導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇納米科學論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution

Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.

Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor

I.引言

納米科學和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學上的投入要比2000財政年增長83%，達到5億美金。有兩個主要的理由導致人們對納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學效應(yīng)占主導地位，這導致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢。根據(jù)“國際半導體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預期就會出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計和制造方案，因為當MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎(chǔ)物理極限就會達到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進一步縮小，量子效應(yīng)比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應(yīng)操作機制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學上，單電子輸運器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數(shù)個而非以往的成千上萬的電子來運作，這導致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關(guān)速度。在光電子學上，量子點激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學和生物分子，而且開啟了細胞內(nèi)探測的可能性，這將導致生物醫(yī)學上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾瑹o論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應(yīng)半導體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。

II.納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮

有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預制好的納米部件（納米團簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優(yōu)點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法。可是這些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實際應(yīng)用，這是因為它們?nèi)狈嵱盟燎蟮某叽?、組份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學氣相淀積（MOVCD）等來進行器件制造的傳統(tǒng)方法。“Build-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機制來制造量子點結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點激光器也已經(jīng)報道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點激光器件都預期具有低閾值電流密度，這預示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達到商業(yè)化器件所要求的指標，預期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點基光電子器件的進一步改善主要取決于量子點幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點。由于量子點尺寸的統(tǒng)計漲落和位置的隨機變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現(xiàn)出豎直對準排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點。怎樣優(yōu)化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。

很清楚納米科學的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學者們更進一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。

在未來的十年中，納米科學和技術(shù)的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個新的時期，科學家和工程師需要征明納米結(jié)構(gòu)的潛能以及期望功能能夠得到兌現(xiàn)。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現(xiàn)人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學的下次浪潮的關(guān)鍵點是納米結(jié)構(gòu)的人為可控性。

III.納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

為了充分發(fā)揮量子點的優(yōu)勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經(jīng)預刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級效應(yīng)，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達到的精度極限。有幾項技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。

—電子束光刻通常可以用來制作特征尺度小至50納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應(yīng)（proximityeffect）而嚴重影響了光刻的極限精度，這個效應(yīng)造成制備空間上緊鄰的納米結(jié)構(gòu)的困難。這項技術(shù)的主要缺點是相當費時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。電子束投影系統(tǒng)如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發(fā)展之中以便使這項技術(shù)較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時和近鄰干擾效應(yīng)這兩個問題還沒有得到解決。

—聚焦離子束光刻是一種機制上類似于電子束光刻的技術(shù)。但不同于電子束光刻的是這種技術(shù)并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術(shù)，而且高能離子束可能造成襯底損傷。

—掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強的氧化機制的。此項技術(shù)已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優(yōu)點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等。空間分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區(qū)域典型地小于針尖尺寸）。這項技術(shù)已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術(shù)的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術(shù)上的技術(shù)進展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術(shù)的顯著優(yōu)點是它的杰出的分辨率和能產(chǎn)生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術(shù)。

—多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產(chǎn)生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復制。用這項技術(shù)已制造出含有細至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。

—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復的相分離機制的技術(shù)。目前，經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后，在旋轉(zhuǎn)涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉(zhuǎn)移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產(chǎn)生；在第二種情況，島狀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術(shù)已制造出GaAs納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向特征尺寸約為23nm,密度高達1011/cm2。

—與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業(yè)化的產(chǎn)品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術(shù)的能力已得到確認。納米球珠光刻術(shù)（納米球珠膜的旋轉(zhuǎn)涂敷結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕）已被用來在一些半導體表面上制造空洞和柱狀體納米結(jié)構(gòu)。

—將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復制鑄模法的可能優(yōu)點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機械加壓能夠制作不同側(cè)向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術(shù)）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優(yōu)點是不需要加熱。納米壓印術(shù)已被證明可用來制作具有容量達400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進行圖形刻制。除傳統(tǒng)的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術(shù)中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)該選用具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。為了取得高產(chǎn)，下列因素要解決：

1）大的戳子尺寸

2）高圖形密度戳子

3）低穿刺（lowsticking）

4）壓印溫度和壓力的優(yōu)化

5）長戳子壽命。

具有低穿刺率的大尺寸戳子已經(jīng)被制作出來。已有少量研究工作在試圖優(yōu)化壓印溫度和壓力，但顯然需要進行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優(yōu)化參數(shù)。高圖形密度戳子的制作依然在發(fā)展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進行大約5次壓印后需要更換。值得關(guān)心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續(xù)壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項技術(shù)似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對準、加熱及冷卻循環(huán)等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。

IV．納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)

上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術(shù)可以用來高產(chǎn)量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：

1．在一塊模版上刻寫圖形

2．在過渡性或者功能性材料上復制模版上的圖形

3．轉(zhuǎn)移在過渡性或者功能性材料上復制的圖形。

很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項技術(shù)，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術(shù)，已經(jīng)能夠刻寫非常細小的圖形。然而，這些技術(shù)都因相當費時而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術(shù)則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項技術(shù)似乎很有希望，但是在它能被廣泛應(yīng)用之前現(xiàn)存的嚴重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術(shù)則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術(shù)中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術(shù)刻寫的納米結(jié)構(gòu)的形狀非常有限。當這些技術(shù)被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復雜結(jié)構(gòu)的圖形。為了能夠制造出高質(zhì)量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉(zhuǎn)移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術(shù)典型地不產(chǎn)生或者產(chǎn)生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結(jié)構(gòu)的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術(shù)，譬如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優(yōu)化條件下可以獲得陡峭的側(cè)墻。直到今天大多數(shù)刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關(guān)于刻蝕引入損傷的研究嚴重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當器件中的個別有源區(qū)尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結(jié)構(gòu)都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結(jié)構(gòu)表面或者靠近的任何缺陷。

隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達到可以接受的刻寫速度。利用轉(zhuǎn)移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術(shù)，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術(shù)則提供了實現(xiàn)成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術(shù)是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對的問題。需要將圖形從一張模版復制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術(shù)途徑。模版可以用其他慢寫技術(shù)來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學自組裝圖形形成機制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產(chǎn)率，某些技術(shù)問題如穿刺及因灰塵導致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術(shù)能同時滿足上述所有條件?，F(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。

另一項挑戰(zhàn)是，為了更新我們關(guān)于納米結(jié)構(gòu)的認識和知識，有必要改善現(xiàn)有的表征技術(shù)或者發(fā)展一種新技術(shù)能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力對于研究這些結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是絕對至關(guān)重要的。目前表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力非常有限。譬如，沒有一種結(jié)構(gòu)表征工具能夠用來確定一個納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(shù)(TEM)能夠用來研究一個晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，但是它不能提供有關(guān)表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術(shù)（STM）和原子力顯微術(shù)（AFM）能夠給出表面某區(qū)域的形貌，但它們并不能提供定量結(jié)構(gòu)信息好到能仔細理解表面性質(zhì)所要求的精度。當近場光學方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時，它們能給出的關(guān)于局部雜質(zhì)濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術(shù)能夠擴展到能夠用來研究單個納米體的表面和內(nèi)部情況，否則能夠得到的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的所有重要結(jié)構(gòu)和組份的定量信息非常有限。

篇2

2011年“國家優(yōu)秀自費留學生獎學金”獲得者，1985年出生，2007年獲南開大學生命科學學院理學學士學位。同年赴美國貝勒醫(yī)學院留學，從事分子與人類遺傳學研究，2012年獲博士學位。讀博期間，在Cell、American Journal of Human Genetics、Nature Genetics等國際知名期刊10余篇。

劉暢

非常高興成為“自費生獎學金”獲得者。這一榮譽的取得是祖國對我留學生涯的肯定和鼓勵。同時，要感謝導師對我的指導，同事對我的幫助，以及家人對我的關(guān)愛和支持。

——劉暢

2011年“國家優(yōu)秀自費留學生獎學金”獲得者，1984年出生，2007年獲北京大學化學、經(jīng)濟學雙學士學位，現(xiàn)就讀于加拿大不列顛哥倫比亞大學化學系。主要研究方向為新型樣品純化技術(shù)的研發(fā)，以及單分子和納米顆粒的超靈敏光學檢測。博士期間先后在Analytical Chemistry等本領(lǐng)域頂尖期刊10余篇。同時，擔任Electrophoresis等學術(shù)期刊以及葡萄牙科學技術(shù)委員會的特邀審稿人。曾先后獲得加拿大化學會Ryan-Harris研究生獎、美國化學會分析化學研究生獎學金等多項榮譽。

丁銘

雖然身在他鄉(xiāng)，但總能感受到祖國的關(guān)懷，這種關(guān)懷從來沒有因為時間和空間而停止過?！白再M生獎學金”的獲得，對我來說是一份極大的鼓舞，讓我更加堅信只要付出，就會有回報，更感覺到了一份強烈的歸屬感?？傆幸惶?，我會帶著那份對自然最原始的好奇，對科學最虔誠的求知，對理想最純真的渴望和對祖國、對人類最無私的責任感，把我所學到的完完全全地奉獻給祖國，為祖國的建設(shè)貢獻自己的一點光和熱。

——丁銘

2011年“國家優(yōu)秀自費留學生獎學金”獲得者，1985年出生，2008年獲北京交通大學光信息科學與技術(shù)專業(yè)學士學位，2009年赴英國南安普敦大學光電子學研究中心攻讀博士學位，從事微/納米光纖方面的研究。目前已在領(lǐng)域內(nèi)知名期刊Applied Physics Letters、IEEE Photonics、The Open Optics Journal、Optics Communications等發(fā)表科學論文30余篇。曾多次被邀請作會議報告。

李強

篇3

化學科學是研究原子、分子片、分子、超分子、生物大分子到分子的各種不同尺度和不同復雜程度的聚集態(tài)的合成反應(yīng)、分離和分析、結(jié)構(gòu)形態(tài)、物理性能和生物活性及其規(guī)律和應(yīng)用的科學。隨著新世紀腳步的不斷加快，作為物質(zhì)科學組成之一的化學科學將愈來愈引起世界各國的關(guān)注?；瘜W中的前沿科學也將成為化學工作者關(guān)注的焦點。

從一定意義上講，科學論文的發(fā)表是科學成果被人們承認的唯一形式。一定頻次的引用反映了某篇論文重要性的程度，超高頻次的引用，?？烧J為其研究成果引發(fā)了科學研究的熱點或在科學研究中取得突破。因此，近期化學科研論文的引用情況也體現(xiàn)了化學學科前沿的科學研究成果，以及當前國際化學前沿的特點和變化趨勢和研究方向。據(jù)中科院文獻情報中心的報道，90年代的化學研究前沿領(lǐng)域有：

（1）富勒烯C60的研究導致發(fā)現(xiàn)了自然界一類新的物質(zhì)――碳的另一種存在形式，并對宇宙內(nèi)碳循環(huán)和經(jīng)典芳香性的關(guān)系這一理論化學的關(guān)鍵問題有了全新的認識，開辟了新的化學研究領(lǐng)域。

（2）模擬程序和密度泛函理論的發(fā)展引起整個化學領(lǐng)域的革命，使量子化學成為成千上萬化學家手中的工具，可用以預測和闡明物質(zhì)的化學性質(zhì)。

（3）對不同管徑和纏繞角的單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)和導電性質(zhì)的研究展示了單壁碳納米管在納米分子電子學領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

（4）人工合成新藥的發(fā)展：天然抗癌藥物的人工合成以及用以開發(fā)新藥的組合化學方法。

（5）組合化學新研究領(lǐng)域的發(fā)展打破了傳統(tǒng)藥物開發(fā)的模式，可同時合成和篩選大批生物活性物質(zhì)，大大縮短了新藥開發(fā)的時間。組合化學技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于催化劑的篩選、手性化合物合成等材料科學領(lǐng)域。

（6）仿生聚合物是一種先進材料，它的人工合成向模仿機體功能的“目標”邁進了一步。

（7）分析化學在這一階段已不再僅僅是化學家手中的工具，它已發(fā)展為一門分析科學。它一方面為人們提供關(guān)于物質(zhì)，特別是構(gòu)成生命的基本物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)甚至生命過程的信息；另一方面，在精密分析儀器本身的研制上不斷獲得進展。

（8）計算機技術(shù)的飛速發(fā)展使化學家的研究手段產(chǎn)生巨大變革。有關(guān)生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸）多維結(jié)構(gòu)圖像實現(xiàn)和精細結(jié)構(gòu)表達的程序及軟件包的研究受到化學界的極大關(guān)注。

（9）有機反應(yīng)、不對稱合成及催化是90年代以來的持續(xù)熱點。這是一個有工業(yè)應(yīng)用前景和巨大市場潛力的、一直很活躍的研究領(lǐng)域。

在經(jīng)歷了20世紀的空前繁榮發(fā)展后，進入21世紀，化學學科面臨著四大難題。第一，合成化學難題――化學反應(yīng)理論；第二，功能結(jié)構(gòu)化學難題――結(jié)構(gòu)和性能的定量關(guān)系；第三，生命現(xiàn)象的化學機制――生命化學難題；第四，納米尺度難題。徐光憲院士等科學家認為21世紀是信息科學、合成化學和生命科學共同繁榮的世紀，化學的微觀方法和宏觀方法相互結(jié)合，相互滲透這一潮流將進一步向前發(fā)展，并提出了新世紀的化學科學包含了對下列八個層次的物質(zhì)對象的研究：

（1）原子層次的化學：其中包括核化學、放射化學、同位素化學、sp區(qū)元素化學、d區(qū)元素化學、4p區(qū)元素化學、5f區(qū)元素化學、超5f區(qū)元素化學、單原子操縱和檢測化學等。

（2）分子層次的化學：現(xiàn)已合成的2000余萬種分子和化合物，通常分為無機、有機和高分子化合物。但近30余年來合成的眾多化合物，如金屬有機化合物、元素有機化合物、原子簇化合物、金屬酶、金屬硫蛋白、富勒烯、團簇、配位高分子等很難適應(yīng)老的分類法。21世紀將研究分子的多元分類法，如按照分子片結(jié)合方式和生成的分子結(jié)構(gòu)類型分類，可分為0維、1維、2維、3維分子等。

（3）分子片層次的化學：原子只有110余種，但分子數(shù)目已超過2000萬種，因此有必要在原子和分子之間引入一個“分子片”的新層次，在21世紀應(yīng)該開展分子片化學的研究。

（4）超分子層次的化學：其中包括受體和給體的化學、鎖和鑰匙的化學、分子間的非共價作用力、范德華引力、各種不同類型的氫鍵、疏水-疏水基團相互作用、疏水-親水基團相互作用、親水-親水基團相互作用、分子的堆積組裝、位阻和各種空間效應(yīng)等。

（5）宏觀聚集態(tài)化學：其中包括固體化學、晶體化學、非晶態(tài)化學、流體和溶液化學、等離子體化學、膠體化學和界面化學等。

（6）介觀聚集態(tài)化學：包括納米化學、微乳化學、溶膠-凝膠化學、軟物質(zhì)化學、膠團-膠束化學和氣溶膠化學等。

（7）生物分子層次的化學：包括生物化學、分子生物學、化學生物學、酶化學、腦化學、神經(jīng)化學、基團化學、生命調(diào)控化學、藥物化學、手性化學、環(huán)境化學、生命起源、認知化學和從生物分子到分子生物的飛躍等。

（8）復雜分子體系的化學。從以上分類可以看出，新世紀化學別值得關(guān)注的有化學信息學、分子片化學、超分子化學、生命化學、納米化學、理論化學和復雜分子體系的化學等。

隨著化學分支學科的重組及其它學科的交叉、融合和不斷滲透，21世紀初化學學科的前沿方向與優(yōu)先領(lǐng)域有：綠色化學與環(huán)境化學中的基本化學問題、材料科學中的基本化學問題、合成化學、化學反應(yīng)動態(tài)學、分子聚集體化學、理論化學、分析化學測試原理和檢測技術(shù)新方法建立、生命體系中的化學過程、能源中的基本化學問題、化學工程的發(fā)展與化學基礎(chǔ)等。

參考文獻：

[1]劉春萬.研討我國理論化學跨入新千年發(fā)展的一次盛會[J].化學進展，2000， 36（2）： 230-232.

篇4

2突破傳統(tǒng)的教學理念與方法，夯實理論基礎(chǔ)

講授法教學仍然是目前多數(shù)課程所用的最基本的教學方式，具有一定的優(yōu)勢，即教師能連貫地向?qū)W生傳授基礎(chǔ)知識，并配合其它方法，可將基本概念、基本原理及相關(guān)課程知識傳授給學生。教授法運用得當，不僅能將講授內(nèi)容系統(tǒng)、科學而準確地傳遞給學生，而且還能很好地突顯講授內(nèi)容的重點和難點。然而，實際教學過程中若自始至終均采用這一方法，學生極易疲勞，產(chǎn)生厭倦甚至煩躁的心理。事實上，有些教師一直喜歡滿堂灌和填鴨式教學，教師在課堂上洋洋灑灑、痛痛快快地大講特講，卻完全忽略了學生作為教學主體的作用。這種教學，只是教師知識的傾瀉，而不是傳授，其結(jié)果是教師教得非常累，學生聽得更累，因而教學效果往往顯得特別差。在近幾年材料化學專業(yè)的學生對《大學化學》課程的授課評價中我們可以清楚地看到，學生對那些采取滿堂灌式教學的教師微詞頗多，普遍要求采用靈活多樣的教學方法，要充分激發(fā)學生學習的積極性。在我系《大學化學》課程教學團隊中，我們都十分重視教學理念的轉(zhuǎn)變、更新和教學方法的改革。我們都視其為課程能否鮮活生動的源泉。首先，我們確立了以學生學習為中心的教學觀念，以學生最大程度掌握好專業(yè)基礎(chǔ)知識為目標。如果把教師作為工程師或技術(shù)工人，那么學生將可看成為其加工的“產(chǎn)品”。“產(chǎn)品”質(zhì)量的優(yōu)劣，能否贏得市場，是檢驗作為教師教學質(zhì)量是否合格的標準。要做到這一點，必須對學生進行科學合理地訓練和培養(yǎng)。因此，在課堂教學上，教師要積極引導，在十分融洽的環(huán)境下合理有序地向?qū)W生傳授知識，并能激起學生的求知欲，使其在課后有進一步跟蹤并深入研究的渴望。其次，為更好地傳授知識，改革教學方法，要采用靈活多樣、切實可行的教學方法，使學生以最直接、最有效的方式獲得知識。比如，在課前，教師要布置任務(wù)，設(shè)置問題，引導學生進行預習，通過多種途徑了解有關(guān)課題的成就以及最新發(fā)展動態(tài)，以吸引學生的注意力，讓其對所學內(nèi)容產(chǎn)生濃厚的興趣。在課堂上，以多媒體教學為主，必需的板書為輔;以探討和學生參與教學作為主線，以教師補充和更正作為輔線;以經(jīng)典基礎(chǔ)知識的教學和實際應(yīng)用為主要教學內(nèi)容，以相關(guān)科學前沿知識的穿插為輔助內(nèi)容。課后，學生以完成經(jīng)典題目作業(yè)為主要鞏固課程內(nèi)容的方式，以查閱相關(guān)知識，進行實驗和撰寫課程小論文來擴大視野，等等?！洞髮W化學》課程理論眾多，在有限的課時里讓學生牢固掌握眾多理論，難度較大。我們主要通過精選教學內(nèi)容，采用精講、精練的方式，理論與實際相結(jié)合，科學前沿介紹與教師的科研課題相結(jié)合，深入簡出，形象生動地向?qū)W生進行傳授。通過具體的材料合成與應(yīng)用示例，夯實基礎(chǔ)理論，加深《大學化學》與材料化學之間的聯(lián)系，使學生產(chǎn)生強烈的欲望和濃厚的興趣。

3轉(zhuǎn)變課程的管理機制

課程管理機制的建立與課程改革相適應(yīng)，課程管理機制的優(yōu)劣將直接關(guān)系到課程教學質(zhì)量。課程改革的深入開展應(yīng)是課程教學管理的核心內(nèi)容，我們應(yīng)積極探索新的教學理念，大力開展創(chuàng)新教育，逐步推進教學新模式的轉(zhuǎn)變，確保教學質(zhì)量的提高。第一，我們要求《大學化學》課程教師都要進行教學研究，特別注重課堂教學、教學內(nèi)容、教學模式以及教學細節(jié)方面的探索與研究。通過對課堂教學過程、特別是教學細節(jié)等方面的研究，讓教師更加重視教學規(guī)律。第二，加強課堂教學的誠信教育和情感交流，培養(yǎng)師生感情，幫助學生正確掌握求知觀，不僅要培養(yǎng)學生的道德情操和知識品德，還要增進學生服務(wù)于社會的意識和責任感。第三，不斷轉(zhuǎn)變教學方式，由封閉式教學向開放式教學轉(zhuǎn)變，由單向式教學向雙向式教學轉(zhuǎn)變。第四，教師要轉(zhuǎn)變自己的角色，盡快由“教書匠”轉(zhuǎn)變?yōu)椤把芯空摺?，由知識的“儲備者”向知識的“傳播者”轉(zhuǎn)變。教師要經(jīng)常進行反思，逐步實現(xiàn)深層次創(chuàng)新，使自己成為一個教學理念、教學實踐的開拓者和研究者，崇尚科學，崇尚學術(shù)。第五，加強課堂教學的監(jiān)督機制。我們主要通過教學督導、教研室聽課與評教、院領(lǐng)導隨機聽課以及學生期中進行教學評價等方式來提高課堂教學的管理與監(jiān)督機制。第六，加強課程學習的獎懲機制。對本課程學習比較優(yōu)秀的學生應(yīng)及時進行表揚、鼓勵甚至獎勵，樹立模范。對那些不愛學習、偷懶疲沓的學生要及時教育、激勵以及必要的課程懲罰，如閱讀幾篇科學論文，撰寫小論文等。

4加大學生實踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

創(chuàng)新是關(guān)乎國家和民族昌盛興旺的靈魂和永不衰竭的動力源泉。創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是大學教育義不容辭的責任。當代大學生創(chuàng)新人才的培養(yǎng)可以分為創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)素質(zhì)的訓練兩個部分?！洞髮W化學》作為專業(yè)基礎(chǔ)學科，在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面具有更重要的基礎(chǔ)性作用，是其他學科無可替代的。因此，結(jié)合我系材料化學專業(yè)近幾年的發(fā)展，通過《大學化學》課程的教學與實踐，主要在以下幾個方面實施對大學生創(chuàng)新能力大力進行培養(yǎng)。(1)教師首先要有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新實踐活動。通過教師教研和科研課題的申報與立項，教學改革的實施，教學方法的改進，教師進行各種形式的進修，通過指導學生申報課題項目，引導學生參與科學研究。帶領(lǐng)大學生參與各種競賽，領(lǐng)導學生直接服務(wù)于社會等，切實提高教師的創(chuàng)新意識和實踐活動。(2)精選并優(yōu)化教學內(nèi)容，使教學內(nèi)容更加系統(tǒng)化、科學化。將大學化學課程中無機化學與化學分析中的相關(guān)知識緊密結(jié)合起來，盡量節(jié)省課時。(3)加大基礎(chǔ)實驗的權(quán)重，增設(shè)綜合性、設(shè)計性實驗和開放性實驗。(4)教師進行課題講座，通過專題研究，加強《大學化學》課程與專業(yè)學習的聯(lián)系。同時，挑選一些能力較強的學生在課堂上進行小專題報告，培養(yǎng)和鍛煉學生進行理論交流的能力。(5)積極邀請學生參與教師課題組或科研課題中來。讓學生參與教師的課題研究，不僅使學生了解科研的一般途徑，更重的是培養(yǎng)了學生的科研意識和素質(zhì)，能使學生在進行課程學習時不自覺地提高了科學分辯和吸收的能力。

篇5

合成生物學對設(shè)計的啟發(fā)

20世紀以來的生物學將人們的目光引入顯微鏡下的微觀世界。從1911年“合成生物學”的概念出現(xiàn)在科學論文，到1995年大規(guī)模基因組測序技術(shù)來臨，建立在此技術(shù)和分析方法上的“合成生物學”趨于成熟。這是一門研究如何利用基因組的基本要素及其組合來設(shè)計、改造、重建或制造生物分子乃至整個生命活動的細胞和生物個體的學科。換言之，在實驗室中，人類不僅能讀懂一些物種的生命密碼和運行機制，更能通過編寫新密碼、組合新的運行機制，制造出符合特定需要的“新物種”。

面對這樣一項聽上去充滿前景，但面目稍顯可疑的技藝，如果我們先拋開倫理問題上的擔心，將它與人類處理其他材料的技藝平放在同一個平面上看，那么這些在實驗室里制造出生物分子、生物細胞甚至生命體的人，與在工作室里制作木器、鐵器或陶器的手工藝人在某種意義上是否相當？一群有著好奇心和敏感嗅覺的人，試圖利用這項關(guān)于“生物”的技藝去探索設(shè)計形態(tài)、制作流程和互動方式的新可能，這便是本次展覽中用“生物”做設(shè)計的參展者了。

在自然面前，我們是誰？

展覽五個俏皮的子主題――“抄襲者”、“新手工藝人”、“生物黑客”、“新煉金術(shù)士”、“者”――實際上分別對應(yīng)了參展作品中面對自然的幾種不同方式，展覽的區(qū)塊也依此劃分。

“抄襲者”（the plagiairsts）以自然為師，用仿生學的方法論去嘗試和模仿自然界一些事物的運行機制。但他們所使用的材料并非是有生命的，而主要是來自工業(yè)化、數(shù)字化生產(chǎn)。比如展廳一層占據(jù)最大空間的一件作品《發(fā)光的土壤》（Radiant Soil），便是由成千上萬個微型的處理器支持的一件交互性裝置。定制的聚合體層、不銹鋼支架與玻璃容器共同組成了這個如熱帶植物般枝繁葉茂的空氣“濾網(wǎng)”。它的運行機制是利用傳動器將“不干凈的”空氣攪進濾網(wǎng)系統(tǒng)，去喂養(yǎng)玻璃容器中盛放的原始細胞（protocell，一種人造的模仿生物細胞運行機制的模型）。玻璃容器中還有一些有機電力細胞（organic power cell），它們能產(chǎn)生類似于人體神經(jīng)系統(tǒng)反射那樣的微弱電流。另一些更小的玻璃容器中則盛放了鹽、糖和油類物質(zhì)來保持周圍空氣的濕潤。這些部件構(gòu)成了一套類似于生物“新陳代謝”行為的系統(tǒng)。當參觀者觸碰或靠近它時，葉子形的傳動裝置如含羞草般輕緩地展開或收攏，“枝條”上的白色LED燈也會變換亮度，如同《阿凡達》中的電影場景。

另一件有趣的作品《養(yǎng)珠》（Pearling），是一部可以讓人們在家中就能養(yǎng)出珍珠的機器。天然的珍珠是當異物進入蚌的體內(nèi)而又無法被排出時，蚌分泌出碳酸鈣與珍珠母將異物層層包圍，以每層0.5微米的進度經(jīng)過2～5年的時間長成的寶石。人工培養(yǎng)珍珠的方法之一，是將一顆圓核放入蚌體內(nèi)，通過漫長的時間培育成寶石。在這件作品中，設(shè)計者埃米爾?德?維舍（Emile de Visscher）將各種形狀的“核”浸在電解液中，用物理方法讓液體中的碳酸鈣慢慢地附著到“核”的表面。有意思的是，盡管這件作品使用了機器和人工的手段去養(yǎng)珠，設(shè)計師卻無意加快“養(yǎng)”的進度。他反而特意在展臺上安放了一些標有月份的盒子，逐月放進未完成態(tài)的珠子，以此來展現(xiàn)一顆珍珠養(yǎng)成過程中漫長而難以察覺的時間感。

“新手工藝人”（the new artisan）不是去模仿自然，而更多地是遵循自然界中一些形態(tài)的生成規(guī)律，直接將這種規(guī)律應(yīng)用到物品的制作過程中。因此這些物品的形態(tài)更多的是在一定的引導下自然生成的，而不是完全被設(shè)計的。服裝設(shè)計師蘇珊?李（Susanne Lee）所帶領(lǐng)的團隊的作品《生物時裝》（BioCouture）是用他們研發(fā)的新面料制作的一系列服裝與配件。這些面料是用有機物培養(yǎng)出來的一種質(zhì)感近似于皮但更加透明的材料。它的原料是一種細菌，設(shè)計者將這些細菌養(yǎng)在茶葉水中，一段時間后，液體表面會結(jié)出一層厚厚的膜，半風干后的“膜”便可用于服裝的立體剪裁。本次展示的女士高跟鞋，是設(shè)計團隊的最新作品，相較于更早的夾克衫，它的美感更具親和力。設(shè)計者認為，如果服裝等快消品能用到這樣的材料，將在一定程度上改善能源浪費與環(huán)境問題。

產(chǎn)品設(shè)計師托馬斯?里博蒂尼（Tomás Libertiny）的作品《花瓶#1》（Vessel#1）是一只完全用蜂巢構(gòu)成的花瓶。這些蜂巢的確是由蜜蜂筑成，但也經(jīng)過了設(shè)計師的設(shè)計。托馬斯?里博蒂尼受到盆景藝術(shù)的啟發(fā)，想到利用人工的支架和有著特殊造型的蜂箱去“設(shè)計”出蜜蜂所能筑巢的空間。60000只蜜蜂花了兩個月時間，用六角形的單元格填滿了設(shè)計師留給它們的空間。相對于時下熱門的快速成型技術(shù)，托馬斯?里博蒂尼笑稱這個過程為“慢速成型”。這個花瓶看起來并不牢固，但蜂巢本身是一種可以保存很久的材質(zhì)，曾在法老墓穴中被發(fā)現(xiàn)，因此在一定條件下，這個花瓶有望保存上千年。

“生物黑客”（the bio-hackers）是不怕去改寫自然的，他們想要大膽地與合成生物學家合作，用最尖端的生物技術(shù)拓寬設(shè)計的邊界。策展人卡羅爾?克萊的作品《生物蕾絲》（BioLace）是一個利用植物的根生產(chǎn)蕾絲的概念。她設(shè)想在2050年左右，人們可以利用合成生物學這項工程技術(shù)去“編寫”出新的植物品種，這些品種作為蔬菜或水果的同時，也是用根制作蕾絲的“機器”。如此一來，菜地或果園同時也是蕾絲工廠。這項技術(shù)并不是空穴來風，不過真正開發(fā)出樣品至少還需要十年。設(shè)計者展望新興技術(shù)的同時，也有意在提醒人們反思當下紡織制造業(yè)對化學品和能源的高度依賴。

攝影師文森?福尼（Vincent Founier）的作品《后自然史》（Post natural history）是一組動物肖像照片。這些動物是他設(shè)想的人類用合成生物技術(shù)修改基因后出現(xiàn)的新物種。在人類的“幫助”下，它們更可能成為未來世界叢林法則的優(yōu)勝者。比如，蜣螂的殼被3D打印技術(shù)參與后變得更加牢固，兔子有了能夠直立行走的基因之后更加靈活，而水母變成了機器人之后在水中速度更快。文森?福尼把這組肖像定義為一份為未來準備的考古學文獻，它們或?qū)⒊蔀榘倏迫珪镄挛锓N的檔案。

“新煉金術(shù)士”（the new alchimistes）會把生物學、化學、機器人學和納米技術(shù)結(jié)合在一起創(chuàng)造新的組織。換句話說，是將生命體與非生命體相融合。鞋類設(shè)計師沙梅?亞登（Shamees Aden）的《變形蟲鞋》（Amoeba Shoe）是一雙用新材料制成的概念跑鞋樣品。沙梅?亞登一直關(guān)注材料的化學構(gòu)成，對她而言，原始細胞（protocell）是非常具有潛力的領(lǐng)域。原始細胞所具備的生物體的部分功能，使其能夠?qū)碜云渌矬w和外界環(huán)境的刺激產(chǎn)生反應(yīng)?！蹲冃蜗x鞋》所使用的新材料，正是利用原始細胞的這一特征并結(jié)合其它微生物與化學物質(zhì)制作而成，它能夠根據(jù)雙腳在運動中的受沖擊狀況及時地提供支撐。設(shè)計師探索的是一種材料與使用者以及使用環(huán)境產(chǎn)生互動的可能。

篇6

研究星風

近年來，專業(yè)巡天望遠鏡的誕生大大減少了在自家后院天文臺里的觀測者們在某些領(lǐng)域做出科學貢獻的機會，例如搜索小行星和彗星。但是現(xiàn)在，廉價、高分辨率、現(xiàn)成的商品攝譜儀可以填補這個空缺了。甚至在中小口徑望遠鏡上安裝攝譜儀，就可以通過揭示一顆恒星的溫度、化學組成，或者通過揭示天體上原子激發(fā)和電離的物理條件，從而獲得有科學意義的結(jié)果。

使用加納利天體物理研究所的31英寸反射望遠鏡，Eversberg和他的團隊觀測了天鵝座中的三顆沃爾夫—拉葉星：WR 134、135和137。它們的光球?qū)颖桓呙芏葰怏w云包裹，這些氣體云以非?？斓乃俣冗\動和旋轉(zhuǎn)。目視觀測者不會發(fā)現(xiàn)這類恒星有什么異常，但氣體云可以在恒星光譜中產(chǎn)生明亮的發(fā)射線。通過研究這些譜線，天文學家們可以探索被遮掩的恒星表面與其強勁星風之間的關(guān)系，同時檢測這些星風的周期性和隨機的凝聚性。

Eversberg表示：“我們可以說就是光譜天文學中專業(yè)人員與業(yè)余人員合作的經(jīng)典范例?！彼谖挥诓ǘ鞯牡聡臻g局工作，卻組織了這項以志愿者為主體的光譜研究。他和Anthony Moffat（蒙特利爾大學，加拿大魁北克?。┮煌l(fā)起了這項活動。2009年，他們有目的地組織了一批業(yè)余愛好者來到Tenerife島，對一顆溫度極高的雙星WR 140進行近星點觀測，這顆雙星是星風碰撞雙星中被研究得最充分的。他們得到了比2001年僅有專業(yè)近星點觀測時多5倍的光譜數(shù)據(jù)。有了這些業(yè)余愛好者的數(shù)據(jù)，專業(yè)天文學家深化了對于該系統(tǒng)的質(zhì)量、軌道周期和軌道傾角方面的認識。

有了這些來自世界各地的參與者，Eversberg和Moffat組建了ConVento團隊（ConVento在意大利語中意為“隨風”），團隊成員包括致力于星風研究的業(yè)余愛好者和專業(yè)天文學家。ConVento成員主要使用他們自家的后院天文臺，但是在Tenerife島操作專業(yè)級別的望遠鏡卻是這個活動的亮點。Eversberg說：“2009年取得的成功，幫助我們?yōu)?013年的觀測活動申請到了望遠鏡時間。專業(yè)天文學家已經(jīng)知道了我們的存在，而且也知道我們能夠干什么?！?/p>

捕捉一次性事件

專業(yè)天文學家們可以使用絕大多數(shù)最先進的望遠鏡和設(shè)備，它們都位于世界上最好的觀測臺址。但他們卻沒有業(yè)余愛好者所擁有大量觀測時間。長期的測量、巡天和監(jiān)視需要幾周甚至幾個月的望遠鏡時間，而專業(yè)天文臺的觀測時間常常有許多人申請，很難為一支團隊提供這么多時間。而一臺裝有制式攝譜儀的8英寸～20英寸（約合20.32厘米～50.8厘米）望遠鏡也能夠很好地完成這些工作。即便在有光污染的城市，獲得亮星光譜也是有可能的。而且，即使某個晚上在你那里烏云密布，別處的伙伴也能充當替補。

光譜觀測也因此成為了一項新興的、蓬勃發(fā)展的“公眾科學”，特別是在歐洲的業(yè)余愛好者群體中。目前盡管這種觀測正在發(fā)展，但參與人數(shù)仍然相對較少。Thierry Garrel說：“法國現(xiàn)在大約有30位認真的觀測者，可能另有約100人對這個領(lǐng)域感興趣?！彼欠▏肮庾V觀測者組織”（ARAS）的成員，該組織是歐洲最活躍的業(yè)余天文學組織。

但是這些專注的觀測者中也很少有人完全傾心于這項工作。Eversberg說：“光譜觀測顯得有些枯燥乏味。你必須花費無數(shù)個夜晚來獲取數(shù)據(jù)以供他人分析，而且更槽榚的是，這些數(shù)據(jù)并不是美麗的照片，而只是圖表和數(shù)字?！钡愕幕貓蟛⒉粌H僅是可以在科學論文中署名。正如Eversberg指出的那樣：“我們的工作不是拍攝無數(shù)張獵戶星云的照片，而是見證那些一次性發(fā)生的事件?！?/p>

讓我們看一看長周期食雙星。在這種系統(tǒng)中，兩顆恒星周期性地互相掩食，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十個這樣的雙星系統(tǒng)，但只有幾個得到了較好的研究。它們的長軌道周期使其成為業(yè)余愛好者的最佳觀測對象。已知最好的一個食雙星就是御夫座ε，它于2009年～2011年之間通過距離極小點，并且此時有一個暗氣體塵埃云在主星前方越過。上次掩食發(fā)生在27年前，當時業(yè)余愛好者還沒有攝譜儀。據(jù)英國的業(yè)余光譜學家Robin Leadbeater報告，有超過800條業(yè)余愛好者拍攝的光譜并已被納入專業(yè)數(shù)據(jù)庫，正在幫助天文學家們研究奇怪的蝕云。通過觀測770納米的鉀吸收線，Leadbeater在這團蝕云使恒星變暗前幾個月，以及真正的交食結(jié)束之后很久，都看到了這團蝕云。

其它長周期食雙星還包括仙后座AZ和仙王座VV，其軌道周期分別是9.3年和20.3年。仙王座VV將會演化為一個變雙星，它由一顆老年超巨星和一顆熾熱的矮星組成，其光譜顯示出了很強的氫和鐵的發(fā)射線。這些譜線來自于這對恒星周圍延展的氣體包層，它們隨時間演化的方式，與星風的模式和速度以及恒星特征參數(shù)和軌道參數(shù)有關(guān)。

由于剛剛推算出仙后座AZ將有一次交食，Cezary Galan（哥白尼大學，波蘭）建議業(yè)余愛好者們在2014年全年對其展開持續(xù)監(jiān)測。Galan在他的網(wǎng)頁上寫道：“連續(xù)密集的測光觀測和光譜觀測是很必要的。對仙后座AZ的長時間尺度變化進行監(jiān)測需要大量觀測者的參與，以降低天氣的影響，同時保證對交食過程中最重要階段的觀測成功。”截至2013年6月初，業(yè)余愛好者提交了總共250個光譜中的2/3。Galan說：“業(yè)余觀測者對這個活動的興趣之大，遠遠超過了我的預期?！?/p>

與此同時，Darryl Sergison（?？巳卮髮W，英國）請求業(yè)余愛好者對低質(zhì)量金牛座T型星進行光譜監(jiān)測，以幫助天文學家更清晰地了解年輕類日恒星的周圍環(huán)境，并查明它們的各式各樣的盤、生長過程和外向流結(jié)構(gòu)的特征。這項研究在今年秋天將會達到，但是對其中三個目標的監(jiān)測從去年年底就已經(jīng)開始了。

長期項目的最佳范例是國際Be型恒星觀測活動，它已經(jīng)運行了超過10年。大約20%的B型星（此類恒星占肉眼可見恒星的20%）會顯示出氫發(fā)射線，有時還有氦和鐵的發(fā)射線，它們還會以數(shù)小時到數(shù)十年不等的時間尺度變化。天文學家們認為，這些發(fā)射線是由恒星快速旋轉(zhuǎn)時拋出的氣體外殼或盤造成的，它們在赤道處的離心力足以克服自身引力。但是光譜的變化卻讓人難以理解。因此，業(yè)余愛好者拍攝的光譜資料就至關(guān)重要了。天文學家們總共已經(jīng)收集了約600顆Be型星的超過72000條光譜，其中有29000條（40%）僅僅出自于49位業(yè)余愛好者之手。這些數(shù)據(jù)被儲存在Be型恒星光譜數(shù)據(jù)庫中，由業(yè)余愛好者和專業(yè)天文學家共同維護，天文學家們在20多篇論文中使用了這些數(shù)據(jù)。

成為業(yè)余光譜學家

還有其它許多有趣的目標可供業(yè)余愛好者選擇，從新星、超新星到小行星和彗星。這些都可以得益于現(xiàn)在出現(xiàn)的廉價、現(xiàn)成的商品攝譜儀。而僅僅10年前，業(yè)余愛好者還沒有高分辨率光譜觀測所必需的儀器，除非他們自己制作。

業(yè)余愛好者希望獲得簡單而強大的儀器，以進行有科學意義的研究。受此激勵，法國業(yè)余愛好者Fran？ois Cochard、Olivier Thizy、Christian Buil和Yvon Rieugné專門為業(yè)余愛好者設(shè)計了一種商業(yè)級高分辨率攝譜儀，后來發(fā)展為Lhires品牌?，F(xiàn)在，他們的Shelyak儀器公司可以提供各種價位、覆蓋所有分辨率的攝譜儀。歐洲南方天文臺的工程師Jesús Rodríguez、Carlos Guirao和Gerardo ávila，以及德國馬普地外物理研究所的專業(yè)天文學家Vadim Burwitz是歐洲的另一個攝譜儀來源。他們的“光譜發(fā)燒友俱樂部”與德國的Baader Planetarium公司合作，向業(yè)余愛好者提供攝譜儀。

但是硬件只是故事的一部分。怎樣才能知道，你是否有業(yè)余光譜學家所必備的技能呢？Eversberg說：“這種技能需要學習?！币虼烁鞣N互聯(lián)網(wǎng)交流平臺是極其重要的，例如ARAS主持的網(wǎng)上論壇和新聞組，以及德國的Spektroskopie論壇等。在這些平臺上，光譜愛好者們可以交流觀測技術(shù)和設(shè)備的相關(guān)知識，策劃新的觀測活動，以及討論觀測結(jié)果。大多數(shù)討論都是用英語進行的，以便更多的人可以參與。

篇7

二、重視教育，把知識教育和傳統(tǒng)教育結(jié)合起來，提高民族的綜合素質(zhì)。以色列重視教育，把教育看作是開創(chuàng)未來的關(guān)鍵。其主要做法，一是對教育的投入一直很高，始終保持在占GDP的9―12％。政府為每個小學生每年花費3938美元，為每個大學生花費11036美元，均高于其他發(fā)達國家。以色列猶太人中受過高等教育的占38％，受過中等教育的占70％，這在世界上也是名列前茅的。二是將教育置于法律的基礎(chǔ)上，成為教育法制化國家。“義務(wù)教育法”規(guī)定5―17歲孩子必須接受免費義務(wù)教育，18歲未學完國家規(guī)定課程的成年人要學完高中課程。此外，還有“國家教育法”、“高等教育委員會法”、“學校督導法”、“特殊教育法”，從教學內(nèi)容到具體管理，從一般培養(yǎng)到特殊教育，甚至對學生的課時都做了規(guī)定。三是注重啟發(fā)式教育。無論是中學還是大學，教學都比較寬松。但對中小學課時做了規(guī)定，學校教育每周4天，每天不得少于8小時，周末學習一天不得少于5小時，星期五不得少于4小時。這些規(guī)定是要學生把課程主要消化在學校里和課堂上，減輕學生負擔，沒有繁雜的家庭作業(yè)。四是注重課外教育。參觀展示二戰(zhàn)期間猶太人悲慘遭遇的“大屠殺博物館”是每個學生的必修課。學校還組織學生參觀眾多的博物館、展覽館、農(nóng)產(chǎn)品展覽、花卉展覽等，使學生接受愛國主義教育和廣博的課外知識。五是部隊教育作為青年人成長教育的重要一環(huán)。凡滿18―26歲的猶太人，男子服兵役三年，女子一年半。這實際是學校教育的繼續(xù)。在軍隊青年人接觸一些先進的武器裝備，培養(yǎng)了必備的各種技能，同時培養(yǎng)團隊精神，團結(jié)協(xié)作，互相支持。這都為今后工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

三、科技立國，科技興國，使以色列在當今世界綜合國力的競爭中出奇制勝。以色列前副總理兼外長西蒙?佩雷斯曾說過，在以色列這樣的國家，不靠天、不靠地、就是靠科技。以色列年均降雨量200毫米，水資源嚴重缺乏，荒漠化土地占土地總面積的60％。多年來以色列在農(nóng)業(yè)科技的研發(fā)、治理荒漠化土地、節(jié)水農(nóng)業(yè)、工廠化農(nóng)業(yè)、作物品種的改良和推廣、生態(tài)農(nóng)業(yè)、植物保護等方面取得的成就舉世矚目。農(nóng)業(yè)人口由當初占全國人口的70％減少到現(xiàn)在的3％，小麥、花卉、水果、棉花等農(nóng)產(chǎn)品不但自給有余，還大量出口。以色列高科技產(chǎn)業(yè)異軍突起，信息產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。新興公司數(shù)量僅次于美國，居世界第二，高新技術(shù)出口占全部出口收入的70％。電子產(chǎn)品出口占全部工業(yè)品出口的40％。軟件產(chǎn)業(yè)成為國際軟件業(yè)的一支主要力量，是國際認可的軟件設(shè)計中心。近年來，以色列在衛(wèi)星圖像、納米技術(shù)、反導系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)新技術(shù)開發(fā)、太陽能發(fā)電、生物技術(shù)等領(lǐng)域都取得顯著的成果。