高拉伸范德华薄膜用于适应性和可呼吸的电子薄膜

高拉伸范德华薄膜用于适应性和可呼吸的电子薄膜

文章出处： Zhuocheng Yan, Dong Xu, Zhaoyang Lin, Peiqi Wang, Bocheng Cao, Huaying Ren, Frank Song, Chengzhang Wan, Laiyuan Wang, Jingxuan Zhou, Xun Zhao, Jun Chen, Yu Huang, Xiangfeng Duan. Highly stretchable van der Waals thin films for adaptable and breathable electronic membranes. Science 2022 , 375 , 852-859.

摘要： 电子系统与不规则软物体的共形集成是许多新兴技术的关键。作者报道了由交错二维纳米片与无键范德华界面组成的范德华薄膜的设计。在交错的纳米片之间，薄膜具有滑动和旋转自由度，以确保机械拉伸性和延展性，以及纳米通道的渗透网络，以赋予渗透性和透气性。独立式薄膜与生物软组织具有良好的机械匹配，能够自然适应局部表面形貌，并与具有高度保形界面的生物体无缝融合，使生物体具有叶栅晶体管、皮肤栅晶体管等电子功能。皮肤上的晶体管允许高保真监测和局部放大皮肤电位和电生理信号。

电子系统与不规则软物体的集成对许多新兴技术越来越重要，包括用于物联网的电子技术和用于监测动态生命体以及用于在个性化医疗和远程保健的情况下诊断和治疗人类疾病的生物电子技术。一个稳健的生物电子系统需要与生物结构进行密切的相互作用，以执行特定的 *** 作，如生物信号的记录、放大和提取，以及传递电或化学刺激。因此，生物电子学的实现取决于许多不同寻常的材料和器件特性，包括电子性能、机械灵活性、延展性或延展性，以确保与动态演变的微观表面形貌的共形和适应性界面；生物与环境间气体和/或营养交换的透气性或透气性，以减少对自然生物功能的干扰。

传统的硬电子材料在导电性、机械响应、渗透性和环境适应性方面与生物软组织表现出本质上的不匹配。硬无机半导体可以做成超薄的薄膜形式，但几乎不能伸缩，而且由于其基本的拓扑限制，无法与非零高斯曲率的不规则几何形状形成保角界面。特殊设计的抗变形结构的发展，如褶皱、屈曲、波浪形或蛇形结构，由于其内在的微观结构波动，带来的是宏观的可伸缩性，而不是微观的整合性。有机或复合半导体薄膜可以制成可拉伸或适形的，但在典型的湿生物环境中通常表现出电子性能不足或稳定性有限的问题。

此外，传统的无机膜或有机薄膜在超薄的悬空形式下通常表现出有限的机械坚固性，需要聚合物[如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚酰亚胺(PI)]基底支撑来保持结构完整性和特定的多孔结构设计来实现透气性。聚合物基底一般比细胞膜(约10 nm)厚(远大于1 μm)，弯曲刚度大，对生物结构动态演化的适应性差。

受生物组合中范德瓦尔斯(VDW)相互作用的启发，作者利用这些相互作用将二维纳米薄片组装成独立的VDW薄膜(VDWTFs)，该薄膜与生物软组织具有良好的机械匹配，可以直接适应并与具有超共形和可呼吸的膜-组织界面的生物体融合。VDWTFs在交错的二维纳米片之间具有无粘结的VDW界面，相邻纳米片之间的打开滑动和旋转自由度赋予了不同寻常的机械灵活性、延展性和延展性。交错的VDWTFs还具有纳米通道的渗透网络，以提高渗透性或透气性。

虽然本质上硬的材料(如硅片或硬纸板)的柔韧性可以在超薄膜格式(如硅膜或纸)中增加，但拉伸能力从根本上受到共价化学键的限制，随着厚度的减少几乎不会发生变化。由于固有的拓扑限制，不可能使用这种柔性但不可拉伸的膜来制造非零高斯曲率局部地形的保形界面(例如，用一张纸包裹一支笔，图1)。为了实现不规则几何形状的保形界面，可拉伸性是至关重要的，允许必要的变形以适应局部表面地形。在足够的拉伸应力下，聚合物链之间具有分子间滑移的特定聚合物材料可以被拉伸并适应局部地形(例如，在笔上缠绕聚乙烯薄膜，图1B)。

为了实现具有可拉伸膜的保形界面，需要外部压力来诱导足够的变形，以匹配局部表面形貌，从而导致接触压力可能导致组织变形或损伤(例如，紧紧包裹在指尖旁束)。构建三维几何模型，可视化可拉伸膜在球面上的保角适应过程， 探索 局部变形随接触压力的演化(图1C)。随着荷载的增加，薄膜逐渐适应球形压痕，在保形适应过程中，薄膜网格被拉伸和扩展以适应局部应变和变形。

作者使用一个简化的球形压痕模型来评估形成一个具有给定曲率的表面形貌的保角界面所需的最大接触压力。压痕应变ε由下式推出：

其中， r contact和 r curve分别为接触半径和形貌半径(图1D)， k 为与压痕应变有关的常数。总的来说，接触半径和压痕应变随着载荷的增加而增大，直到薄膜和半球之间形成保角界面。达到保角界面所需的最大接触压力由杨氏模量和薄膜厚度决定：

式中 P 0为最大接触压力， E 1和 v 1分别是薄膜的杨氏模量和泊松比， t 为膜厚度， E 2和 v 2分别是球体的杨氏模量和泊松比。 E /(1 - v 2)被视为平面应变模量，人体皮肤为130 kPa，PDMS为4 MPa，聚酰亚胺为2.8 GPa。平面应变模量的差异说明了人类皮肤和柔软的聚合d性体或典型塑料之间的巨大机械不匹配。

利用公式1和公式2，作者可以计算出对于具有不同平面应变模量的材料，在一定的接触压力下，获得具有给定 r curve形貌的保形界面所允许的最大薄膜厚度(图1E)。例如，在最大接触压力 P 0为1 kPa (人类能感觉到的最柔和的触摸为1 kPa)下，为了实现 r curve ~ 5 μm的保形界面，PDMS允许的最大厚度为0.3 μm，聚酰亚胺允许的最大厚度为39 nm。同样，对于具有不同平面应变模量和厚度的材料，作者也可以计算出在给定 r curve为5 μm时形成保角界面所需的最大接触压力(图1F)。

这些分析强调了达到保角界面所需的接触压力与杨氏模量和薄膜厚度成正比，与表面形貌的曲率半径成反比。虽然，原则上，生物组织的接触压力可以通过减少膜的厚度来最小化，对于大多数聚合物材料来说，由于单个聚合物链的特征尺寸的限制，以及在临界厚度(如25 nm)以下机械性能的急剧下降，其厚度不能无限地降低。适用于电子应用的导电聚合物，由于其链长、区域规整性、聚合度等特殊的结构特性，往往表现出较差的力学性能。

在作者的VDWTFs设计中(图1G)，悬垂无键纳米片相互交错对接，以最小的界面捕获态建立了宽面积的平面到平面VDW接触，以确保通过片间晶界的优异电荷传输。通过纳米片之间的无键VDW相互作用，VDWTFs与通常以VDW相互作用为特征的软生物组件提供了一种自然的机械匹配。当变形时，无键结合的VDW界面允许纳米片相互滑动或旋转，以适应局部张力或压缩，而不会破坏宽面积的VDW界面和导电通道，这是实现超薄独立式格式中不同寻常的拉伸能力和结构稳定性的必要条件。VDWTFs的机械变形很容易转化为片间滑动或旋转，以适应局部应变和变形，克服拓扑限制，从而赋予其特殊的延展性和对不规则和动态变化的表面形貌的适应性。最后，VDWTFs具有纳米通道的渗透网络(由纳米片厚度决定：约3 nm)，围绕交错的纳米片进行气体和/或营养物质的渗透，这对生物电子学的透气性至关重要。

这种电子性能和机械性能的结合源于交错二维纳米片之间的VDW相互作用，在典型的化学气相沉积生长薄膜(CVDTFs)中很难实现(图1H)。CVDTFs (其典型的多晶结构由侧缝结构域组成)的电和力学性能受到晶粒尺寸、晶粒取向、形状和晶界缺陷密度的强烈影响。在CVDTFs中，晶粒内部坚硬而强的共价键合以及晶界处的无序键合(图1H)会导致裂纹和断裂的形成，这些裂纹和断裂在变形时沿着晶界传播，从而在最小应变下引起机械破碎和电子崩解。

采用插层剥离法制备二硫化钼(MoS2)纳米片油墨，并采用旋涂法组装成VDWTFs。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)的研究显示了一个交错的纳米片薄膜(图2A和2B)，薄膜总厚度约为10 nm。MoS2纳米片相互交错对接(垂直方向上平均有3-4个纳米片交错排列)，形成大面积的平面到平面的VDW界面(厚度约为3 nm，横向尺寸从小于1 μm到数μm)。即使在独立格式中，宽面积无粘结的VDW界面允许相邻的纳米片相互滑动或旋转，以适应局部结构扰动，并减少应变引起的裂缝和断裂，从而确保结构完整性。例如，连续的独立式的VDWTFs可以很容易地漂浮在水面上(图2C)，完全重复折叠而不撕裂，悬挂在开孔上而不破裂(图2M)。相比之下，独立的多晶CVDTFs很容易在水中破碎(图2D)，而且太脆弱，无法悬浮在空孔上。

当拉伸应变为43%时，VDWTFs的应力-应变曲线表现出良好的线性关系(图2E)，杨氏模量(约47.3 MPa)比体相MoS2 (约200 GPa)小三个数量级。模量的大幅降低表明，薄膜变形转化为纳米片之间的层间滑动或旋转，而不是固有的晶格扩展(图2F)。超过线性状态后，随着拉应变的进一步增大，应力几乎没有增加，表明层间滑动或旋转逐渐达到极限，并开始局部破裂，在较高的拉伸应变下进一步恶化，并导致在>120%的拉伸应变下完全破裂。

作者比较了VDWTFs和CVDTFs的电子性质作为施加应变的函数(图2G)。由于CVDTFs在独立状态下不能保持宏观结构的完整性，所以测量是在PDMS基底上支撑的薄膜上进行的，以确保有一个稳健的比较。对于CVDTFs，在拉伸应变为 2.5%时，相对电阻呈逐渐线性增加的趋势，当拉伸应变超过2.5%时，相对电阻急剧增加，表明CVDTFs在宏观上开始断裂。而VDWTFs在拉伸应变为>55%时才出现快速的电阻增加，且在多次应变循环下可恢复电阻稳定。当拉伸应变为>55%时，电阻急剧增加，表明微观裂纹的形成和导电通道的大幅减少。

作者评估了VDWTFs对微观表面形貌的适应性和一致性。SEM研究表明，VDWTFs不仅具有直径4.3 μm的微球阵列(图2H)，而且具有孤立的单个微球、两个或三个微球团簇(图2I)，它们以共形方式包裹在微球周围而不撕裂。相比之下，相同表面形貌的CVDTFs保角性差得多，并显示出大量的微裂纹(图2J和2K)，特别是在高应变或应力集中区域(如微球脚或相邻两个微球之间的空间)。

表面润湿性对于确保电子膜和生物体之间的适当粘附是至关重要的(图2L)。由于在单个纳米片构建模块中具有丰富的边缘结构，VDWTFs表现出更好的润湿性(水接触角为40.2o)，比CVDTFs (水接触角为76.3o)的润湿性能更好，这是与湿生物组织紧密结合的理想条件。

最后，膜的透气性或透气性是生物电子应用中气体或养分与环境交换所必需的。水蒸气透过率研究显示，悬置在裸眼上的10 nm厚和30 nm厚的悬空VDWTFs的水蒸气透过率分别为34和26 mg·cm-2·h-1 (图2M和图2N)，大约是典型的皮肤失水率(TEWL)的6-8倍(4.4 mg·cm-2·h-1)。连续VDWTFs的这种通透性归因于交错纳米片结构，交错纳米片结构周围缠绕着高度互联的纳米通道网络(通道厚度由纳米片厚度决定，约为3 nm)。

由于其特殊的延展性、适应性和透气性，VDWTFs可以直接与生物体融合，形成无缝的电子-生物混合体。尽管之前的尝试试图用电活性材料来增强植物功能，或简单地将植物用作非常规的支持基底，作者的方法是将VDWTFs转移到叶子上，形成叶栅晶体管，其中所述植物叶片起调制门的作用，并构成所述装置的有源部分。作者选择叶肉中含有丰富电解质的 Senecio mandraliscae 的叶子作为模型系统来研究叶栅晶体管(图3A)。对于叶栅晶体管的 *** 作(图3B)，VDWTF通道与蛇形网格Au电极接触(图3C)，以防止粗糙的叶子表面的局部应变破坏Au薄膜电极，而插入的钨探针与所述叶片内的电解液建立电接触，以形成栅电极。通过光学显微镜(图3D)和SEM结果(图3E)证实，转移的VDWTFs形成了一个高度共形的完全顺从的界面，。

叶栅晶体管的功能依赖于离子门效应(在叶栅电解液中)来调节VDWTFs的电子特性，因此微观共形界面是有效门控的必要条件。叶栅晶体管具有典型的n通道传输曲线，开关比约100 (图3F-3H)。相对较低的开/关比受到晶体管通道的直接漏电流(从叶栅通过直接电阻耦合)的限制。具有高保形界面和高效的栅耦合，叶栅晶体管可以在生物系统耐受的低工作电压下工作。

VDWTFs可以通过一个高度适形的界面转移到人体皮肤上形成皮肤栅晶体管。在皮肤中，电解质有助于导电，调节pH值水平，并控制身体的水合系统。VDWTFs与皮肤纹理的适形集成导致了皮肤栅晶体管，其中人体皮肤中的电解质有效地调节了VDWTFs中的传导(图4A和4B)。适当的皮肤栅晶体管功能需要保形界面，VDWTF通道和皮肤之间有密切的相互作用，其中皮肤可以用一个由电容器和电阻组成的并联电路模拟，真皮和下面的皮下组织可以用一个电阻模拟(图4B)。

作者研究了独立式VDWTF在Ecoflex硅橡胶制成的前臂皮肤复制品上的一致性，并将其与在1.6 μm厚PI基底上支撑的相同VDWTF进行了比较(图4C)。独立的VDWTF适应皮肤纹理，并使一个良好的适形界面没有明显的开裂或撕裂。相比之下，1.6 μm厚的PI基底和VDWTF与PI基底的保角接触要少得多，大多数细微的皮肤纹理都被隐藏了，比如表面皱纹和凹坑(图4C)。轮廓测量高度剖面分析显示，覆盖了独立VDWTF的皮肤复制体的表面形貌与未覆盖VDWTF的皮肤复制体的表面形貌基本相同(图4D和4E)，表明界面为完全保形界面。相比之下，对于1.6 μm厚PI基底支撑的VDWTF覆盖区域(图4F和4G)，表面形貌基本平坦，说明1.6 μm厚的PI基底已经太厚，无法自然适应皮肤纹理，无法形成微观共形界面。

薄膜与表面形貌形成保角界面的能力可以由抗弯刚度决定。多层膜的有效抗弯刚度( EI )可以描述为：

式中，中性的 h 表示中性机械平面， i 表示薄膜的第 i 层， hi 、 Ei 、 vi 分别代表厚度、d性模量和泊松比， N 为层数。由于薄膜厚度小，d性模量低，10 nm厚度的VDWTF薄膜的抗弯刚度为4.2 10-9 GPa·μm3，比1.6 μm厚度的VDWTF/PI薄膜(0.97 GPa·μm3)的抗弯刚度小了约8个数量级。

移植到人体皮肤上的VDWTFs对变化的皮肤纹理表现出良好的自然适应性，并在拉伸、挤压和松弛循环过程中保持适形接触，而不出现明显的破裂或剥落(图4H)，突出了VDWTFs对动态进化的生物基质的高度适应性。相比之下，转移到人体皮肤上的CVDTFs在皮肤受到类似变形时容易断裂和剥落。图4I显示了皮肤复制品上两种薄膜的剩余面积与挤压和拉伸循环的数量之间的关系。由于独立的CVDTFs不够坚固，无法进行处理和转移，因此它们被转移到具有甲基丙烯酸甲酯(MMA)基底支撑的皮肤复制品上。在转移过程之后，一旦MMA被丙酮蒸汽溶解掉，CVDTFs迅速脱落。剩余面积瞬间减小到原始面积的50%左右，经过100次拉伸循环后，进一步减小到原始面积的40%，且大多为断裂区域。断裂和剥落是由于膜-皮肤界面不稳定，这与其有限的伸展性、整合性和较差的润湿性有关。相比之下，VDWTFs对动态变化的皮肤复制品表现出优越的拉伸性能和一致性，没有明显的断裂或剥落，在重复挤压和拉伸循环后，基本上保持100%的表面覆盖。

在适用于生物系统的低工作电压下，皮肤栅VDWTF晶体管的输出和传输曲线显示了预期的晶体管功能(图4J和4K)。此外，皮肤栅VDWTF晶体管在经历各种机械变形时也能保持稳定运行(图4L)，为在电生理信号探测和放大方面的应用奠定了基础。

考虑到许多生物电位信号显示瞬态响应，作者评估了皮肤栅晶体管的频率响应。皮肤栅晶体管的响应时间τ是通过测量在20 μs脉冲下100 mV栅电压下的电流响应来探测的(图5A)。用指数函数拟合实验数据，得到了7μs的响应时间(图5B)。此外，皮肤栅晶体管的截止频率(跨导比其平台值下降3 dB)约为100 kHz (图5C)，这足以监测来自人体的大多数电生理信号。

作者研制了用于心电监测(ECG)的皮肤栅VDWTF晶体管。在本测量中，将VDWTF垫放置在左前臂上，将栅极贴附在对称的位置(右前臂) (图5D)，每个VDWTF垫与附近的Ag/AgCl电极工作以进行比较。在传统Ag/AgCl电极测量心电时，常见的挑战是由于滑动、一致粘附引起的运动伪影，以及皮肤变形引起的电极-皮肤界面的机械失配，导致信噪比(SNR)大大降低，从运动前的44.3 dB (图5E)下降到运动时的28.5 dB (图5F和5G)。使用保形皮肤栅晶体管，运动伪影得到了缓解，实现了基本相当的信噪比，在人体运动前为49.8 dB (图5E)，在人体运动时为49.2 dB (图5F和5G)。在运动伪影减少的情况下，皮肤栅晶体管记录的心电信号具有清晰的P波、QRS波和T波，在人体运动过程中没有异常偏差，基线相对稳定(图5F和5G)。相比之下，这种精细信号不易被Ag/AgCl电极分辨(图5G)。

高保真、实时的脑电图(EEG)记录对于监测大脑活动、研究认知行为和深入了解各种神经系统疾病都很重要。大脑活动可以分为5个频段：δ波(0-4 Hz)、θ波(4-8 Hz)、α波(8-12 Hz)、β波(12-30 Hz)和γ波(>30 Hz)，每个频段都与不同的精神状态相关。为了测试它们获取高质量神经生理信号的能力，根据国际10-20脑电图电极放置系统，作者将VDWTF晶体管放置在前额左侧(Fp1)，并记录相对于放置在左侧枕部的参考电极(O1)的电压差异(图5H)。当受试者闭上眼睛放松时，脑电背景通常以后显性α节律(后显性节律)为特征，具有显著的8-12 Hz (α)振荡(图5I和5J)，与冥想、正专注等大脑活动相对应，可降低应激水平。α节律通常在睁眼时显著衰减，从皮肤栅晶体管测量的脑电图信号谱图中可以清楚地看到(图5K)，显示α节律的动态活动与周期性的闭眼和睁开相关。

在这里，作者报道了由二维纳米片组装而成的机械坚固的独立式VDWTFs，用于高拉伸、适应性、保形和透气的薄膜电子器件。纳米片之间的无键VDW界面使滑动和旋转的自由度，以呈现非凡的机械灵活性、延展性和延展性。交错纳米片结构还具有纳米通道的渗透网络，具有优异的渗透性或透气性。超薄的独立式VDWTFs结构坚固，与生物软组织具有良好的力学匹配，自然适应显微地形，并通过高度共形界面直接与生物体结合，赋予生物体电子功能。因此，VDWTFs可以作为通用的电子薄膜，主动适应环境，同时保持足够的电子性能，用于传感、信号放大、处理和通信。

滚珠丝杠的种类选择：

滚珠丝杠的螺母，根据钢球的循环方式可分为：弯管式、循环器式、端盖式。这三种循环方式的特长。

弯管式

（SBN、BNF、BNT、BNFN、BIF 和 BTK型）这些型号，搜索的到。

循环式导片式（HBN型）

这些型号是最典型的螺母，通过使用弯管让钢球经行循环。钢球从丝杆轴的沟槽中掬取进入弯管后，再回到沟槽中，做无限循环运动。

循环器式

（DK、DKN、DIK、JPF 和 DIR型）

这些型号是最小型的螺母，通过循环器改变钢球的行进方向，越过丝杆轴外径回到原位，做无限循环运动。

端盖式

（SBK、SDA、SBKH、WHF、BLK、WGF、BLW、WTF、CNF 和 BLR型）

这些型号是最合适高速给进的螺母。钢球利用端盖，从丝杆轴的沟槽中被掬取到螺母的通孔里，通过通孔又回到沟槽中，做无限循环运动。

我觉得题主或许对物理学的发展有什么误会。讲真近100年来的物理学发展，其实是人类史上发展最快的100年。我们来简单做一个对比，就能够知道目前的科学发展到底有多快了。

首先，科学起源于古希腊的自然哲学，尤其是毕达哥拉斯和柏拉图的那一支，到了亚里士多德时期，他是集大成者。

他在自己师兄的基础上提出的地心说，以及托勒密最后做出的地心说模型，大概花了700年左右的时间。（从泰勒斯约公元前624年-公元前547或546年，到托勒密公元90年-公元168年）

从托勒密开始，自然哲学几乎是停滞的状态，甚至整个西欧都不知道原来生活在这片土地上的人有过这么璀璨的文化。而继承者是阿拉伯人，但是他们做出的贡献十分有限，以知道文艺复兴其实，依旧是托勒密做出地心说1400年左右的时间，西欧的人民才知道原来古希腊罗马时期的文化这么繁盛。也就是在整个时候，哥白尼提出了自己的日心说，开启了哥白尼革命，

从哥白尼开始一直到牛顿提出牛顿力学，万有引力定律，一共花了200多年（从哥白尼1473年2月19日-1543年5月24日，到牛顿1643年1月4日-1727年3月31日）也就是说，科学发展的第一阶段，用了700多年，跨越到第二阶段用了1400多年，而第二阶段，又花了200多年。

接近着，物理学成了数学家手中万物，他开始深化牛顿力学，并且把牛顿力学发扬光大，甚至还可以预测行星的存在。而这段时间物理学几乎是停滞的，直到麦克斯韦提出麦克斯韦方程（麦克斯韦1831年6月13日-1879年11月5日），而麦克斯韦和牛顿力学的矛盾，终于催生了相对论和量子力学，这也应了物理学的第二座高峰，从牛顿到相对论量子力学的诞生，前前后后用了250多年的时间。

量子力学的黄金年代在1930年之后就慢慢暗淡了下来，随后开始剧烈发展的是粒子物理标准模型，大概是从50年代开始一直到70年代结束。

这短短的20年左右，科学家们同意了四大作用力当中的，强相互作用力，弱相互作用力以及电磁力。他们有尝试过把万有引力也纳入进来，但失败了。

而且就几乎在同时，科学家又发展出了一个有望继承大一统理论的弦论。但由于观测仪器的限制，我们还没办法验证弦论的正确与否。

而从相对论，量子力学再到粒子物理标准模型，以及弦论，至今不过100年左右，比起科学之前的发展，这已经是非常非常快的了。这还没完，这只是理论物理学，其实在20世纪快速发展的还有天体物理学，大爆炸理论，暴涨理论，以及发展宇宙微波背景辐射，引力波，黑洞，暗物质，暗能量都足以载入史册。 科技 方面，三极管，激光，芯片，通信等方面都有长足的进步。所以，20世纪，或者说近一百年来，其实科学的发展速度并不慢，应该是说特别快。

科学发展受到的限制

而理论物理学之所以让人觉得慢，很有可能是很多人在期待类似于相对论和量子力学，牛顿力学，麦克斯韦方程这样的成就。但是，我们要知道的是，是不是可以搞得出全新的理论物理学理论，并 不是在于人类的智力，更重要的是观测仪器。

新的理论来自于新的误差。

为什么这么说呢？最早牛顿提出牛顿定律，其实是牛顿解释了肉眼或者用低倍望远镜就能观察到的宏观低速的世界，在这个世界里，牛顿力学的理论和现实拟合得非常完美。后来物理学似乎就停滞住了。这其实是因为观测水平限制住了，人类很难看到原子级的现象，或者大尺度（引力大，速度快）的现象，看不到现象就提不出理论，这是很正常的。可到了20世纪初，观测水平太高，使得科学家提出了两个理论，广义相对论在大尺度上和现实拟合得很好，量子力学在亚原子级的尺度上和现实拟合得非常好。恰恰牛顿力学在更大和更小尺度就显示出了不足，误差变得特别大。

因此， 新的理论其实来自于更精准的观测，来自于观测之后产生的误差。如果没有观测技术的升级，即使爱因斯坦活在古希腊罗马也提不出相对论来。

所以，未来的理论，其实会出现在比相对论适用范围更大的尺度，以及比亚原子级更小的多的尺度。但是目前，我们其实不具备观测到更大和更小尺度的设备。所以，理论物理学没办法发展。

这也是为什么，现在各国都争先恐后地研究引力波，暗物质，暗能量，黑洞的情况，对于这四种现象，是相对论的盲区。如果能够获取到相关的物理学现象，那理论物理学就很有可能取得长足的发挥

我们国家在这四个领域都各自投入了千亿级的资金去做研究，前段时间的悟空探测器就是针对暗物质的探测器。而弦论一直都是假说的原因，也就在这里，因为它的尺度比我们现在精度最高的观测设备的误差还要小很多很多，你说这咋验证这个理论到底对不对？

所以，其实理论物理学的发展理应是越来越慢的，因为观测技术的提升越来越慢。但是事实却反了，科学的发展其实仔细盘下来是加速发展的，这其实体现了现代人十分重视科学发展的一面。

最后，还是那一句话， 理论物理学的发展不是受到人类智力的局限，而是受到观测技术的局限。

物理学最近的发展，确实没有20世纪初的物理学大革命时代那么快了，当时一下子出现了相对论与量子力学的大革命，带来了原子d与核能，半导体与激光，光谱仪器与大型加速等等，而当初的黄金时代已经不能在现在重现，物理学进入失落的时代。著名物理学家，李斯莫林写了一本书，叫《物理学的终结》，大致也反应了这个失落，物理学的发展已经到了瓶颈期，本来大家还寄希望于超弦理论能够给物理带来新的突破，但后来大家越来越感觉到超弦像是一个数学理论，无法给出能验证的物理预言，所以物理学家的心情也有点黯淡了。

看看最近的物理学新闻，也能感觉到一些黯淡。

比如说，中国科学院的悟空卫星，探测到了异常的电子信号，但虽然大家希望它是暗物质粒子，可是大家也觉得可能性不大，因为美国的AMS也没有探测到，熊猫计划的地下实验也没有探测到，估计悟空也难以探测到，于是一大希望可能破灭。

再比如说，中国科学院高能物理所积极倡导了建设巨型对撞机，这个项目也是折蕺沉沙，不但非物理圈的科学家反对这个项目，甚至物理界里面也出现了反对的声音，很多人因为不是利益相关，强烈反对这个项目，而不是从民族大义的高度去思考这个问题，尤其是很多凝聚态物理学家，觉得高能物理不应该花那么多钱，居然也默默反对这个项目，其实大型加速的建造，用到很多超导磁铁，也会促进凝聚态物理的发展，但是，囿于门户之间，大家没有齐心合力，最后巨型撞击机在这5年内没有得到支持，中国的物理发展也错过了一个战略机遇。

要回答这个问题，首先要了解物理学是什么？

直白一点说，物理学史研究自然现象的，是基于自然现象而归纳出的一般性规律，这是理论物理学。

实践物理学是：用依旧归纳的一般性规律演绎出自然状态不太可能自动生成的事物，比如电脑，人工智能等。

所以物理学的瓶颈在本质上取决于人对自然现象的认识。

有两种可能会导致物理学永不前进

第一种可能：自然世界本来就是屈数可指的现象，物理学也只能在这些仅有的现象上归纳一般性规律。

在横向来看，除了声、光、热、电、力外绝无其他现象。

在纵向来看，除了微观世界，宏观世界，以及高速世界外，自然现象也没有更多可能的现象了。

仅有不多的自然现象是阻碍物理学进步的根本性原因。

第二种可能：自然现象或许本有无数多种存在的形式，只是人类在认识上的局限性导致与更多的自然现象绝缘。

很可能的原因在于人类感官的局限性。

比如我们常说的暗物质，之所以最近几十年来人类才相信暗物质的存在，是由于暗物质是和感官绝缘的。

我们无非是通过视觉、听觉、味觉、触觉、嗅觉认知世界。

科学技术的升级，让原本不属于可见光之外的电磁波成为了视觉的扩充。

然而暗物质是五官无法直接甚至是间接感受到的。我们只能通过仅有的理论推理这一“可能的自然现象”的存在。

所以物理学的进步取决于自然现象本来的数量，以及人类可通过直接或间接地方式感受到的自然数量为基准。

就21世纪的物理学来说，虽然已经完成了对微观和宏观世界的描述，但是万有理论尚未完成。

暗物质与暗能量也处于空白领域，正反粒子对不对称问题尚未有可靠的诠释等等。

其中任何一个问题取得突破，都是物理学重大的进步。

但未来的物理学到底有没有瓶颈还是一个值得商榷的议题，这依旧取决于我前面提到的两点因素。

准确来说，物理学中的基础科学貌似停滞很久了，从20世纪初的两朵乌云中诞生的相对论和量子理论距今也有百年了，难道物理学发展真的遇到瓶颈了？

科学发展需要时间的积累

科学突破也是量变引起质变的过程，纵观人类科学史，从亚里士多德到伽利略再到牛顿，经历了上千年的时间，人类才对力与运动有了完善的认识，从牛顿到爱因斯坦，又经历了近两个世纪，人类才有了新的时空认识。

“如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上”，同样，每一次的科学突破都可以看做是在前人的基础上实现的，而这种科学基础是需要时间累积的，只有在科学 探索 中发现大量的问题，我们才有可能从这些问题中找到原因，分析规律，实验证明，这是一个漫长的过程。

从亚里士多德到牛顿，人类跨越两千年才弄清楚力学原理，从牛顿到爱因斯坦，人类两百年就参悟到了时空本质，这已经是进步神速了，相对论距今，仅仅只有百年左右，不同于百年前的两朵小乌云，现在的科学天空可以说是乌云密布，随着人类科学 探索 的深入，从百亿光年尺度的宇宙到难以想象的微观世界，到处充满了疑问，暗物质、量子纠缠、磁单极子等等都在等待着科学解释，现在的科学更像是处于“憋大招”的过程。

低垂的果实已经被采集殆尽

低垂的果实已经被采集殆尽，高悬的果实又太高了。这一点从历年来博士学业的完成时长就可以看到，以中国为例，2010年之前平均攻读博士需要3.54年，而现在攻读博士平均需要5年左右，而且这个时长还在增长。

在上个世纪，一个厉害的物理学家往往精通与数学与物理学两个科学，但是到今天，知识总量太大了，没有人能学完所有的物理知识，所以物理的分支也就越来越多，比如力学、高能物理学、量子力学等等。就现在的知识总量来说，估计不会出现物理学全才了。

科学分类越来越多，但是我们知道世界是物理规律共同作用的结果，因此在新时代，科学研究靠单打独斗已经不合适了，要想摘取高处的果实，往往需要团队合作。

科学理论与实验验证

每一条科学定律都经历了从发现问题到找出规律再到实验验证这个流程，所以科学其实是理论与实验相结合，两条腿走路的，但是现在来看，实验这条腿有点跟不上节奏了，黑洞理论于1975年提出，直到今年我们才真实的观测到它存在的证据，而对于黑洞的霍金辐射现象，一直无法提供实验证明，因此霍金到去世也无法获得诺贝尔奖。

以万有理论的有力候选者弦理论为例，其认为的多维时空与物质微观结构以现在的实验水平几乎不可能直接验证。 最近几年的引力波观测与黑洞照片其实都是对相对论的检验，只有充分证明相对论的正确性，才可以以相对论为基石，迈向更高的科学台阶，摘取更高的科学果实。

总结

纵观两千年来的科学发展史，人类对宇宙规律的认识其实一直在提速，从亚里士多德到牛顿，人类耗时上千年认清了力与运动的规律，从牛顿到爱因斯坦，人类只耗时两百年，就领悟到了时空的秘密，相对论发表距今只有百年左右，而现在物理学天空可以说是乌云密布，暗物质、量子纠缠、黑洞、弦理论等等都在等着科学验证，从这点看，物理学现在更像是黎明前的黑暗。

同学们看了《三体》，就老是被刘慈欣洗脑，什么物理学几十年再无寸进，什么基础理论已有50年原地踏步等等，感觉人类 科技 已经被智子锁死，外星人明天就将入侵，然后慌得一笔。

物理学的进展

讲远一点，人类认识自然和发展科学，一开始靠的是直接的感官认知，以及客观经验的积累。

为什么直到今天，仍旧有那么多的同学质疑爱因斯坦的相对论，喜欢用两个手电筒交差反射等等，就超越光速。还不是因为，同学们摆脱不掉，从生活经验中去理解和总结；然而相对论从根本上，就不是可以凭借客观经验，或从现实生活中，直接获知的理论。简单的说，它必须超越你一般想象，才能真正弄明白的的事情。很不幸的是，现代科学的两大理论基础，相对论以及量子力学，恰恰都是如此，非常的脱离群众基础啊。

所以，不是物理学发展到达了瓶颈，而是，一般吃瓜群众们，对于科学的理解到达了瓶颈。而且，这个瓶颈需要普遍极大的教育水平提升，才有可能克服。而现代 社会 随着分工的细化，国家福利保障的提升，一般群众，只要掌握特定的技能，就能生存。因此前沿科学，不被广大人群理解是很正常的情况。

前沿科学

正如“老和山下小学僧”曾经说过：所谓前沿 科技 ，往小了说就是粒子，往大了说就是天文，往虚了说就是时空，往实了说就是生命。

这几样东西再往细了说，归根结底都是讲数学，又有几个同学有兴致和耐心去听，更不用说，去搞懂呢？

举个例子，为了撮合引力和强力、弱力以及电磁力的统一，物理学家们提出了超弦理论。这种理论假设，以前我们认为是粒子的夸克和轻子，实际上都是“弦” 振动的能弦，它们在11维中摆动，包括我们已知的3个维度，再加上一维时间，以及另外7个别的维度。这种弦非常微小 小得可以被看成是点粒子。通过引入额外的维度，超弦理论就使科学家能把量子定律和引力定律相对比较融洽地合在一起，完成物理学梦想中的大统一。

弦理论又进一步产生了所谓的M理论。N理论把所谓“膜”的面，作为其物理学世界解释的灵魂。它是这样解释宇宙创生过程的：大爆炸过程以一对又平又空的膜开始；它们互相平行地处于一个卷曲的5维空间里，两张膜构成了第5维的壁，很可能在更遥远的过去作为一个量子涨落产生于无。——WTF？同学们当然要懵的一逼才对！这当然不是理论的错，是因为要将数学模型文字化，特别是纯粹的数学概念文字化，对于前沿的物理学家来说，的确有点勉为其难。

毕竟，你没有理解这些的深厚数学功底；他们同样没有这么简洁明快的科普文字表达能力。随便抛个公式出来，你我都受不了，大家互相体谅一下吧。

结语

自从牛顿以来，特别是电发明之后，人类 社会 的发展快得飞起，是不争的事实！但现在的电，还不是一百五十年前的电，你能说人类应用电就被锁死了吗？

给点耐心，或者，享受就好。毕竟科学的目的，就是为了让人类生活得更容易一些，也仅此而已。

这是一个十分尖锐而严肃的问题！

我们看一下给这个世界贡献最大的10位伟大的物理学家的出生年表，就可以发现问题所在？

伽利略出生在1564年、牛顿出生在1643年、亨利出生在1731年、法拉迪出生在1791年、麦克斯韦出生在1831年、普朗克出生在1858年、爱因斯坦出生在1879年、波尔出生在1885年、狄拉克出生在1902年、费曼出生在1918年（世界上十大著名物理学家是在1564年-1918年的354年里）。

这就是不符合自然规律运转，物理学而出生的瓶颈期，进入了一个失衡的状态。

这种瓶颈最明确的时间就是1914年第一次世界大战的爆发；这场战争后带来了工业革命，带来了 科技 力量。第二世界大战后更加快了 科技 发展的速度。

正是这些现实导致了科学、哲学、物理学的淡化，人类逐渐忘记了物理学、哲学、科学对人类发展的重要？

物理学发展应该引起联合国的重视，应该引起人类的重视！

我相信未来的世界物理学的发展，需要能够代表东方哲学思想的中国，掀起物理学研究、科学研究、哲学研究、 社会 学研究的热潮；我预判中国在人类未来的发展中产生出，对未来世界文明发展史上的伟大的物理学家。

实证物理还有很大的进步空间，理论物理已经限于瓶颈。除非改变数学拟合方法或改变方向的理论模型出现，否则难有突破。

物理自相对论、量子理论、电磁转换理论、基本粒子模型之后，几乎大局已定。大多采用间接拟合方式进行数学拟合。

很多理论或理论假说处于待验证甚至无法验证状态。如相对论推导出的黑洞或灰洞的内部验证。虫洞、白洞，暗物质、暗能量、平行空间、总时空奇点附近、总时空弥散区、弦理论、膜理论、多维的极限验证等等。部分理论假说甚至想不出验证的方法，例如弦理论。

这导致了一些理论问题和现实问题。

相对论已验证部分取得巨大成功，但是在理论推论极端处，现在面临无法观察、验证的问题。而在未验证区域，一些人急躁地想当然地认为相对论依然有效，这未免不物理。大爆炸理论计算最初的五亿光年区域内，明显现在无法观测验证，但是大爆炸假说在这个地方出现理论分歧。笔者也认为总黑洞还在，无需暗物质这个物理变量，发布了双臂紧致螺旋总时空几何模型。而在遥远的这个时空物质弥散区，基本粒子温度逼近绝对零度，那么会出现爱因斯坦凝聚态，基本粒子甚至被冻结速度为0。爱因斯坦知道这个状态，也就意味着他知道相对论不是放之四海而皆准。至少这地方失效。

另外，黑洞、灰洞被间接证实，但是虫洞、白洞还是数学模型。至于平行空间，更是数学逻辑而己。

相对论四维时空理论产生的年代，还没有分数分形维概念，为了区别平直的三维，为其增加曲率，爱因斯坦起了四维时空这个名字，但这导致歧义。

四维时空的曲率方法，基于分数分形维是大于整数三维至小于四维的分数分形维理论。不能解读四维空间。四维时空实际意义是复杂的带有曲率的三维空间。我们的太空观察极限从未跳出3.9（9循环）维。

从数学来讲，面对4.0维，相对论的四维时空是从4.0维向内偏向三维，而四维空间是向外偏出4.0维。

黑洞是由3向外逼近4.0维，虫洞是等于4.0维，白洞是向内逼近4.0维。黑洞内部尚未解决验证问题，虫洞，白洞，暂时只能当数学 游戏 。至于四维之外，还存在一个间接拟合的数学问题。

西方不区分数理和数学，这事和中国的唯物思想不同。特别是数学、物理，几百年前还是为了证明上帝的存在和无所不能。近百年才明显脱离宗教。

虫洞可以解读太极鱼眼到鱼尾；白洞就是鱼眼。弦理论可以解读中国古代的炁。这事有说道。

对于间接拟合数学方法，最成功的例子如声波。声波这种方法很好拟合了声音的物理结果，但是，没有沿着波运动的声波子这个物质。声音的物理性质必须另外的单独的解读，不能用声波子沿着波运动解读。尽管，这么想，这么拟合可以得到正确的间接拟合结论。声波子没有物质性，而声波有。

这就是间接拟合数学方法在解读的时候的关键问题之一。

牛顿使用的直接拟合方法，基于三维整数维，对于分数维度的现实，有些误差。

相对于用间接拟合方式，逼近了拟合。

这是一个拟合标的物的两种数学拟合方法。时空曲线存在吗？不物质性存在。它是引力在三维相对运动体系表现出曲率的拟合特征。是直接拟合的引力造成的结果，而引力是物质性的。现在西方明显把引力场当物质性存在。而引力场，曲面空间，仅仅是引力效果的一种间接拟合，像声波子一样，可以计算结果正确，但是不物质性地存在。寻找引力子，先找到声波子，这个简单。间接拟合理论方向出现错误。

另外，直接拟合需要笛卡尔数学坐标系，才有准确意义。而相对论证实的时空部分，明显是三点几维的分数维，这是一个混沌体系。起初测量的极小误差，就会导致后续误差急剧放大而失去数据解读意义。那么，用简单线性拟合的这个时空混沌体系，越远问题越大。暂时看，百亿光年内问题不大，但再远，要有数学问题。

以往的理论都是把混沌坐标体系当做笛卡尔坐标系使用，这才有牛顿理论的误差问题。而现在有了分数维，混沌分形体系概念，这个最基本的数学问题，在数学拟合中依然存在。

坐标系的各个坐标轴的单位、数学性质统一的是笛卡尔数学坐标系，不统一的，很可能是混沌坐标系。时间这个要素特殊，不一定。

笔者仅仅是数学爱好者，不是物理学家，就看出这些数学问题来。最美的欧拉方程，利用超越数，否定了代数几何的大一统。而同样沿着循环、迭代方向发展的波，现在要物理大一统。都不统了，没有数学支撑的物理，怎么统？

物理这瓶颈还不小。中国好好发展实证物理就好。理论物理，他们以后会改的，反正无法证实无法证伪的部分，假说会不断，直到证实。但是，数学有问题的，那就是数学 游戏 ，而非物理。数理和数学是两个事情，基于点没有几何形状，波才能代替圆和弦，这样代数几何才能在笛卡尔坐标系上统一， 可是基于这种假设，证明出点有五个几何形状，自己找数学问题吧。

好好的古典的时间定义被物理弄的乱七八糟，时间是一种间接拟合方法，就是记录一个过程的序列号，不是物质。只要你不能返老还童，时间永回不到过去。

三维空间你知道是数学的一种假设，那么四维时空，复杂了一点，弯曲的三维空间，就不是数学假设了？就是物质了？大爆炸炸出一个时空和盘古开天辟地属于一个性质的解读。时空超光速扩展？大型对撞机现在还没装出超光速的基本粒子。而三维空间弯曲一点，坐标轴是无限长的，用扩展吗，还超光速。这是物理吗？

方向不改，物理这瓶颈过不去！

其实瓶颈期，也正是机遇期。

从量子理论以来，物理学的发展，一直是以线性的应用研究为主线。在收获极大成功的同时，这同时也限制了人类的想像力。因为物理学家们并不需要冒失败风险做开拓性的研究，就能站在前人的肩膀上收获成功。但现在好日子已经过去了，物理理论又到了必须做出根本性突破的关键点，没有人知道方向，也没有前人的肩膀可以垫脚。所以只有默默无闻的做大量方向性验证，才有可能脱颖而出，开辟物理学的新天地。

让我们一起期待，这一次带领人类突破桎梏的学者，是我们中国人，或外籍华人。

物理学一直是天才推动的学科，不可能一日千里，也不能搞人海战术。只能等待天才降临。

科学的发展永无止境。

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