物质科学研究的新突破
白春礼
纳米科技研究专家，满族，1953年9月生于辽宁丹东。1978年毕业于北京大学化学系，1981年、1985年先后获中国科学院研究生院硕士学位、博士学位。中国科学院化学研究所研究员，中国科学院院长，国家纳米科技指导协调委员会首席科学家和国家纳米中心主任。兼任中国科学院化学部主任，中国化学会理事长。1997年当选为中国科学院院士，同年当选为第三世界科学院院士。
先后从事高分子催化剂的结构与物性、有机化合物晶体结构的X射线衍射、分子力学和导电高聚物的EXAFS等研究。从20世纪80年代中期开始从事纳米科技的重要领域——扫描隧道显微学的研究，研制成功扫描探针显微镜（SPM)系列。在纳米结构、分子纳米技术方面进行了较系统的工作。
BaiChunli
白春礼
—、引言
中央领导一直对物质科学研究高度重视。在2011年12月16日庆祝“天宫一号”与“神舟八号”交会对接任务圆满成功大会上，胡锦涛总书记说：“要超前部署一批对国家长远发展具有带动作用的重大项目，有效组织力量开展科技攻关，力争在基础研究上取得原创性突破、在高技术领域实现跨越式突破。要加快培育和发展战略性新兴产业，努力在新一轮科技革命和产业革命中走在世界前列。物质科学属于基础研究的范畴，所以总书记要求在基础研究上取得原创性突破。温家宝总理在2011年第14期《求是》杂志上发表了一篇文章，题目是“关于科技工作的几个问题”。他在这篇文章中指出：“当今世界正处于新科技革命的前夜，新技术革命和产业革命初现端倪。一些重要科技领域显现发生革命性突破的先兆。物质科学、能源资源科技、信息科技、材料科技、生命科学与生物科技、生态环保科技、海洋与空天科技等领域，都酝酿着激动人心的重大突破。”温家宝总理的这篇文章中还专门提到：“在物质科学领域，宇宙暗物质和暗能量研究探索，很可能像牛顿发现万有引力、爱因斯坦提出相对论一样，引发新的物理学革命；对量子调控的研究和突破，可能引发信息、能源、材料等技术的革命性变革。“十二五”规划中也明确提出：把握科技发展趋势，超前部署基础研究和前沿技术研究，推动重大科学发现和新学科产生，在物质科学、生命科学、空间科学、地球科学、纳米科技等领域抢占未来科技竞争制高点。
我引用这两段话的意思就是说，中央领导对物质科学研究高度重视，这也是今天我选这个作为报告题目的原因之一。
二、物质科学
物质科学可以定义为研究物质基本组成、结构、性质、功能和变化规律的科学。它不仅是一切科学的基础，而且可以衍生出一系列新的技术原理，为材料与器件的研发提供新的知识基础。研究物质的组成，涉及化学、物理、天文和材料等；研究物质的结构，涉及物理、化学和数学等；研究物质的性质，涉及物理、化学、生物和数学等；研究物质的变化规律，也涉及物理、化学、生物、数学，等等。这些都是基础科学涵盖的范畴。同时，研究物质还需要一些新方法，需要一些新技术，这些新方法、新技术、新手段往往也是多学科交叉的成果，这些新工具的出现为研究物质的基本组成、结构、性质、功能和变化规律提供了非常重要的条件基础。所以物质科学是一门基础学科，也是多学科交叉的领域。
我们可以看一下物质世界的层次与基础学科之间的关系。其实我们人类可以把我们的研究对象用长度单位串起来，如“米”这样，银河系是1021米，地球是107米，人类是101米，细胞是10-4米，分子是10—9米（纳米），原子是10—^米（埃），原子核是10—14米。所以长度单位可以把最宏观的体系——宇宙至原子以下的层次用长度单位串起来。我们知道，研究银河系和地球，涉及天文学、地球科学和空间科学；研究人体细胞，属于生命科学研究范畴；研究分子、原子层次，涉及纳米科技、化学、物理、材料科学；研究原子核以下的层次，就属于粒子物理、高能物理的范畴。这些都是基础学科。那么基础科学前沿是什么？这主要涉及三个方面：一是宇宙的起源与演化——宇宙到底是怎么来的，大爆炸学说目前被大家所接受，但关于宇宙的起源和演化还有很多未知的问题需要探索。二是生命的本质是什么，这方面也有很多未知的问题。三是物质的本质与基本结构，它仍然是基础科学的前沿，而数学是物质科学研究最重要的工具。物质世界的层次与基础学科之间的关系可用图1来说明。
物质科学研究也是辩证唯物主义世界观在科学研究领域的实践。为什么这么说呢？我们知道，物质世界是分层次的，从宏观、中观、微观到介观，每个层次均有各自的特征和发展规律。一旦认识了这个层次的特征和规律，科学与技术都将发生革命性的变化。人类认识自然、适应自然的社会活动，也必须从物质世界及其运动规律出发，按照其本来面貌去认识世界，尊重客观规律。这也是科学发展观在自然科学领域的一个内容、一个实践，我们一定要尊重客观规律，认识客观规律。我们在大学里学习了辩证唯物主义，有一句话是：“世界是物质的，物质是运动的，运动是有规律的，规律是可以认识的。这句话实际上和我们的物质科学研究是一脉相承的。所以，物质科学研究也是辩证唯物主义世界观在科学研究领域的一个实践。
图1物质世界的层次与基础学科之间的关系
下面举几个例子来讲物质论据的一个观点。第一个例子是对自然现象的探索催生了新的理论，奠定了众多发明和应用的基础。20世纪初，科学界最大的谜是太阳。20世纪中叶前，人类所需的所有能源都来自太阳。太阳的能量经光传播到地球，因此当时的物理界研究的是光是怎么传播到地球的。地球在自转，顺着地球自转的方向测得的光和逆着地球自转的方向测得的光的光速是一样的——光速不变定理。光从太阳传播到地球，照到人身上人会觉得热，是因为光会产生热，那么光是怎么产生热的呢？光和热的研究是20世纪初物理界的两大研究重点，进而发现了光电效应。爱因斯坦凭此发现获得了诺贝尔奖。光电效应催生了相对论和量子论，因为相对论和量子论的基本原理都和光电效应的发现密切相关。相对论和量子论的发现引发了一个世纪的创新革命，产生了原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机……几乎20世纪绝大部分的科技文明均源于此。2009年，诺贝尔基金会评出了100多年来诺贝尔奖史上“最受尊崇的”三位获奖者，其中之一就是爱因斯坦（1921年因发现光电效应获诺贝尔物理学奖）。
第二个例子是对物质科学的探索催生了新的检测工具和新的领域。1981年，宾宁（Binnig)和罗雷尔（Rohrer)教授发明了扫描隧道显微镜（STM)，并于1986年获诺贝尔奖。宾宁是一个德国人，他到瑞士IBM实验室做博士后，有一个德国人是他所在的科学组组长，他们当时做超导研究，宾宁想做局域的超导隧道效应。以前做超导效应是在两块金属中间搭一块绝缘体，然后测它的隧道效应，当关上磁场后，电子会穿过绝缘层，叫做隧道效应。而局域性的隧道效应就是把绝缘体两侧的一个金属做成针尖状，由于其非常尖，这种隧道效应就是局域的。中间的绝缘层是真空绝缘层，那么针尖测量下面的超导材料就是局域的电荷密度波。在这个过程中他发现，如果针尖在磁场表面扫描的话，可以通过这样一个扫描的方式来表征表面的形貌，这样他就发明了扫描隧道显微镜。当然还有很多技术问题、技术难关需要克服。扫描隧道显微镜的发现被科学界认为是纳米科技的“眼睛”和“手”。所谓“眼睛”，是指利用扫描隧道显微镜可以直接观察单个的原子和分子，这是科学家梦寐以求的。所谓“手”，就是利用它来操纵单个的原子和分子。图2显示了扫描隧道显微镜的原理——对物质表面进行扫描，通过隧道效应变化来对形貌进行观测。其中一张图是通过扫描隧道显微镜的针尖把一个一个原子排列成一个形状，其中一个鼓包就是一个原子，从中间可以看到电子密度波，这实际上是量子效应。扫描隧道显微镜的出现为科学家在纳米尺度上研究新现象、提出新理论，提供了一个非常微小的实验室，所以扫描隧道显微镜的发明促使纳米科技走向成熟。
图2扫描隧道显微镜的发明及纳米科技的突破
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