工业大学的刘凡新教授到我组里来做访问学者，他来的时候我们这个技术刚做好，刚发了第一篇paper。他看到了之后把样品带回国，用这个样品在国内做了一系列的应用。

用我们的样品做了几组试验。第一组实验证明我们的样品可以测单分子拉曼谱，只要有一个分子，信号就可以测出来。通常拉曼是一个非常非常弱的信号，我们做的器件增强系数是5×10^10，只要有一个分子就够了。我们不只做了一个器件，而是做了一个阵列，测量的时候不光可以测出很强的物质材料分辨率，还可以有空间分辨率。比如我们做的一个实验，测一个酵母细胞，酵母的表面有一种蛋白质，这个蛋白质有一个拉曼峰，看在这个阵列上峰的空间是如何分布的，就可以知道酵母表面蛋白质的空间分布是什么样的。第二张图是我们测的三聚氰胺，有一组黑颜色的线看不到是牛奶的拉曼谱，信号太弱了看不到。蓝色和红色线都是掺了三聚氰胺的牛奶，每升牛奶里掺了2.5mg三聚氰胺。用我们的器件测得是红色线，就非常清楚可以看到三聚氰胺。

杭州纳轩光子科技有限责任公司正在做我们实验室研发技术的产品转换，现在主要应用在两个方面：一个是和安全安防检测有关，一个是和医疗检测关。安防是和浙江省缉毒支队合作，用来测毒品。一般芯片测毒品，一种芯片只能测一种毒品，现在据说常见毒品有几百种，种类太多了，测起来很费劲。用表面增强拉曼就非常好，因为不同的毒品会有不同的指纹，不同特征的拉曼峰，比照数据库就可以测多种毒品。还有测TNT的炸药，比如机场安检都会测爆炸物，只要包裹有一点点粉末升华成气体漏出来，就可以测出来。医疗检测上，我们测的是小朋友尿液里的塑化剂，可以做早期疾病的预防检测。

纳米电学在机器人的应用

举一个纳米电学的应用，主要是我的两个学生做的。现在大家都讲人工智能，人工智能本质上在人工做一个大脑。人脑分成三部分，大脑、小脑和脑干，脑干管心跳、呼吸，大脑管逻辑思维，小脑主要掌握平衡，我们做的这个相当于小脑。

小脑有两个功能，第一个是信号融合，第二是控制。人体布满了传感器，各种信号都到小脑，小脑根据各种信号合在一起做出判断，并控制身体做出平衡。比如身体朝左歪还是朝右歪了，如果朝左歪了就让左边腿多使一点劲来保持平衡，如果朝右歪了就让右边腿使点劲来保持平衡。小脑要工作好需要什么？需要快要低能耗。和大脑相比，小脑的复杂度低，对精度要求低，比如朝左歪了1度还是2度其实根本不在乎，这就非常适合做模拟运算。

模拟运算已经热闹过好几波，它的主要特点是快，不需要数模转换，而且可以做平行计算，很多东西一起做都可以。但大家都知道现在没有人用，为什么呢？它最大的问题就是精度不够。但是小脑根本不在乎精度，最在乎的是速度、低能耗和平行计算。80年代初就有人发文章提出来应该用模拟计算来做机器人的控制部分，但最后没有人实际做，主要是因为没有一个特别合适的电子器件来做电路，用现有东西都不是特别方便。

但是前些年发明了一个电子器件，叫忆阻器，就是有两个电极，中间加了层东西，中间的东西可以switch，正向加个大的电压，它就从低阻态变成高阻态，反向加大电压，就从高阻态变成低阻态。忆阻器的发明主要想用它来代替现有的闪存。最近几年又火起来，因为大家发现忆阻器特别适合用来做神经元网络计算的硬件。忆阻器能work，其实也是个纳米效应。一般内存想存的时间长，读写就不可能很快，如果想读写的快，就一定存的时间长不了。除非当中间switch这一层做得非常非常薄，在纳米尺度下对称性破缺了，上面的问题就不存在了。

我们现在就做了一个忆阻器，它有157个不同的电阻态。它怎么实现机器人小脑呢？上面这个图是一个单板，它需要测量跟垂直倾斜的角度是多少，然后根据现在垂直倾斜角度决定要往轱辘马达上传递一个多大的电压，马达是要往前走还是往后走还是不走，使多大劲儿，实现这么一个功能。

忆阻器有两个功能，一个是信号融合，一个是控制。这里信号融合我们用的是卡曼滤波器，用一个很简单的电路可以达到非常非常快，小于一微秒。传感器主要有两个，一个陀螺仪一个加速器，加速器用来测角度，陀螺仪测角速度。控制部分我们做的也是最简单的PD 控制，但是控制有反馈，反馈有个系数，这个系数参数要调。理论上如果知道系统函数，所有的东西都可以算出来。但真实情况是很多时候不知道这个系数是多少。比如机器人可能抱了个箱子，系统函数就变了。所以我们希望让机器人能够学习如何保持平衡，本质上就是让机器人自己会去寻找最佳反馈系数是多少。我们的控制芯片就是基于忆阻器，经过了差不多17次，找到了比较优化的反馈系数。

给大家看一小段儿电影，是一模一样的两个小车，上边小车装的是我们自己做的信号融合和PD控制，下边小车是原来自己带的。我们用苹果拉到同样的高度撒手砸小车一下，保证砸他的力气一样大，大家可以看上边这个车比下边的车稳很多，为什么呢？就是因为下边车有几毫秒的延迟，而上边那个车几乎没有延迟，砸了后它马上就做出了相应的反应。

今天的两个例子也给大家讲完了，现在回到最初的纳米技术，那纳米技术本质是什么呢？就是在纳米尺度下，有很多有趣的现象，很多有趣的科学，有趣的原理，一方面是搞清楚这些现象背后的原理是什么，另一方面是利用这些现象、这些原理，看能不能做一些有意思有用的应用。

Q&A

Q：化学传感器是不是只能测挥发气体或者接触测试？

A：是的，我们这个结构只有在两个金属颗粒中间的这一块儿有特别强的场强增强，电场增强几百倍，能量是电场强度的平方，所以能够增强到10的10次方。被测试的分子必须跑到这个地方才能有用。但是并不一定非得是挥发性的气体，如果不挥发，但可以溶解在溶剂里也可以，我们一个比较常见的测法就是一个东西的水溶液，滴一滴到样品上，水干了之后就剩了测试分子。

Q：化学分析方法跟红外光谱哪一种更准确？

A：我觉得是不一样的应用。红外谱测的相当于也是分子振动转动，但红外谱测量有红外谱的困难，在特定情况下，红外谱能级因为一些选择规律可能会不能激发。另外因为整个背景辐射，红外测起来也会难一些。拉曼谱测量的要求比红外谱低很多，拉曼谱与红外谱相比有一个优势，就是拉曼谱的传感器比较容易做的很小。

Q：机场每次进去都会有工作人员用小纸片擦人和东西，这个防爆测试是什么技术？

A：现在机场防爆是拿一张纸擦一擦，然后放到一个机器里测，这个测得是红外。像包裹那么多，每一个都抹一下太麻烦了，我们希望能有一种非接触式的，测一些爆炸物之类的。实际上表面增强拉曼在美国也热过一阵了，原来我在惠普的时候，我们组当时也有一个表面增强拉曼的项目，美国国防部的项目，就是为了测爆炸物。

Q：拉曼普中利用哪一种金属原子做的测试更精确？比如说利用钛原子跟金原子比，哪一种原子测得更准确？

A：实际上用银是最好的，银的增强效果是最强的，但银有一个缺点，会被氧化，样品做好了暴露在空气中，差不多一个礼拜就没什么信号了，表面被氧化了。金就特别好，金的样品放一年后拿出来测效果一模一样。我们大部分的样品都用金，主要是方便。刘凡新教授把我们的样品拿回国，在银表面长了一层金刚石可以防止氧化，现在表面长了薄薄一层金刚石的银样品其实是最好的。

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