人类与魔法世界的距离，只隔着一台原子操纵机
第 3 期
2020 年 10 月 9 日，伦敦玛丽女王大学、剑桥大学和特罗茨克高压物理研究所在《科学》杂志的子刊上发表了一项研究[1]。在这项研究里，科学家们通过实验数据和理论计算，证明了声音的最快速度是一个常数。
大家应该都知道，声音在不同的介质里，传播的速度是不一样的。声速在空气中大约是 340 米/秒，在水中的传播速度是 1450 米/秒。我们可以看出一个规律，那就是介质的密度越大，声音传播的速度就越快。
其实这个现象很好理解。声音的传播，本质上就是传播介质里原子振动动能的传播。所以，物质越是致密，声音的传播也就越快。但是，物质的疏密程度并不是影响声音传播速度的唯一变量。声音在氧气里的传播速度是 326 米/秒[2]，这跟声音在空气里的传播速度相差不多。但是你能猜出声音在氢气中的传播速度吗？如果你以前并不知道这个数值的话，我打赌你会猜不到。因为，声音在氢气里的传播速度是惊人的 1270 米/秒，与声音在水里的传播速度差不多，是空气中传播速度的 4 倍。
原来，声音的速度，还会与传播介质的原子量成反比。也就是说，传播介质的原子量越小，声音的传播速度也就越快。科学家们先是根据量子力学创建了数学模型，然后又在各种各样的材料上验证他们的理论预测。实验证明，声音在固体氢中传播的速度，与声音传播的理论极限速度非常相似，达到了每秒 36 千米。
这个速度，比声音在空气里传播的速度，足足快了 100 多倍。造成这么大的差异的原因，就是材料。
新材料是令人着迷的。比如说，石墨烯气凝胶是坚韧的固体，但它的密度却比氦气还低，可以漂浮在空气中。再比如说，有一种能够把皮肤或肌肉组织粘合在一起的胶水，可以替代手术中的缝合线，粘合后的伤口最后会自然愈合，不易留下疤痕。还有人人都听说过的网红材料碳纳米管，它的抗拉强度是同等体积钢丝的100倍。
图：碳纳米管
人类的文明发展史，差不多就是一个人类对新材料的利用史。
最开始，我们敲打石头，做成石刀和石斧。再后来，我们还通过冶炼技术，进入了青铜时代和铁器时代。每一种物质都有一些内禀的特性，这差不多就是我们普通人对于材料的理解。
图：阿舍利手斧（人类旧石器时代早期的工具）
但是，铁器的出现，颠覆了人类对材料的理解。早期人类的冶炼技术，并不足以把铁矿石完全融化。熔炉里的铁，是一种粗糙多孔的黑灰色混合物。后来，人们意外地发现，捶打高温的铁块，可以提高铁的纯度。再后来，工匠们逐渐掌握了锻造、淬火，甚至在铁中加入木炭来制造硬度更高的钢的办法。
铁器之所以能比青铜更加深刻地影响人类的文明，正是因为它对人类来说，已经不仅仅是一种天然材料，它将复杂的冶炼和锻造技术融入了其中。
图：阿瑟·克拉克
如果古代人拆开一个现代人制造的机械钟，他们一定不会认为机械钟是神秘的魔法。那些极其复杂的结构和零件，意味着这只是能工巧匠的设计而已。但是，如果古代人见到现代人生产的气凝胶，肯定会大吃一惊。因为即便把气凝胶彻底砸碎，古代人也依然看不出所以然来。他们会以为，这是用某种禁锢了空气的魔法。
图：气凝胶
之所以气凝胶会比钟表显得更神秘，就是因为，材料永远不会主动向人展示它们的微观结构。材料就像是一个单向的加密系统，它把制造材料的科学技术封装了起来。按照规定的流程制造一种材料是容易的，但破解未知材料的制造过程，则非常困难。
我们经常会用“材料科学”这个词来描述研究新材料的学科。但是，特别遗憾的是，在过去很长的一段时间里，材料科学根本算不上是一门科学，也没有什么可以遵循的研究范式。我们没办法通过某种材料的尺寸、密度、分子量等基本数据，推测出材料的特性来。大部分时候，我们只能试试看。
托马斯·爱迪生就是尝试法的典范。只要一提到孜孜不倦的尝试，我们很多人立即就会想起大发明家爱迪生和他寻找灯丝的故事。1878 - 1879 年间，爱迪生用了 1600 多种不同的材料做灯丝实验。他几乎把他和助手能找到所有纤维，全都试了个遍，最后才终于找到了碳化的竹纤维当作灯丝。
我相信很多人都听过这个故事，但是你可能没注意的是，碳化竹纤维并不是一种天然材料。当时的爱迪生，已经试过能找到的所有天然材料后，才被迫开始尝试加工过的材料。碳化竹纤维就是在这种情况下被爱迪生找到的。
在爱迪生的时代，由于我们不了解竹纤维的内部结构，当然也就没办法对这种纤维碳化后的新材料做出有效的预测。这种研究，其实就是在撞大运。
但是，即便能够凭借量子物理了解材料的微观本质，我们也没能真正避免爱迪生遭遇过的窘境。在研究新材料的过程中，尝试法仍然还是最有效的办法之一。
2010 年，顶级期刊《自然》上刊登了华盛顿大学的生物化学家大卫·贝克教授的一篇论文[3]。这篇论文最神奇的地方是，它把 57000 名玩家写进了作者栏中。原来，这 57000 名玩家，都在一个名叫 Foldit 的蛋白质折叠游戏中，做出过突出的贡献。
大卫·贝克是一名研究蛋白质结构的知名科学家。2008 年的时候，他灵机一动，想出了一个非常天才的主意。他想，能不能开发出一款游戏，让玩家们联网，用各种氨基酸来拼装蛋白质呢？说干就干，有了想法之后，贝克教授真的带领软件团队，把游戏做出来了。这就是刚刚我提到的 Foldit 蛋白质折叠游戏。
在这个游戏中，玩家的目标就是用各种各样的氨基酸，拼装出指定的蛋白质分子。游戏一上线就火了，一个个的蛋白质拼装任务，被海量的玩家一一攻破。在 Foldit 官网的论坛上[4]，还有玩家留言说：“下一个任务什么时候出？希望有点儿难度才有挑战性。”
2011 年，贝克发表了一篇关于猴类艾滋病毒相关蛋白结构解析的文章。这也是游戏 Foldit 的功劳。据说，这个蛋白的结构已经困扰了研究者15 年之久，但是，这个任务发到 Foldit 上之后，仅仅 10 天就宣告破解。
图：David Baker
虽然发动大量游戏玩家破解蛋白质结构的主意看起来很棒，但也透射出一个问题，那就是：这仍然是一个爱迪生式的研究过程。之所以可以迅速地完成研究工作，只是因为我们拥有几万名热情高涨的爱迪生而已。
说到这里，你可能会想问，为什么非要用人力来完成结构设计呢？直接用计算机算不可以吗？科学家们当然想到过用超级计算机来计算蛋白质的结构。但是，蛋白质的变化实在是太多了，多到超级计算机也难以完成如此庞大的计算任务。这种情况下，游戏玩家的优越性就突显了出来。人类可以高效地识别出哪类组合是完全不可能的，从而过滤掉大量无用的选项。这个过程有点像是下围棋，虽然围棋的变化数比宇宙中的原子总数都要多，但大部分时候，我们在下棋的时候直觉会告诉我们：值得落子的地方，总是只有不多的几个而已。
现在，我们已经在用大数据+人工智能的模式来设计材料，这样就可以把有限的计算能力，用在最有价值的方案的筛选上了。这就是现在材料研究中流行的理性设计法。只要把量子力学当作设计材料的第一性原理，我们就能预测出具备某种结构的材料，会具备什么样的化学性质。
但是，理性设计仍然只是一个好的开始，更加困难的是材料的制造。大部分有神奇特性的材料，在微观尺度上都有着不同寻常的结构。即便我们完全清楚这种材料的微观特征，想要把它们制造出来，也是一件很不容易的事情。
石墨烯是一种天然材料。简单说来，如果能从石墨片表面撕下 1 个碳原子那么厚的薄薄一层，我们就获得了石墨烯。如果把无数层的石墨烯叠在一起，它就又变回了石墨。
图：石墨烯
通过计算可以得知，一平方米石墨烯的重量，只有 0.765 毫克。但是就是这张只有一个碳原子厚度的薄膜，却能够承受高达 4 公斤的拉力。如果石墨烯薄膜发生破损，只需要用含有碳原子的物质接触它，它就能进行自我修复。石墨烯还有一大堆的神奇特性，比如石墨烯薄膜有着超高的透光率，它们看起来几乎就是透明的。石墨烯还有极好的导电、导热性能。所有这些优秀的特性，都让科学家们垂涎欲滴。
早在 1948 年，科学家就通过电子显微镜观察到了很薄的石墨样本。但是，在当时的条件下，人们根本无法确定，电子显微镜下的石墨薄片是由几层碳原子叠加而成的。
在后来差不多半个多世纪的时间里，科学家们想尽了各种办法，希望能够获得石墨烯。这些方法包括氧化还原法、取向附生法、化学气相沉积法等等。但是，这些方法制造出来的石墨烯，要么就是不够均匀，要么就是成本过于高昂。
更多科学家钟爱的方法，还是简单粗暴的机械打磨。如果能直接把一块石墨磨成 1 个碳原子的厚度，那剩下来的最后一层就是石墨烯了。
2004 年，英国的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃瑟洛夫发明了一种非常简单的方法。他们用胶带粘住石墨，再撕开，石墨就被撕成两片，再粘住，再撕开，胶带上的石墨厚度就再次减少为原来的一半。这样反复多次操作之后，胶带上的石墨层就只剩下一层了。最后，他们再用溶液把胶带溶解掉，就得到了石墨烯。
当然，你不要试图用家里的胶带复现这个过程，说起来容易做起来难。当石墨薄到一定程度时，就是完全透明的了，你根本无法看到胶带上是否还沾着石墨。但它的原理真的是极其简单的。就是凭借这种简单有效的石墨烯制取方法，这两位科学家获得了 2010 年的诺贝尔物理学奖。
但是，这种制取石墨烯的方法依然有缺陷。虽然理论上，使用胶带总是可以把石墨一分为二，但是，胶带上的胶也并不总是均匀的，这会导致石墨烯薄膜的完整性被破坏。这种方法制取的石墨烯通常都是几微米大小的碎片，而不是完整的一大片薄膜。这样的方法如果想要实现大规模生产，仍然是困难重重。
所以你看，仅仅是制造石墨烯这件事情，就已经让科学家绞尽脑汁了。现有的石墨烯制取方法，根本就没有一条确定的技术发展路线，完全就是百家争鸣、百花齐放的状态。这正是材料科学不太体面的地方，我们即便掌握了量子力学、大数据和人工智能，我们用的方法，依然还是爱迪生的老路子，那就是反复不断地尝试。
有人认为，在材料科学领域，低垂的果实已经越来越少。只有那些在微观尺度上极度随机的结构，才是容易得到应用和量产的，比如那些不沾水的布料和不沾油污的涂层。对于微观尺度上高度有序的材料，比如石墨烯，我们只能靠碰运气的方式来寻找制造它们的办法。如果找到，那就是人类的幸运，如果找不到，也只能接受现实。这也是很多神奇材料在实验室里存在了很多年，也没能走向市场的重要原因之一。
不过，我们也不用太过悲观。有一种结构非常复杂的纳米级材料，我们已经持续稳定地量产多年。而且，我们还在不断地挑战着这种纳米材料的尺度极限。你能猜出这是什么材料吗？——计算机芯片。
计算机芯片确实可以算作是一种特殊的材料。它特殊的微观结构让它在通电后可以具备计算、存储等神奇的功能。最初，由于对计算机性能的强大需求，让我们发明了光刻技术。现在，光刻技术已经反复迭代，可以挑战性地创造出小于 5 纳米尺度的微观材料结构了。
如果有某种材料的附加值可以达到与计算机芯片一样高，那么就可以动用光刻机或者类似的技术来生产它。目前看来，如果想在宏观尺度上操纵微观结构，激光是我们最好的工具。现在，利用激光在微观尺度上操作，最大的问题依然是慢。提高效率的办法，就是让许多互相平行的激光束同时工作，就像是刻图章一样，一下子就把我们需要的一大片结构刻在材料上。虽然以目前的技术水平让很多束激光完全平行一起工作，还面临着不小的技术困难，但这里并没有任何科学原理上的限制，我们只需要耐心地等待技术的提升就行了。
除了光刻技术，还有另外一种制造材料的思路，那就是利用微观上的量子力学规律，让材料实现微观层面上的制造，或者自组织。
生命体内的 DNA 和 RNA 分子，就是一些非常神奇的材料。这些材料能够在极小的尺度下记录海量的信息。还能够利用这些信息，通过自组织的方式来创造各种各样的蛋白质。
还记得开头提到的用于替代缝合的胶水吗？这种胶水，就是利用化脓性链球菌分泌的一种蛋白质制成的。皮肤和肌肉组织都是由蛋白质组成的，想要把它们粘合起来非常困难。但是这种特殊的蛋白接触到组织细胞的时候，就会与周围的蛋白质形成牢固的化学键，这就起到了粘合的作用。
用这个思路，我们还可以有针对性地设计出各种各样的胶水。比如说，某种胶水完全不沾手，但是却可以牢固地粘合金属或者陶瓷。我们可以提前在计算机中设计出这些蛋白的结构，然后再通过基因编辑技术，把某些细菌改造成生产蛋白质的机器，从而量产这类蛋白。
由此可见，在新材料研发上，我们现在面临的最大困难是我们无法随心所欲地在原子层面上操纵物质的结构。
我们已经具备了大量的理论基础，科学家们也很清楚目标是什么。以石墨烯的生产为例，科学家们早就知道石墨烯的存在，也知道它的结构和特性，就是没办法完美且廉价地生产它。
另一方面，在基因编辑技术上，虽然我们已经能实现基因的敲除和剪切，但这些技术都用了一些巧妙的方法，来进行相对粗糙的基因剪辑工作。想要把工作做到精确的编辑一个碱基，现在我们还很难做到。
图：A. Ashkin
观看了这个实验后，阿什金[6]在贝尔实验室的同事，华裔科学家朱棣文大受启发。朱棣文立即投入了相关的研究。他发现，激光的压力可以让高速运动的原子和分子减速，并且让它们冷却下来。他用来自不同方向的多束激光，把原子控制住。1997 年，朱棣文幸运地凭借着激光冷却和捕获原子的方法，先于阿什金获得了诺贝尔物理学奖。
图：朱棣文
2018 年，已经 96 岁高龄的阿什金[7]，终于等来了他的诺贝尔奖。他发明的光镊，也是目前最有希望的一种制造原子操纵机的技术原理。
在原子操纵这个技术奇点被突破后，制造一种材料将不再是一件困难的事情。
在量子力学理论、大数据和人工智能的共同驱动下，对新材料进行理性设计，已经成为新材料设计的新范式。只要我们能够通过计算，来设计出一种新材料，我们立即就可以尝试生产它。在这个阶段，一种新材料能否大规模生产，仅仅取决于市场对这种材料的需求。
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我们可以随意开几个脑洞，大体上感受一下新材料对我们生活的改变。
脑洞 1
未来的高分子材料可能永远不会老化，更不会磨损。它们可以自动修复表面和内部的伤痕，而需要的原料只不过是空气中无处不在的二氧化碳和水而已，就好像植物利用光合作用可以将空气中的二氧化碳转换成各种有机物一样。
脑洞 2
脑洞 3
新材料会让我们对太阳能的利用效率大大增加，甚至远超过植物的光合作用，这可以让人类直接摆脱对化石能源的依赖。建筑物的外墙完全用可调节透光度的太阳能电池板来建造。人们可以根据需要，来调节进入室内的阳光强度。多余的阳光，则可以高效地转变成电能储存起来。大规模使用太阳能电池板还能够减少楼体放热，改善城市热岛效应，让城市的空气更清新。
在这个新时代里，制造业可能会有这样一句流行语：能用材料解决的问题，就不要制造机器。这句话确实没错。如果你家的地毯可以自己除尘，那还要吸尘器吗？如果你家的玻璃可以自净，那还要擦窗器吗？如果你家的墙体本身就能帮你调节温度，那还要空调和暖气管道吗？
新材料不仅会全面地改善我们的生活环境，还会深刻地改变我们的衣食住行。曾经有一句话：工业时代没办法用水和泥土制造出苹果，但是苹果树可以。但是，到了新材料爆发的新时代，我们也可以自信地说：苹果树能做到的，我们也行。
无论我们如何大开脑洞，我们所能想到的改变，也只是真实未来的冰山一角而已。可以说，一种新材料，浓缩了用于设计和生产这种材料的全部科学技术。对于普通人来说，材料真的就像是某种魔法。人们只是知道这些材料具备着各种各样的神奇特性，却可能永远不知道为什么。
如果用一句话来概括新材料，大概可以这么描述：这是来自量子世界底层的最本源的力量，一旦这股力量被充分挖掘出来，我们的世界真的会像魔法世界一样神奇。
关于新材料的畅想就到这里。在最后，我又要公布今天的知识彩蛋了。
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提问
我们在开始时提到的“比氦气还要轻的石墨烯气凝胶”是怎么制造出来的？