史蒂芬·福纳什
Bayard D. Kunkle 工程科学讲座教授
宾夕法尼亚州立大学纳米技术教育与利用中心主任
PA 纳米制造技术合作伙伴总监
美国国家科学基金会国家纳米技术应用和职业知识中心主任
宾夕法尼亚州立大学
美国宾夕法尼亚州大学公园
教育：
- 宾夕法尼亚州立大学工程科学学士
- 宾夕法尼亚大学工程学博士
工作重点：
Stephen Fonash 博士是宾夕法尼亚州立大学工程科学 Bayard D. Kunkle 教授。他在宾夕法尼亚州立大学的活动包括担任宾夕法尼亚州立大学纳米技术教育和利用中心 (CNEU) 主任、美国国家科学基金会国家纳米技术应用和职业知识 (NACK) 中心主任以及宾夕法尼亚州纳米制造技术伙伴关系主任。
给学生的建议：
和你的高中老师谈谈——但要知道他们可能对纳米技术及其所有功能不太了解。请记住，当你上大学时，你不会马上接触纳米技术——你会学习基础的 STEM（科学-技术-工程-数学）课程。
链接：
面试：
问：您什么时候第一次发现自己的职业道路集中在纳米技术上？
Fonash：早在 80 年代末，由于我的研究领域是电子设备，我自然而然地走上了越来越小的东西的道路。当时我正在研究传感器、晶体管、二极管和光伏电池——我现在还在继续研究。传感器和微电子的尺寸发展是朝着越来越小的东西发展，我开始意识到纳米尺度的独特性在许多应用中提供的优势。也是在那个时候，我的兴趣大大拓宽——我对纳米技术的生物应用非常感兴趣。由于对纳米尺度及其重要性的兴趣日益浓厚，我在 1992 年建立了宾夕法尼亚州立大学纳米制造设施。我把纳米技术带到了宾夕法尼亚州立大学——我认为这在宾夕法尼亚州立大学得到了广泛的认可。大约在那个时候，我与康奈尔大学、斯坦福大学和霍华德大学合作，共同建立了所谓的国家科学基金会 (NSF) 国家纳米技术用户网络 (NNUN)，使全国各地的研究人员和公司都可以使用纳米技术设施。我们获得了 NSF 为 NNUN 提供的 10 年资助，之后我带领宾夕法尼亚州立大学建立了 NSF 国家纳米技术基础设施网络 (NNIN)，即 NNUN 的继任者，至今仍在运行。1998 年，我还创立了纳米技术教育和利用中心 (CNEU)，目前我仍担任该中心的主任。
我既是研究员，也是教师——我通常教授研究生水平的课程。然而，1998 年左右，宾夕法尼亚州的工业界来找我，说宾夕法尼亚州需要更多接受过微米和纳米技术培训的技术人员。因此，我们一起去了该州，并于 1998 年成立了宾夕法尼亚纳米制造技术 (NMT) 合作伙伴关系。这是我开始对纳米技术劳动力发展的有效教育产生浓厚兴趣的开始。NMT 的概念是——现在也是——宾夕法尼亚州立大学与宾夕法尼亚州社区和技术学院共享资源，为两年制学位学生提供微米和纳米技术的实践教育。我与这些学校的教职员工、院长和校长进行了交谈，我们共同努力为宾夕法尼亚州的两年制学位学生开设纳米技术课程。根据 PA NMT 概念，两年制学位机构将学生送到宾夕法尼亚州立大学学习一个学期——我们让他们亲身体验纳米技术。我们开发了一套六门课程，为这些技术人员传授一套技能，这样他们就能在各个领域找到工作。我创办 PA NMT 合作伙伴关系的关键理念支柱是分享——我能够让宾夕法尼亚州立大学与社区学院分享其设施，并将这个 NMT 沉浸式学期作为一项服务提供给这些 PA 社区学院。另一个基本支柱是教育学生终身受用——让他们获得终身受用的技能，而不是教育他们进入某个行业。因此，秉承这一理念，从 PA NMT 计划毕业的人会为制药公司、化学公司、电子公司、太阳能电池公司等各种公司工作。他们获得副学士学位，但不是从宾夕法尼亚州立大学获得的，而是从社区学院获得的。宾夕法尼亚州立大学只教授这个沉浸式学期。宾夕法尼亚州立大学现在为宾夕法尼亚州的 33 所学校提供这项服务。我们已经有近 900 名学生从该计划毕业。现在，纽约州已经采用了这种熟练的纳米技术劳动力发展方法。他们与社区学院合作，纽约州立大学奥尔巴尼分校是其合作伙伴。明尼苏达州也在做这件事。明尼苏达州的合作伙伴是明尼苏达大学，主要的社区学院是达科他县技术学院。华盛顿州和印第安纳州也在做这件事；波多黎各也在做这件事。
问：您目前正在研究哪些纳米技术应用？
福纳什： 我从事多个不同的研究方向。它们都以某种方式涉及纳米技术。我们正在研究纳米级晶体管，我们使用的硅纳米线的制作方法与人们通常使用的方法截然不同。通常，人们将促使硅纳米线形成的催化剂放在一个空的表面上，他们不知道催化剂会去往何处，然后他们生长硅纳米线。然后他们试图收获它们，抓住它们，然后放置它们。我们认为这不是一种可制造的方法。因为我是工程师，我喜欢科学，但我也喜欢做一些合理的事情。所以我们想出了一个方案，你实际上可以做一个水平方向的小隧道，它正好是你想要晶体管所在的位置。然后我们把催化剂放在隧道里，然后在隧道里生长纳米线，把它做成晶体管。而且你不必移动纳米线，因为纳米线是在你想要的地方生长的——我们拥有这项专利。我们称之为“就地生长”，而不是“生长和放置”，后者几乎是其他人都在做的方法。但是，我们的方法存在一些问题，需要进一步研究。这些问题与纳米线表面周围的形态有关，但无论如何，我们已经非常擅长制造出色的晶体管，并且我们已经发表了相关研究。然后，我们正在研究使用隧道中使用的催化剂的新方法——我们正在研究催化剂自组装的不同方法，我们正在继续发展这个想法。
我目前感兴趣的另一个大领域是将纳米技术应用于太阳能电池。我从事太阳能电池研究已有 35 年，并撰写了《太阳能电池器件物理学》一书，该书于 2010 年出版，几乎被公认为该领域的“圣经”。我们开发了一个名为 AMPS 的计算机程序（我们包括我和我的学生），该程序被全球约 2000 人使用，并且备受推崇。而且，我们继续开发太阳能电池。我们有一个基于纳米结构的新概念，我们正在开发它，我已经创办了我的第二家衍生公司 Solarity，该公司拥有这个新想法的知识产权。
我创办的另一家公司叫 NanoHorizons。它源于我对纳米技术、生物学和医学的兴趣。NanoHorizons 生产用于抗菌应用的银纳米颗粒。银具有抗菌作用，腓尼基人在 2500 年前就知道了这一点。他们不知道为什么，但他们注意到装有银币的水容器能够使水保持更长时间的新鲜。所以腓尼基人在 2500 年前就注意到了这一点，罗马人也利用了它，事实证明这是有效的，因为银具有抗菌作用。当一个孩子出生时，他们通常会给孩子滴硝酸银滴眼液，原因相同——因为银离子具有抗菌作用。如果你制造纳米级的银，你用量并不多，但它作为一种抗菌剂却非常活跃，可以杀死病毒和细菌。
问：从事纳米技术工作最有意义的事情是什么？
福纳什： 在纳米尺度上开展研究为新机遇打开了大门。例如，在我们的太阳能电池研究中，我们能够利用纳米结构来制造运行效率更高、使用材料更少的电池——更少的材料意味着更低的制造成本。我们之所以能够做到这一点，是因为自然界中有两种现象只有在纳米尺度上才变得重要。它们被称为光子学和等离子体学。还有其他现象只有在纳米尺度上才变得重要，其他团体正在利用这些现象来改进产品。
问：您能举一个例子来说明您所做的事情如何对世界产生了积极的影响吗？
福纳什： 我认为我关于太阳能电池器件物理学的书产生了非常积极的影响。第一版于 1981 年出版，它和新版在世界各地都受到了极大的欢迎和使用。我认为我可以指出的另一件事是我们的 AMPS 计算机程序受到了极大的欢迎。该程序在世界各地用于分析和设计太阳能电池、探测器和其他设备。我鼓励大学允许其他人免费下载 AMPS 源代码，因此现在 AMPS 程序已经发展起来。伊利诺伊大学大约 3 个月前刚刚发布了最新版本——他们也在效仿我们，将这个改进后的版本免费提供给科学和工程界，以加快开发速度。我也认为我在电子学方面做出了贡献——尤其是对所谓的等离子体处理——但我的书和 AMPS 是我最自豪的贡献。如果说到教育，我对自己在劳动力发展方面所做的贡献感到非常自豪。我真的认为这是一项积极的贡献。让大学对与社区学院合作感兴趣并不容易，但我很高兴我们能够开展这个项目——而且现在正在美国各地开展。我相信这种共享方式对国家来说具有经济和教育意义。
问：您认为迄今为止纳米技术对世界产生的最大影响是什么？
福纳什： 我认为最大的贡献将在于医学，我们开始看到这一领域的开端。我认为纳米技术已经为 MRI 成像做出了贡献，也已经为癌症治疗做出了贡献——有几种疗法已获得 FDA 批准并用于临床。你可以说，今天的电子学实际上是纳米电子学。如果晶体管不是在纳米级制造的，我们就不会拥有现在所有的功能和内存。但我认为最大的影响将在于医学。
问：请举例说明您认为纳米技术的未来应用将会带来什么。
Fonash：正如我之前提到的，纳米技术将对医学做出巨大贡献。从其他领域来看，它也将对能源生产和节能做出巨大贡献。我提到的太阳能电池研究只是纳米技术影响能源生产的一种方式。纳米技术对催化作用的影响越来越大，这将影响到能源节约和总体节约——这意味着更便宜的工艺和更少污染的制造工艺。
问：您觉得自己在团队中工作更多，还是单独工作更多？
福纳什： 两者都有。当我有想法时，我会独自工作，思考这些想法，但我天生就有一个团队——一群研究生和博士后，我喜欢团队合作方式有两个原因。第一，我喜欢听取他们对这些想法的意见，以及他们认为我是对还是错。团队可以解决问题并告诉我什么更好——他们经常这样做。另一件事是，团队给你更多的头脑和更多的手——所以一天可以做更多的事情。当我与学生或博士后一起工作时，这是一种非常紧张和有趣的互动。
问：如果你们更多地以团队的形式工作，那么你们的团队成员还有哪些其他的专业领域？
福纳什： 我们团队的研究生和博士后人员背景各异，目前团队里的人来自电子工程、物理学、化学、生物工程、计算机科学和材料科学等专业。纳米技术本身就是跨学科的，像我们这样多元化的团队很常见。
问：大学里的培训对你的纳米技术工作有帮助吗？
福纳什： 哦，当然，因为我在大学里学习的是基础物理、化学和数学——所以绝对如此。我是老式 STEM 教育的产物，我相信，掌握基本原理是无可比拟的。我认为大学教育最大的收获是物理、化学、生物、数学方面的基础训练，以及对一切提出质疑的理念的发展——保持好奇心。我认为这是大学教育非常重要的一部分。我试图向我教的研究生和本科生传达这一点。质疑一切。你可以从不同的角度看待某件事，并做出贡献。我总是想到的例子是行李箱。30 年前，每个人都拖着行李箱。终于有人想出了在行李箱上装轮子的主意。谢天谢地，那个人知道轮子并把它装在那里。所以我认为，对于工程师或科学家来说，这是一个接受良好教育的问题——在生物学、数学、化学和物理学方面……并且非常好奇和善于提问。
问：你有导师吗？大学期间有吗？
福纳什： 我认为我的 #1 导师是我的父亲。他是一名工程师，总是充满好奇心，总是与众不同。他总是喜欢想办法以不同的方式做事。在本科阶段，我有一位非常敬佩的教授，他非常优秀。回到高中，我有一位非常优秀的高中化学老师。他有点古怪，但也非常好奇，非常优秀。这可能会让一些孩子感到厌烦，因为他们认为他很奇怪——我也认为他很奇怪——但我喜欢他以不同的方式看待事物。在大学里，我有许多教授，我潜意识里想效仿他们。但我认为我的 #1 导师是我的父亲。
问：如果必须重新来过，您还会专注于纳米技术应用吗？
福纳什：哦，当然了。但是，如果我必须再选一次，我可能会选更多的生物学，以及物理和化学。
问：您对大学预科生有什么建议？
Fonash：好吧，让我概括一下，我认为他们需要尽可能多地了解纳米技术。互联网就是一个地方……我认为你应该尽可能多地阅读。我认为大学正在做很多事情来尝试传播信息。与你的高中老师交谈——但要注意，他们可能对纳米技术及其所有功能不太了解。请记住，当你上大学时，你不会马上接触纳米技术——你会学习基本的 STEM 课程。但在你的大学或学院，看看周围的教职员工，看看谁在做什么——然后和他们谈谈。他们中的大多数人都愿意和你交谈，他们可能会在暑假甚至学期期间为本科生提供工作，让你学到更多。并不是任何人都会把它交给你，你必须走出去寻找。
