仍然“底部有足够的空间”：加州理工学院的纳米科学二十年后

2024 年 3 月 7 日至 8 日，加州理工学院的 Kavli 纳米科学研究所是 21 世纪的纳米科学与工程中心，通过一场特别研讨会和哈佛大学 2022 年 Kavli 奖获得者 George M. Whitesides（64 年博士）之间的炉边谈话来庆祝其成立 2024 周年。

纵观历史，人们惊叹于大事。获得蓝丝带奖的巨型南瓜、7 英尺高的人类、吉萨大金字塔和宇宙本身都吸引了人类的想象力。但从16世纪光学显微镜的发明到20世纪中叶的硅基微芯片，科学家和工程师对非常非常小的东西同样感兴趣。现在，随着精密显微镜仪器的出现，小到几纳米大小的微小物体可以被加州理工学院卡夫利纳米科学研究所 （KNI） 的研究人员测量，该研究所于 3 月 7 日至 8 日举行了一场特别研讨会和加州理工学院校长托马斯·罗森鲍姆 （Thomas F. Rosenbaum） 与哈佛大学 2022 年卡夫利奖获得者乔治·怀特塞德 （George M. Whitesides） 之间的炉边谈话，庆祝其成立 20 周年。 2024.

纳米到底有多小？如果你在想“小”，那就想得更小。 纳米， 希腊语中的侏儒，是十亿分之一米：0.000000001（10-9米）。一张普通纸的厚度是纳米的 10,000 倍，就像一根头发的直径一样。一纳米是大约 10 个原子的长度，具体取决于原子。或者为了让它离家近，考虑一下：你的指甲每秒长约 1 纳米。

尽管纳米级材料的尺寸非常小，但它们可以非常坚固——例如，比凯夫拉尔更耐冲击——并且可以完成我们刚刚开始利用的惊人壮举，例如向后折射光的能力。

纳米技术——目前定义为设计、制造或使用 1 到 100 纳米之间的结构——据说始于 1981 年，当时开发了能够扫描和成像单个原子的扫描隧道显微镜 （STM）。几十年前，已故的加州理工学院教授理查德·费曼（Richard Feynman）在1959年对美国物理学会（American Physical Society）的一次演讲中预言了这一点，“底部有足够的空间”，他谈到了计算机的小型化，并将加州理工学院图书馆的120,000册藏书“存储在一张借书证上”。

尽管加州理工学院的科学家们在纳米技术可用时就开始试验纳米技术，但直到 2003 年 KNI 的成立和 KNI 洁净室的建造，校园里才有一个地方容纳了能够处理纳米制造几乎所有方面的仪器：光束、离子束和电子束光刻、沉积、湿法和干法蚀刻， 电子显微镜等。反过来，这促进了校园研究人员之间的合作，专注于纳米级现象。卡夫利基金会的弗雷德·卡夫利（Fred Kavli）在与加州理工学院的教职员工和行政部门一起集思广益纳米科学的未来方面发挥了重要作用，并与戈登和贝蒂·摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）一起提供了初始资金。后来的资金来自弗莱彻·琼斯基金会、查克和朱迪·惠特利以及太空太阳能项目。

KNI为加州理工学院校园和JPL的科学家以及来自其他大学和公司的研究人员提供了在纳米尺度上工作的能力。今天，加州理工学院大约10%的教职员工或研究小组成员使用KNI的仪器。该设施吸引了来自应用物理学、材料科学、生物学、化学、工程和天文学等科学学科的研究人员。“一旦用户经过全面培训并签字使用设备，他们就可以 24/7 全天候访问该设施，”KNI 执行董事 Tiffany Kimoto 解释道。“多年来，我们也有几家企业用户使用过我们的设施，包括三星、Meta、诺基亚和几家初创公司，尤其是那些由加州理工学院人员创立的初创公司。”

“想想纳米尺度上的一切可能，以及还有多少挑战，真是令人振奋，”KNI的Fletcher Jones基金会主任Julia R. Greer和Ruben F.和Donna Mettler材料科学，力学和医学工程教授说。“我们非常接近在原子水平上制造、操纵和成像样品，这几乎每天都在推动新的发现。

KNI开展的项目包括对能够抵抗冲击或储存能量的新材料进行原型设计，为拓扑量子器件和纳米光子学生长和表征量子材料和二维范德华材料，识别稀有蛋白质，以及构建将单个光子连接到单个原子的纳米器件和可以按需存储和释放光子的纳米器件。这些只是加州理工学院研究人员在KNI的帮助下从事科学前沿工作的一些方式。要了解有关 KNI 过去 20 年中这些努力的更多信息，请单击此幻灯片。