2018世界科技創新論壇大會:新材料―製造業增長引擎
2018年08月11日18:10
Dan Shechtman,2011年諾貝爾化學獎獲得者、以色列工學院教授
Dan Shechtman,2011年諾貝爾化學獎獲得者、以色列工學院教授

  新浪科技訊 8月11日消息, 8月10-12日,世界科技創新論壇在北京會議中心舉辦,包括Kip Thorne、Thomas J.Sargent、Michael Levitt、朱棣文在內的20餘位諾貝爾獎獲得者,以及曹春曉、美國國家工程院院士陳剛等諸多中外頂級學者專家應邀出席,共同打造史無前例的中國最高級別智慧盛宴,探討全球科技創新成果、描繪未來中國科技創新藍圖。

  我們需要新的材料才能滿足在航空、汽車、生物可降解方面的材料,在這些方面還沒有我們有的最優的材料,所以我們現在仍然在等待這些新材料的出現,而這是一個不斷演進的過程。同時有一些材料是等待著新的應用,比如CVD鑽石,鑽石是一個非常好的材料,是最好的熱傳導器,比銅是4倍,也是世界上最硬的材料,而且是透明的。它對很多的光譜都是透明的,與此同時它是非常好的一種材料。

  以下是演講全文:

  今天我要講一講材料科學和工程學方面的挑戰。如果你想要知道我們現在在材料科學和工程學方面需要什麼,大家科技到英特網上去看一看,一些大的機構,他們想要去找什麼。比如說我們可以去美國國防部的網站,問一下他們現在需要什麼,他們會告訴你什麼呢?他們想開發一個結構性的多功能的材料,想要開發能源材料和發電材料,還希望能有電子材料和光子材料,功能的有機的材料,來自於生物以及生物啟發的這些材料。那麼這些是他們希望在未來幾年能開發出來的材料。從今天我的發言中,我會告訴大家,我們在材料科學方面取得了什麼樣的進展。

  首先我們看看現在要花多少時間傳遞信息呢?以及花多少時間傳輸人和商品,我剛剛從以色列來,從香港轉機,花很久的時間才到了北京。但如果給我一條微信信息發到我的手機上,可能只有一秒的時間。為什麼這樣呢?60年前和今天,1950年代的時候,超過60年前的現在,我們要傳輸物品、商品,從北京到巴黎,可能需要一天的時間通過飛機,而現在還是一天,沒有發生什麼變化。但如果你的信息想要傳遞,比如你寄給巴黎的一封信最起碼一週的時間吧當時,而現在只有一秒鍾的時間,為什麼?為什麼我們現在可以這麼快的傳輸信息,而商品的傳遞方面幾乎一百年沒有什麼速度上的變化,這就和物料科學有關,以及眼界和革命,或者說變革有關。我們說結構性的金屬,它是一個演進,而矽的技術是一個變革和改革,這個是帶來很大的改變。

  我講講材料方面的應用,我們需要新的材料才能滿足在航空、汽車、生物可降解方面的材料,在這些方面還沒有我們有的最優的材料,所以我們現在仍然在等待這些新材料的出現,而這是一個不斷演進的過程。

  同時有一些材料是等待著新的應用,比如CVD鑽石,鑽石是一個非常好的材料,是最好的熱傳導器,比銅是4倍,也是世界上最硬的材料,而且是透明的。它對很多的光譜都是透明的,與此同時它是非常好的一種材料。幾年之前我們只有天然的鑽石,如果我們有大量的鑽石的話,那麼這是一個非常了不起的世界。真的嗎?現在我們有了技術可以生產任何規模任何大小的鑽石,通過CVD生產鑽石。但你對此能真正利用,應用是非常少的。

  還有準週期性材料,這是我的研究,它仍然是有很多很有意思的特點,在尋找這些新的應用。當然現在鑽石和這些材料都有應用,但還不多。我們現在來看看這一方面的應用,比如民航,這是1950年代時候的一個飛機,差不多是70年前的一個飛機了,當時是世界上最好的機型,可以跨越大西洋的飛機,而現在我們有787的波音飛機,它做的事情和七十年前一樣但速度會更快,但沒有更快。當然波音可以做很多其它的功能,但和當時的機型沒有太多速度的變化。

  其實60年以來,我們可以看到飛機的引擎在得到改善,那麼一方面更加安全,比如每一百萬飛行的事故率改善了90%,所以現在是非常非常安全的,比開車還要安全。另外相對於重量的推動力改善了350%,現在的引擎是非常好的。另外燃油效率也得到45%的改善,引擎的噪音降了35db,現在變的更好了,可以看到飛機也變的更好了。飛機現在可以飛的很遠很廣,可以飛人飛商品,比如你在中國從任何一個城市可以飛到任何一個城市,每個人都可以飛,而且價格是比較合理的,每個人都可以做到這一點,所以飛機的通行現在是合理的價格,很多人都可以飛,很多的飛機公司都在競爭獲得客戶。

  問題在哪裡?首先我們的飛機速度還不夠快,特別是和以前相比沒有快太多,而且門對門的時間,其實和60年前是差不多的,當然如果你包括比如說安檢時間的話,這個時間就會更長。比如你要在起飛前2~3小時就到機場,但在以前可能你並不需要前3個小時就到達機場,所以門對門的時間並沒有太多的改善,要解決這個問題需要更好的高溫材料,可以進入到飛機的引擎當中非常熱的部分,這樣的話飛機可以飛得更快。

  這種材料演進的機會是不錯的,也許我們可以最終通過演進到達那邊,但是這個革命的可能性是非常少的,我們預計在這樣一個材料科學方面不會出現革命性的變革。我們看一下對於新材料的開發、運用與現有的應用是非常長的,而且需要花很多的精力,找到正確的合金應用是第一步。找到這個材料只是剛剛開始而已,整個流程可能會花很長時間,而處理一個新的合金是下一步,而且這需要很多的努力,包括智商上和財力上,這樣的流程可能會花很多年的時間。

  比如說,鈦化鋁是鈦和鋁的化合物,三鋁化鈦和鋁化鈦,這可能是有用的材料,我也做了很多年前的博士研究,是七十年代的時候。我當時就研究了這些材料變形的過程,我們去瞭解這些材料,也知道它們的組成。

  我們從50年代的時候就知道材料的組成了,我們知道鋁化鈦加上其它一些材料,我們就可以組成一個比較好的材料,我們從50年代的時候就知道了這一點。但一個引擎公司拿了一個新材料來開發這種材料,大家想想發生了什麼,要把它放到飛機的引擎當中。過了幾年之後,整整過了40年的工藝流程,我們找這個材料很快就找到了,但是它的處理流程、工藝流程花了40年,而這家公司是一家非常強的公司,非常有能力的公司。那麼這樣一個產品開發的過程,就是我所說的汽油車到電車、動車。Tesla已經走到前沿,日本、韓國、德國也在開發這些車,但到現在為止我們還沒有一個完美的電池,為什麼是電池呢?這是福特的T型汽車。

  這個車能做的事情現在的車還做不了呢?因為當時路不好,所以福特車在車況非常不好的時候設計的,這個車底盤非常高,路況很不好的時候可以開。但現在的車,路況很好,所以我們看Tesla的車底盤是非常低的,這些車在以前的路上是開不了的,只有T型車才能開。電池這一塊,我就跳過了,直接講一講生物可降解的假體植入物。

  我們都知道有一些人有心臟的問題,他其實有很好的解決方案,不需要做開胸手術,才能解決血管栓塞的問題,可以放一個假體進去,飛機短的時間病人就能醒過來,沒有什麼傷害。把這個假體放進去,撐開,血管栓塞就解決了。但血管會收縮、擴張,每一次心動的時候都會這樣,但支架不會這樣做,所以它可能會有一個慢性的問題,如果你有一個生物可降解的假體就可以解決這個問題。比如血管栓塞解決之後,這個支架就會消失,會降解,不再會有任何的參與,所以不會有慢性病留下來。很多情況下這種假體最好是生物可講解的。

  現在使用最好的材料就是不鏽鋼,但這種材料現在卻不是生物可降解的,如果使用生物可降解材料的話,要麼是使用鎂鋁,為什麼鎂鋁不好用呢?因為溶解的速度不夠,聚合物不好用是因為強度不夠,所以現在沒有什麼好的解決方案,在支架上仍然尋找更好的材質,讓它實現生物講解性。

  材料方面有什麼趨勢呢?前面我談到鑽石,也談到CVD鑽石,今天因為時間有限沒有辦法給大家介紹俄羅斯的科學家大衛的研究成果,他可以說在科學家引起了一場風暴,他在50年代發明了,有一天說可以從氣態狀態中生成鑽石,其實說的沒錯,現在可以通過CVD可以來生產鑽石,任何的量都可以生產出來。

  下面我們來談一談準週期材料,準週期材料有著特殊的特性,比如在導電性、絕緣絕熱方面,低溫下面,它的導電性會降低,它有很多我們現在具體的材料中的應用,下面我想給大家講一個我想要給大家聊一聊的話題。

  青銅時代,大概公元前1200年,人類就發現了鐵,開始使用鐵。但是鐵和當時的這種青銅相比,強度不夠,所以幾千年以來即使鐵發明出來了,人們也更願意使用青銅。直到公元前8世紀發現在鐵裡面加入少量碳,就會形成鋼,鋼這種材料是非常非常好的。直到今天我們在建築領域大量使用鋼材,過去很多汽車也是使用這種鋼材的,現在很多都是使用塑料材質了,但在建築行業在工廠裡面,使用很多的材質就是鋼。可以說鋼是現在使用的非常重要的一種金屬,還有是合金。一開始鋁發明出來的成本比製作黃金還要高,但後來找到一種辦法可以從礦石中製作合金,成本大降低,所以鋁大幅度應用。

  後來NASA想要發射一個航天器向太陽進軍,因為太陽溫度非常非常高,靠太陽越近溫度越高,如果今天走到室外的話發現溫度很熱,如果離太陽越近的話這個溫度會越來越高。NASA這個航天器究竟能離太陽多近呢?最高的溫度是1370度,這個問題已經非常高了。但如果這樣的溫度下如何保證航天器受到保護不受影響呢?這裡面需要使用碳這個合成物,外面有石墨烯的板,這個是目前使用最好的材料,可以絕熱,可以保持內部溫度30度左右,保證航天器內部正常運作,而外面塗成白色來反射輻射而不要吸收輻射。

  航天業的革命是由萊特兄弟發起的,1903年萊特兄弟試飛第一架飛機,當時的引擎就是使用鋁,生產鋁的這家公司直到今天仍然非常成功。裡面加入80%的銅,但他們當時不知道為什麼這麼好,當然我們現在知道了。當時知道這種鋁銅的合金特別適合做飛機的引擎,現在很多汽車的引擎也是使用這種合金。

  現在可以使用金屬的3D打印了,我們叫金屬的增材製造,但是增材製造現在所生產的這個產品還不夠好,速度還不夠快,成本還不夠低。但是我們已經看到了這樣一個趨勢,我們現在正在經曆這種漸漸的變革,我們已經看到了這個隧道盡頭的曙光。

  另外一種加工工藝是叫擠出工藝,通過這種擠出工藝你可以生產出更加精細的這種金屬材料,讓它獲得更加優異的性能。

  最後,在今天的技術中,最大的一個限製就是材料技術方面的的缺乏,我們祈禱著在材料學中也能起到所謂的革命,而不是漸進式的緩慢發展。謝謝大家。

  劉科:非常感謝精彩的演講,關於材料方面的。下面我們請下一位諾貝爾獎F.Duncan M.Haldane,他畢業於劍橋大學,1978年獲得博士學位,他的博士導師安德森也是一個諾貝爾獎獲得者,他之前在法國的一個研究所,南加大貝爾實驗室和UC工作,從1990年開始,從普林斯頓一直做物理,於2016年獲得諾貝爾物理獎,剛才跟他聊天的時候,有幾位凝聚態物理,我們中國的溫小剛也做這個,我們大家也可以關注一下。現在我們歡迎F.Duncan M.Haldane。

  F.Duncan M.Haldane:非常感謝邀請。前面F.Duncan M.Haldane已經談到了材料學的具體的應用,下面我想談一談理論方面的話題。我所介紹的就是量子力學中的玩具模型。這種玩具模型和真實的材料其實是有很多的聯繫的。那材料科學家可以通過這種玩具模型來開發出新的材料,讓這個材料具備獨特的量子特性。

  量子力學其實是一個老學科,有著90年的歷史了。量子力學的原理在1932年基本上完成了,到今天基礎原理沒有發生太多的變化,量子力學的原理都經過驗證證明是正確的,但是既然知道量子力學的原理,也不意味著我們瞭解量子力學的所有現象。比如說麥克斯威爾在1864年完成了電磁力學的公式,但是電磁的應用在多年之後才問世。

  比如說過去幾十年,我們知道有一些光鎂的晶體就使用了這種電磁定律。當時英國的首相格拉斯頓問說:你發明了這個有什麼作用?麥克斯威爾說:我也不知道,但是未來可以通過電磁定律給政府帶來稅收。在80年代我們對量子力學有著越來越多新的瞭解,尤其是對凝聚物物有了越來越多更深的瞭解。我們發現一些凝聚物的具備,我們之前沒有預料到的拓撲態,這是很多人沒有想到的。因為當時認為有了充分的理解,但是發現有一些意想不到的事情出現。

  之前50年代由費曼研究量子信息理論,之後有一些不同的動態的差異,包括凝聚物質、原子、物理學等等都影響到了量子力學,所以很多人說在量子力學面臨第二場革命。我們現在有能力對物質的量子態進行精密的控製和調整。這樣一來也可以讓我們開發出新的處理信息技術。我對於這表述還是有一點點懷疑,因為我們不知道未來量子方面的進展有多快,因為現在仍然沒有真正製作出運用量子力學的這種高級的設備。

  我想講的一個關鍵的要素就是隨著量子力學的深入瞭解,新的材料將給我們帶來新的可能性。我們也會在這樣一個基礎上產生新的技術。在這個過程中肯定會出現意想不到的研究結果出現。一般來說,我們講到bit要麼就是開要麼就是關,你也可以把它當成大量的自旋,要麼是向上要麼是向下,但是量子信息對於信息的狀態不一樣。一個自旋的我們叫做q-bit,是可以在部落後球面中指向任何一個方向。不像傳統的只有開和關、上和下,這是量子力學的信息儲存的基礎理論完全不同。

  一個關鍵的原理是叫做量子糾纏。20年前凝聚物質學家還沒有開始研究纏繞問題,愛因斯坦也說在量子力學可能會出現這種糾纏現象,但是現在隨著對於量子糾纏越來越多的瞭解,未來量子計算它將扮演一個重要的作用。愛因斯坦講到量子力學的時候,他覺得這樣一種理論,糾纏理論太瘋狂了,那當然了,愛因斯坦是因為這個效應獲得諾貝爾獎的,但是到1935年的時候,他對量子理論持反對意見,他說量子的糾纏太奇怪的。薛定諤給出一個定義叫量子糾纏,通過這個概念來描述粒子之間的關係。量子力學的基本原理是泡力不對等原理,兩個量子力學不可能在一個同一個狀態下。我們知道電子狀態取決於旋轉的方向,電子之間的化學件是由兩個電子組成的,而且是反向旋轉。所以可以佔據同一個空間,只有這樣才能形成所謂的化學件。這個化學件也就是這個電子之間量子纏繞的一個基礎。

  愛因斯坦就覺得有著這種化學件的時候會有量子糾纏,但是隨著電子距離越來越遠,那可能是不會出現這種所謂的糾纏。他覺得這違反了基礎的一些原理。但是在愛因斯坦提出這個問題之後,另外一個學者,他當時和愛因斯坦進行了很多合作,他找到了《紐約時報》把愛因斯坦的言論發表出來,說愛因斯坦他不認可這個量子力學,當然愛因斯坦對這篇文章非常憤怒,覺得不應該把私事爆出來,但是不管怎麼樣,在1935年的時候確實是一個轟動性的事件。

  這裡面提出來EPZ(音),愛因斯坦覺得這個不符合廣義相對論,但是後面的學者做了深入的研究,在80年代,由法國的科學家Aspect做了這樣一個研究,發現EPZ完全符合所推導出來的理論。距離越遠,這樣的化學件越脆弱。當然,光子也有不同的偏正態。它就是阿斯配使用偏正態做實驗,兩個不同偏正態的光子來研究他們兩個的糾纏狀態。後來,去年在中科大的這個潘建偉教授也在衛星上實現了量子信息的傳輸。EPA就表明量子力學沒有錯誤,量子纏繞是存在的,但是八十年代凝聚物的科學家對基礎的性質和電磁認為應該表示瞭解,但是沒有涉及到量子糾纏。但是後來這個時刻他們發現凝聚物有兩個獨特的特性,一個就是量子霍爾效應,這個是由蓋樂森所發現的,當時我沒有意識到他跟我研究的一個聯繫。我是發現的這種拓撲的量子態。

  在一開始的研究之後,我們發現其實我們研究的這兩個獨特的性質,其實都是遵循同樣的原理的。在過去十幾年我們找到了很多的拓撲態的量子物質,這裡面的關鍵就是量子糾纏導致了一些物質表現出獨特的拓撲性質。

  什麼是拓撲物質?它和傳統物質不同,因為首先它有著這種糾纏的特性,而且由整數進行描述。一般普通的物質,它只是由1和0這些數字來描述,而量子態的物質是由其他的這種獨特的整數來描述的。比如說如果有一個物質的一個狀態可以用-2來表示,而傳統的物質用0表示,兩者之間存在一個邊界。也就是說從傳統物質會轉化成拓撲物質,中間有一個界限。

  我們發現了一定的自由狀態,往往它是在正常和拓撲物質的邊界出現。在1980年之前,人們在研究材料的時候,發現邊緣沒有什麼特殊,但是如果是拓撲物質的話,它是沒有破裂的對稱的,它的內部跟外部沒有明顯的差別。但是,我們認為拓撲物質跟普通物質之間是有邊緣的。材料的拓撲狀態不能持續改變,正是這個特點,使得拓撲物質對於雜質有很強的這個魯棒性。這個跟一般的物質性質不一樣,比如說矽片的生產要在非常幹淨的淨室內生產,因為灰塵會破壞矽片,可是拓撲物質不怕,至少灰塵量不是太大的灰塵。

  在數學裡面,我們把接近表面的時候對它看,它的這個洞的數量比如說,比如說足球,你可以拉扁成美國足球或者是橄欖球,沒有改變拓撲性質,但是改變了形狀,中間碰一個洞,這時候實行很多的力才能改變。所以有一個閾值,另外我們說拓撲狀態下是一個整數,不是一個持續的變化。

  高斯偉大的數學發現,他做出來一個非常重要的數學發現。高斯理論,邦耐特幫他寫下來後來被證明了,這是一個高中數學的例子。一個球面,我們知道球面的面積是4π的平方,把它的曲率球面結合在一起,得出這樣一個等式。但是高斯和邦耐特,對任何一個形狀,只要是不破洞,這個答案還是正確的,不一定非得是非常標準的球。但是如果穿了一個洞,它就不一樣了。所以我們最開始研究拓撲物質的時候,特別喜歡用咖啡杯來做比較,就是咖啡杯和我們從球變成甜甜圈,到最後的鹹餅乾,一個咖啡杯沒有把,到有一個把的咖啡杯,到有兩個把再到怎麼樣。而真正的像有三個洞的德國的鹹餅乾,我不知道能不能打這個比方,有三個把的杯子,就叫做“加州友愛杯”,這當然是開玩笑了。這個比方變得更精確了,這裏要感謝陳省身數學家,他將高斯博內公式進一步歸納,允許它可以用來解決量子問題。

  我們說哪一個數學獎相當於物理學、化學這種諾貝爾獎呢?有人說是菲爾茲獎,也有人說是CHEN獎,相當於是數學界的諾貝爾獎。近年來我們意識到量子凝聚態具備了一些奇異的性質,能和遠距離的量體纏繞有關。這裏我們把簡單的纏繞,把它一拆為二拆成兩個部分。我在做完一邊的測量時候不會影響另一邊的樣本的自由度。我們把這些非簡單纏繞的材料,會發現它們有一個邊緣狀態,如果一切為二,首先系統會經曆纏繞,那麼它的邊緣狀態是存在的。因為你首先要終結它的纏繞狀態。就像你要把北極跟南極分開是一樣的,把量子態的物質一分為二的時候,那麼這時候往往會終結它們之間的糾纏。

  我們知道,在拓撲上非簡單的狀態的物質,它可以通過把原子放在一起組裝起來,那麼整個過程中,它的電子都是直間連狀態,我們在組裝的時候,電子是相互間連的,距離非常遠的電子和聚在一起的電子之間發生變化的時候需要施加外力。這時候要跟原子狀態的這個性質有關。

  我們回顧歷史來看一些早的計算,這拓撲絕緣體的表現。這跟肖克力1939年的計算有關,這也一種意為的固態,看這張圖。這裏有一個間連的狀態,將原子聚在一起,它會有一個合在一起跟分開之間的邊緣狀態。如果電子的數量和我一開始組裝起來的數量是一樣的,那麼它會在這兩種狀態中間,那麼它只能是多一個電子或者是少一個電子,你會發現一半地電子在一側,另一半的電子在另一側,這也是我們講的局部分解化的一個特徵。

  到了1981年,我開始研究磁力。我遇到了很奇怪的狀態,這個狀態和一般我們講的磁性的研究非常不一致。一般來說,我們說自旋,如果是有磁性的話,那它一般是對稱的。那麼在一維的情況下是不可能的,但是人們以為局部是可能的。但是事實上如果你有一個整數自旋,如果是它們就像是這個實現了纏繞,每一個電子是它自旋一半。在鏈的邊緣有一個賸餘。當時我是很吃驚的,因為我是從新視角看這個問題。用新視角看問題能帶來新的發現,雖然熟悉的現象,但是要用不同視角看待它。

  從這個角度來說,傳統的這種磁性告訴我應該得出一個結論,但是實際上我觀察到的不是這樣,一下子我們重新檢驗我們的傳統智慧。有一些時候人們會習以為常,你習以為常的東西是錯誤的,或者是錯誤的解決了原有的模型。當時我們重新去檢視了很多已有的模型的解讀。當年還有不少人因為我的研究而感到沮喪。我們說理論學家的理論之爭最後都會得到材料的檢驗,實踐學家也喜歡用實踐證明誰是對的誰是錯的。所以我們做了一些樣本模擬理論的問題。

  人們設置了一個有機鏈,當實驗結果證明了這一點,對我來說是好的,證明我是對的,這種理論之爭才有意思。當時引起了很多人的興趣,所以一下子產生了一個非常有趣的研究學派。

  打的比方相當於一群人是纏繞的,就相當於人們都是手牽著手,你會發現在邊緣總有人的手是空著的,兩個邊緣都有人的一隻手是空的。我因為這個得獎了。我時間不多了,再後面講講其他有趣的研究。

  那量子霍爾效應也是有關拓撲的有趣研究,我們知道它是拓撲性質的,但是我們認為邊緣的狀態是證明它處於拓撲狀態的關鍵。那麼這裏跟我一起得諾貝爾獎的人是一個數學家,找到了非常棒的數學公式,能用這個數學公式來解釋它的曲率。他也驗證了前面講的高斯定律。我們以前覺得量子霍爾效應是不存在磁性的,但是通過玩具的石墨烯的模型,我們發現1988年提出的這個玩具模型當時花了好多年才成熟,我們看到了它出現了拓撲絕緣材料,我們想這是一個具備磁性的拓撲絕緣材料。在北京,當然不是北京大學,是清華大學在沒有磁場的情況下,仍舊具備非常漂亮的邊緣狀態,現在可以把超導體放在上面,因為不存在磁場,它有很多應用的前景。這裏打一個比方,一個方向的高速公路怎麼樣去管理它,分成幾個車道,一個走這個方向,一個走另一個方向。這個系統是很有意思的。

  最後是量子計算了。最早,它是一個最初的版本,是由兩個教授來計算說用於量子計算,這裏的信息是存儲在糾纏狀態中,所以量子計算這個拓撲量子計算可以發生在糾纏中,可以在糾纏中去處理。我們說信息可以藏在非局部的地方,我們來看量子比特,如果說它們的距離非常遠,這樣的話就可以不受局部的影響,我時間差不多了,要結束了。

  可以在它們的糾纏狀態下存儲信息,這個跟量子計算有關,而且現在微軟公司願意花巨資開發這個平台,一維的拓撲的超導材料,現在也在開發2D平台,但是目前還沒有突破。其實背後的理論已經準備好了,那麼今天我們說微軟的項目它背後還是我們講的玩具模型,它具備的特性跟我們講的自旋鏈模型是類似的。這時候還有一個費米子,電荷被超導給拿走了有兩個半個的費米子,在模型中可以把它和超導體結合,它們可以重新跟鄰居握手。

  剛才我跟大家介紹的就是微軟在做的一些實驗,我們有其他很多不同方法來使用量子信息學的理論來做出一些立方體。我們都不知道最後出來的技術是怎麼樣的,但是因為有那麼多人,那麼多的錢投資在那邊,所以我們會看到有各種各樣的新的開發現在正在進行當中。我不知道最終回出來什麼,但是我現在越來越有信心,我們會有非常有意思的東西學到,可能會有第二次的一次新的技術出來。

  最後給到大家的信息就是這些信息它其實是來自於三個最基本的要素,一個是玩具模型,就是把非現實的但是可以計算的玩具模型,其實非常關鍵,幫助我們發現很多的這樣一些效應。在這個之後是一些數學的原理,包括CHNE的原則,對數學家來講,不知道物理學方面的玩具模型,是一個非常深的數學原理。最後一個是最先進的一些物料科學,材料科學,把玩具模型變成現實。最後我們講的剛才的這些東西,它其實是之前完全沒有預測到的,所以我給這邊的研究生或者是相關的研究人員一條信息,就是你真的是一個非常聰明的人,但是有的時候不一定有足夠的運氣碰到一些的新的技術發現。所以,我覺得在任何做基礎研發的人,都是有潛力的,是可以獲得諾貝爾獎的,因為你可以是,也許你這個怎麼說呢?就像你走路的時候不聽踢小石子的,總有一天會踢到鑽石,但是不逆向下看會錯過,有運氣的時候會加上一些準備,但是你有想法的時候會遭受一些質疑,這是我給大家的一個承諾。謝謝!

  劉科:下面我們進入對話環節,我請四位嘉賓上台,找到你們的位子。中國科學院大學的副校長和漢德工業促進資本主席蔡洪平先生來介紹一下。下面環節請中方的兩位嘉賓每人先花5-8分鍾時間作個簡單介紹,然後大家來問問題。

  先介紹一下中方的嘉賓,蘇剛教授是中國科學院大學的副校長,物理學特聘教授,國家傑出青年基金的獲得者,獲得學位以後先後在紐約、日本等大學從事工作,也是凝聚態物理方面的,中國很多學者做了很多這方面的工作,這塊是中國跟世界接軌比較近的地方。

  另外我們請來了多年在華爾街幫中國民企和國企上市的蔡洪平先生,蔡先生也是中國在金融界很知名,剛才我們聊的時候有很多共同的朋友,李山、張宏利(音)、汪潮湧等等,有些甚至都是他的部下,幫助很多的民企,包括好朋友的公司,鳳凰網劉闖他們上市都是在華爾街德意誌銀行時候一起做的,很高興蔡先生今天跟大家一起分享。

  首先請蘇剛教授,中國科學院大學的副校長跟大家分享5-8分鍾時間。

  蘇剛:謝謝,因為剛才兩位諾貝爾獎講的跟材料都有關係,第一位的Dan Shechtman:教授講的是種金獲得的諾貝爾化學獎,是非常重要的發現。第二位獲得者F.Duncan M.Haldane教授是講的拓撲材料,從凝聚態物理尤其是量子物理隱身發展的,現在拓撲材料對未來的量子計算,尤其是拓撲量子計算有很重要的應用。

  我們這個部分的主題是新材料先進製造的新引擎,我的發言主題是說因為先進製造需要材料,材料從哪來?新材料從哪找到?所以這是一個非常艱巨的任務。我的發言的主題是說新材料從經驗探索到可預測的設計。

  大家知道,材料是構建我們社會發展的物質基礎,從最初的從天然材料的遠古時代,到後來用火,製造青銅器和鐵器的時代,我們有了很多的文明,再逐步利用物理、化學的原理人工製造材料,到了工業革命時期,這裡面高分子材料和復合材料等等,再到今天的信息時代和大數據時代,這樣的話在這個時代人類可以利用先進的計算機技術,結合量子力學的原理計算、設計、預測材料的性能,這些都表明人類社會的發展時期往往是以材料的發展為標誌的,可以說人類社會的發展史就是材料的發展史,材料是製造的基礎,先進製造更要充分利用性能優異的新材料才能夠實現。另一方面,才能的合成和應用也是推進科學技術迅速發展的主要原因,新材料的開發對推動新材料的製造、科技發展乃至人類文明進程都是至關重要的。

  說到新材料的研發,常規的材料研發大多是通過知覺或者是經驗的探索,或者是偶然的因素實現的,無論是從天然材料的提純到合成材料,還是從單一材料到復合材料,人們經驗從中起到很重要的作用。新材料從最初發展到最終大規模應用需要10-20年,甚至更長的時間。剛才Dan Shechtman教授也講到鐵裡面加了碳,還有鋁裡面加了銅,運用到工業時間很長。如何適應人們不斷增長的物質和精神的需要,要縮短新材料的研發週期,我們能夠很快速的把新材料找到,而且降低費用,這就是本世紀材料科學家面臨的巨大挑戰。但是幸運的是,我們信息的技術和計算機的發展使得這種探索是可能的,人們可以通過計算機的模擬來實現材料的研發路徑,從經驗型的探索到可設計、可預測的方向發展。這裡面有個很重要的例子,2011年6月份,奧巴馬總統提出來一個材料基因組的計劃,這個計劃實際上是為了將能源、交通和安全的材料等領域先進材料的研發時間和研發費用減半,基本的思路是這樣的,材料基因組工程的思路是這樣的,通過開發快速可靠的計算方法和計算程式,基於元素的基本性質,從元素週期表找幾個元素,按照基本性質以及物質結構和承建理論,按照高性能計算機設計模擬和預測相關材料的化學性質,獲得預測材料各種參數,然後再開發高通量的實驗方法快速的對理論預測進行驗證,這樣可以構建龐大的數據庫,從而大大縮短新材料的研發週期,從而極大降低新材料的研發費用,因為不需要盲人摸象了。

  這種新材料的研發模式,尤其是在新藥創製和新能源等等領域發揮非常重要的作用。由於這樣的計劃,世界各國都在積極的做,中國也做了很多的項目和工程。最近幾年使得計算材料科學的發展方興未艾,從新材料的結構設計與預測,計算方法與計算程式的方法,特別是機器學習和人工智能技術的材料搜索方法,到實際材料的合成及表徵的驗證,以及建立與大數據的共享等等,這些都為新材料的篩選和研發奠定必要的理論基礎。現在大家從網上看到很多材料的庫,包括中國有很多新材料的庫,使新材料的研發從經驗的探索到可設計、可預測的方向發展。

  這裏要強調一點,理論設計和預測都是在理想的條件下,基於物理與化學原理,經過大規模預算得到的。設計材料也是這樣的一個方式,理論設計可能跟實驗製造在參數和性能上也許存在一定的差距,這樣的探索是值得的,是為前期海量的可能性中快速篩選出合適的,少數的材料指出了方向,哪些結構是可以的,可以去試,哪些結構不可以,你不用去試了,這樣大大縮短了新材料的探索週期,降低了費用。所以我們可以大膽的設想一下,在未來新材料的研發和工業製造,能夠根據人們進行的需要的性能,就跟餐館點菜一樣,根據性能進行材料和器件的一體化設計,再加上快速發展的3D打印技術,直接從材料設計到一次性成型,把所需要的器件打印出來、製造出來,這個可能是未來先進製造的方向。我的發言就到這裏,謝謝。

  劉科:下面請蔡洪平先生從資本的角度談新材料相關的話題。

  蔡洪平:非常同意蘇剛校長的觀點,人類的文明史就是新材料的進化史,從舊石器時代、新石器時代、青銅器等等,下一個時代是什麼?很多說法都有,我認為這個時代是對的。

  我有兩個問題,我們作為一個投資人、商人,我們看到兩大問題怎麼解決,這是大家需要討論的。新材料是推動人類文明和當代科技進步很重要的東西。兩個問題,一個問題是我們在投的過程中,凡是我們想投一些新的材料公司,我想我要不要跟科學家走,我永遠要聽他們說什麼,但是我真的不願意投什麼,因為這個是一個長期的過程。舉個例子,很多例子可以說明,現在半導體材料的矽,現在形成的砷化鉀等等,這個是新的有前景的東西,投進去需要十年甚至二十年,遠遠超過我們的投資週期,我們從投資角度時間的有效性和技術材料研發和商業化的長時間是不成正比的,這是第一個很大的瓶頸。

  第二個很大的新材料,我再舉個例子,現在無人駕駛車,我去年還大膽在舊金山坐了一次無人駕駛車,上了101高速,開到80邁的速度,停下來一看根本沒法用,這就是人工智能,後來開玩笑說人工智能聽他們說可以,講故事可以,一旦投資一定死的,這是我們從商業角度。但是這樣對科學家不公道,他們做了很多貢獻,那個車開完以後,上面雷達掃射,下面芯片處理,後面已經燙的不行,三分之一的電都被計算燒掉了,先不說多貴,有科學家告訴我他們正在做14納米的芯片,可是14納米的芯片做出來以後,誰幫你留片,排留片要排半年以上,而且這麼小的規模可能也不夠,為什麼幫助四你做留片,甚至真的要跑上動態的,在160多個無人駕駛的場景下,計算各種不同場景的結果和算法出來,14納米都不夠。後來有幾個科學家很好,發明了掃射的時候固定的樓房和樹不需要掃,只是動態的物件,對車發生危險的掃射一下,所以變成了小雷達。但是這些都需要新材料的跟進,都需要芯片。所以我看比如說芯片14納米、7納米,但是真的投進去看不到邊界,這是我們蠻苦惱的事情。

  第二個是是一個法律瓶頸,怎麼樣能夠從商業化推動新材料的應用,這是我們對科學家唯一做的事情,否則很多科學家出來的東西,很多諾貝爾獎獲得者跟我說過去很多新科技沒有被應用就淘汰了,沒有被驗證的東西可能沒有生命力,最後的效果是要檢驗你對社會的貢獻和應用的可能性,這個問題是要解題的。

  第二個題,有些科技理論出來以後,最後計算瓶頸沒法解決,怎麼樣做生產就是一個問題,現在說到14納米,我看光科技都要做很大的調整,有的幾乎超出人的極限,我在德國看了一個做半導體光科設備的一家企業,它幾乎就是在這種想像力,比如說多少微米的,最後怎麼做成功產品,裡面最要命的兩個問題是,一個是穩定性,還有一個是合格率。這個穩定性不解決、合格率不解決,沒有一個商人會用你的。我們看到中國有些人做(英),日本有人做了很多年,有兩個老闆,一個死掉了,一個癌症。我的家庭是做化纖的,碳化過程中的均衡度,96%的合格率,這家江蘇的企業做出來了,800T也做出來了,700T也做出來了,1000T也做出來了,合格率只由60%。所以那個老闆在三年前見我的時候說不敢晚上去衛生間,12點以後去了衛生間就睡不著覺,他已經投了幾十億元進去。

  中國對新材料的研發有三大問題需要解決,第一個是合格率需要解決,這個跟設備有關,跟IP有關。第二個是可靠性要解決,精度要解決。我們現在看到的國內以前,不是現在,報紙上經常充斥著院士們經常吹牛逼,報喜,厲害了我的國,在材料上根本沒有解決這些問題,我看了蠻痛心的,很著急的,他們通常把一個論文以為就是技術,他們把中科院評院士當成待遇,後來很多人跟我說當了院士以後沒有成果了,我不相信這句話,但是確實是這樣。材料這塊在中國的應用上面,特別是在中國,還有很多的路要走。

  兩週前我看了深圳和寧波的科技企業,我發現今天為止所有的裝備都是進口的,比亞迪是在16年前一手幫的忙上市的,我當時很感受的,當時進入半自動化生產線做出了電池,電池是做鋰電池,我們伴生的生產線可以做這樣的電池很不錯,但是在一個月前我參觀的時候傻掉了,這麼好強的企業家最後電池生產線全是智能化的,沒有工人,他最後設備是1000多萬美元,沒有一家是中國的,這麼好強的十多年前電池革命的人,今天做電池的他要做811,電池密度很重要,要到280以上,甚至到300以上,最後已經不是人可以操作的,一定要有設備。有了設備以後再往上走,到300以上,我們設備哪裡來?我們設備技術跟上也是很大的瓶頸。

  兩大技術,一個是技術要跟進,裝備要跟進。這兩個不跟進,另外一個最大的問題就是再好的東西拿來以後,我投了德國的做汽車輕量化的材料,45秒鍾到50秒鍾一個零部件就出來,份量比鋁還要輕,可是王傳福就跟我說的很清楚,蔡總,沒問題,但是我希望你輕一公斤的質量不能增加我30塊錢,這個砍就很麻煩,現在車2.5噸是不夠的,電池一噸不能降材料,以後可能以後會降,重量1.5噸,所以要把鋼鐵產品變成化工產品,化工產品要求非常高,這樣的話裡面材料的要求也非常高,這裡面問題來了,用了材料以後,一公斤兩千人民幣真的不敢用。所以我們一起思考和一起努力,來解決推廣過程中的問題,怎麼去克服。

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