從科學(xué)預(yù)言到新興產(chǎn)業(yè):納米技術(shù)創(chuàng)新的啟示

李天柱，劉小琴，馬 佳，侯錫林，孫 偉

(1.遼寧科技大學(xué)工商管理學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.大連理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，遼寧 大連 116024)

從科學(xué)預(yù)言到新興產(chǎn)業(yè):納米技術(shù)創(chuàng)新的啟示

李天柱1，劉小琴1，馬 佳2，侯錫林1，孫 偉1

(1.遼寧科技大學(xué)工商管理學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.大連理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，遼寧 大連 116024)

采取宏觀視角，運(yùn)用歷史分析法從總體上研究納米技術(shù)創(chuàng)新的特性。研究發(fā)現(xiàn)，納米技術(shù)創(chuàng)新的本質(zhì)特征是用簡約的經(jīng)典物理學(xué)方法替代生物、化學(xué)等復(fù)雜的生產(chǎn)過程，而這需要以科學(xué)工具的發(fā)展為先導(dǎo)，以材料科學(xué)的進(jìn)步為基礎(chǔ)，遵循 “性能研究－工藝開發(fā)－整合應(yīng)用”的線性模型，依賴于 “極度復(fù)雜－極度簡約”的學(xué)科基礎(chǔ)和以企業(yè)為主導(dǎo)的三螺旋創(chuàng)新模式。基于論文研究，進(jìn)一步對現(xiàn)階段中國制定納米產(chǎn)業(yè)政策提出相應(yīng)的建議。

納米技術(shù)；產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新；歷史分析法

1 引言

納米技術(shù)是在原子、分子和大分子水平上的研究和技術(shù)發(fā)展，目的是理解納米尺度的現(xiàn)象和材料，創(chuàng)造和使用具有新奇性質(zhì)和功能的器件、裝置和系統(tǒng)[1]。對于納米技術(shù)創(chuàng)新的研究近年來得到重視，代表性的包括:從哲學(xué)視角研究納米技術(shù)的可能性和可行性[2]；通過專利分析納米技術(shù)的發(fā)展及對策[3－4]；納米產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺建設(shè)[5]；納米技術(shù)演化[6－7]；對納米技術(shù)的治理和規(guī)范[8]；等等。但是，罕有文獻(xiàn)對納米技術(shù)創(chuàng)新的總體規(guī)律進(jìn)行分析。

本文采取一個(gè)宏觀的研究視角，拋開納米產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的微觀細(xì)節(jié)，運(yùn)用歷史分析法從總體上研究納米產(chǎn)業(yè)從無到有、從科學(xué)構(gòu)想到新興產(chǎn)業(yè)形成的基本過程，進(jìn)而分析納米技術(shù)創(chuàng)新的特殊規(guī)律，得到中國促進(jìn)納米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議。

2 納米技術(shù)發(fā)展歷程

2.1 STM的發(fā)明

觸發(fā)納米技術(shù)的 “導(dǎo)火索事件”是掃描隧道顯微鏡 (STM)的發(fā)明[9]。1981年，IBM公司的Binnig和Rohrer發(fā)明了STM，使人們第一次可以觀察并操縱單個(gè)原子。1985年Binnig和斯坦福大學(xué)的Quate又發(fā)明了原子力顯微鏡 (AFM)，既可以觀察導(dǎo)體也可以觀察非導(dǎo)體。其后科學(xué)家們陸續(xù)研發(fā)出近場光學(xué)顯微鏡 (NSOM)、側(cè)面力顯微鏡(IFM)等儀器，不斷豐富和完善納米研究和加工的工具?？茖W(xué)工具的改進(jìn)使納米技術(shù)的發(fā)展駛?cè)肟燔嚨溃?988年IBM的科學(xué)家從STM激發(fā)的納米尺度的局部區(qū)域觀測到了光子發(fā)射，1989年斯坦福大學(xué)搬運(yùn)原子團(tuán)寫下 “斯坦福大學(xué)”的英文。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼所設(shè)想的操縱單個(gè)原子已指日可待。

1990年，IBM的Eigler利用STM移動氙原子組成了 “IBM”三個(gè)字母，將費(fèi)曼的夢想變成了現(xiàn)實(shí)，預(yù)示著納米時(shí)代的到來。1991年Eigler又用STM的針尖移動一氧化碳分子，拼成了一個(gè)只有5nm高的 “分子人”。Eigler還發(fā)明出量子收集盤，用以觀察研究被局限在極小空間中的電子的量子力學(xué)特性，這種局限的微小空間也是未來納米電子元件的操作空間。同年，Hitachi公司在常溫下用硫原子拼寫出新年祝詞 “peace91”，納米研究從此進(jìn)入實(shí)用階段 (1990年 “IBM”三個(gè)字母是在－263℃下拼寫出來的)。1993年，IBM的Crommie等用鐵原子組成一個(gè)圓形圍欄，同年，Robinett與Williams設(shè)計(jì)出與STM相連的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過它可以看到并觸摸原子。1997年，美國科學(xué)家成功地用單電子移動單電子，這種技術(shù)可以用來研制量子計(jì)算機(jī)。

中國在這一階段迅速加入，1993年中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室操縱原子寫出 “中國”二字，1994年中國科學(xué)院化學(xué)所和北京真空物理室在單晶硅表面通過提走硅原子的方法，獲得了硅原子的 “毛澤東”三個(gè)字，在石墨表面刻出線寬10nm的 “中國”等字符。

2.2 納米碳管的發(fā)現(xiàn)

納米技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵的一步是納米碳管的發(fā)現(xiàn)，使費(fèi)曼對材料改進(jìn)的預(yù)言變成了現(xiàn)實(shí)。1985年Kroto和Smalley制備出C60(碳的同素異形體、制備納米碳管的基礎(chǔ))，1991年NEC公司發(fā)現(xiàn)了納米碳管，此后納米技術(shù)發(fā)展就呈現(xiàn)集群突破的態(tài)勢了:1993年發(fā)現(xiàn)單壁納米碳管及制備方法；1995年發(fā)現(xiàn)納米管場致發(fā)射特性；1996年合成單壁納米碳管束，同年中國科學(xué)院物理所制備出納米碳管陣列 (并于1998年合成2毫米長的纖維級納米碳管)、中國科技大學(xué)制備出平均粒度為30nm的氮化鎵粉體；1997年發(fā)現(xiàn)單壁納米碳管的中空管可儲存和穩(wěn)定氫分子，同年清華大學(xué)制備出直徑為3～50nm、長度達(dá)微米量級的氮化鎵納米棒，實(shí)現(xiàn)硅襯底上納米碳管陣列的自組織生長，紐約大學(xué)發(fā)現(xiàn)DNA可用于建造納米層次上的機(jī)械裝置；1998年中國科技大學(xué)從四氯化碳中制備出金剛石納米粉；2000年發(fā)現(xiàn)納米碳管的質(zhì)量是同體積鋼的六分之一，但強(qiáng)度卻超過鋼的100倍，很快又發(fā)現(xiàn)納米碳管不僅具有良好的導(dǎo)電性，還是目前最好的導(dǎo)熱材料，而且 “管”的空腔可以充當(dāng)微型試管、模具或模板；2000年制備出世界上最細(xì)的純碳納米碳管；2001年美國佐治亞理工學(xué)院的三位中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氧化物納米帶狀結(jié)構(gòu)；同年，還發(fā)現(xiàn)了高級物質(zhì)狀態(tài)—— “玻色－愛因斯坦冷凝物”， “這種物質(zhì)將在精確測量和納米技術(shù)這樣的領(lǐng)域帶來革命性的用途”(瑞典皇家科學(xué)院對這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎的評價(jià))；2004年制備出單原子層石墨烯 (Graphene)；2009年基于納米技術(shù)，可以覆蓋3.8微米區(qū)域的隱形材料被發(fā)明；等等。

2.3 納米產(chǎn)業(yè)的形成

20世紀(jì)90年代Science雜志評論指出， “在納米尺度上備原子團(tuán)簇的新方法為量子點(diǎn)激光器、單電子晶體管及其他許多應(yīng)用打開了大門”。這一倡導(dǎo)以及納米技術(shù)的一系列重要發(fā)現(xiàn)和突破，吸引了世界主要國家的政府、企業(yè)及大學(xué)的密切關(guān)注和大量投資。如日本、美國、中國均將納米技術(shù)上升到國家戰(zhàn)略高度。費(fèi)曼指出的第三個(gè)條件迅速成熟，納米技術(shù)走向產(chǎn)品化進(jìn)而形成一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)已經(jīng)是水到渠成。2000年前后，納米技術(shù)開始在新材料、微電子、電力、醫(yī)藥、生物、化學(xué)、環(huán)境、能源、交通、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)得到應(yīng)用。據(jù)預(yù)測，2014年全球納米產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將到達(dá)2.6萬億美元[10]。

3 納米技術(shù)創(chuàng)新的特性

Pavitt確定了經(jīng)濟(jì)中有一個(gè)高科技部門是 “基于科學(xué)的”[11]。Pisano指出，生物、納米等產(chǎn)業(yè)是“基于科學(xué)的商業(yè)”[12]。但縱觀納米產(chǎn)業(yè)的歷史，我們發(fā)現(xiàn)雖然同屬 “基于科學(xué)”的產(chǎn)業(yè)，納米技術(shù)創(chuàng)新還是表現(xiàn)出自身特有的規(guī)律。

3.1 用物理學(xué)方法統(tǒng)領(lǐng)生產(chǎn)過程

納米技術(shù)把原子、分子作為生產(chǎn)原材料，采用經(jīng)典物理學(xué)方法生產(chǎn)產(chǎn)品，如機(jī)械工程、電子工程等。一旦能夠采用直接以分子、原子作為原材料，原本需要采用化學(xué)、生物學(xué)等方法生產(chǎn)的產(chǎn)品就能夠通過物理方法得到。因此，本質(zhì)上說，納米技術(shù)與生物技術(shù)等是相反的過程，生物技術(shù)等使生產(chǎn)過程變得越來越復(fù)雜，而納米技術(shù)尋求用物理方法替代化學(xué)、生物等方法，使復(fù)雜的生產(chǎn)過程回歸到簡單、可靠和可控的水平上。直接操縱分子和原子，還能夠突破化學(xué)、生物等方法的極限，獲得以前無法生產(chǎn)的產(chǎn)品或以前無法具備的性能。

3.2 工具的先導(dǎo)性和材料的基礎(chǔ)性

納米技術(shù)能夠用物理方法替代生物、化學(xué)等方法，前提是科學(xué)工具的大幅改進(jìn)。以STM為代表的科學(xué)工具既是觀察分子、原子的研究工具，也是搬運(yùn)和操作分子、原子的生產(chǎn)工具。由于工具性能的提升，原來無法直接觀察和操縱的分子、原子世界與宏觀世界具有了可比性，才能參照宏觀世界的物理方法操作原子和分子，不僅把分子和原子變成了原材料，而且理論上可以根據(jù)需要任意組合分子、原子，突破原有生產(chǎn)方式的限制。同時(shí)，由于能夠直接觀察分子和原子，可以發(fā)現(xiàn)原來不被了解的新材料和新現(xiàn)象，并認(rèn)識材料所具備的特異性的功能和性質(zhì)，使創(chuàng)造新奇 (或性能遠(yuǎn)超已有的)的器件、裝置和系統(tǒng)成為可能。此外，有了先進(jìn)的工具，深奧的科學(xué)原理和復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)顯得不是那么迫切了，因?yàn)橛煤唵蔚奈锢矸椒ㄌ娲鷱?fù)雜的生產(chǎn)過程，使技術(shù)創(chuàng)新跳過了科學(xué)原理這一艱難的環(huán)節(jié)。

與工具并列的是材料的進(jìn)步。納米技術(shù)大都是用新材料或已知材料在納米尺度上的新的功能特性，生產(chǎn)出性能優(yōu)異的產(chǎn)品替代原有產(chǎn)品，并將產(chǎn)品整合進(jìn)原有的技術(shù)系統(tǒng)[13]。

3.3 遵循另類 “線性模型”

“線性模型”假定技術(shù)創(chuàng)新先有科學(xué)研究，隨后是技術(shù)開發(fā)，最后是生產(chǎn)和銷售[14]。納米創(chuàng)新遵循線性模型，但基本形式為 “性能研究－工藝開發(fā)－整合應(yīng)用”。第一，納米創(chuàng)新的科學(xué)研究是明確新材料的性質(zhì)和功能，判斷利用新材料可能創(chuàng)造出什么樣的產(chǎn)品、具有哪些應(yīng)用潛力，而傳統(tǒng)線性模型中的科學(xué)研究是為了獲得基本科學(xué)原理；第二，納米創(chuàng)新的開發(fā)活動直接針對生產(chǎn)工藝，不像傳統(tǒng)線性模型在科學(xué)研究的基礎(chǔ)上獲得產(chǎn)品技術(shù)，這是由于開發(fā)制備工藝是大量獲得新材料的必要條件，而且納米技術(shù)使用新材料生產(chǎn)已知產(chǎn)品的替代品，大多數(shù)產(chǎn)品技術(shù) (或技術(shù)構(gòu)想)本身就存在，缺乏的主要是利用新材料生產(chǎn)產(chǎn)品所需的新工藝；第三，納米產(chǎn)品一般以整合到已有的技術(shù)系統(tǒng)或產(chǎn)品中的方式實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[13]，因此在納米創(chuàng)新中，“整合應(yīng)用”替代了傳統(tǒng)線性模型中的 “生產(chǎn)和銷售”?，F(xiàn)階段的納米產(chǎn)品基本上是這一另類 “線性模型”的結(jié)果。如科學(xué)家通過觀察荷葉不沾水的自清潔現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了超雙疏性界面材料，進(jìn)而開發(fā)出制備工藝，很快這種材料就被應(yīng)用于生產(chǎn)防水、防油的服裝。

3.4 “極度復(fù)雜－極度簡約”的學(xué)科基礎(chǔ)

創(chuàng)新依賴的學(xué)科基礎(chǔ)越來越復(fù)雜是當(dāng)代的一大特征。但深入觀察卻發(fā)現(xiàn)，納米創(chuàng)新實(shí)際上依賴于我們稱之為 “極度復(fù)雜－極度簡約”的學(xué)科基礎(chǔ)?！皹O度復(fù)雜”是納米創(chuàng)新需要綜合運(yùn)用大量現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，而納米技術(shù)的發(fā)展又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)。“極度簡約”是指納米創(chuàng)新所依賴的學(xué)科基礎(chǔ)本質(zhì)上是物理學(xué)這一單一學(xué)科。復(fù)雜的學(xué)科基礎(chǔ)是為了運(yùn)用簡約的物理原理解決問題服務(wù)，“極度復(fù)雜－極度簡約”的學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了矛盾統(tǒng)一，成為納米創(chuàng)新的一大特點(diǎn)，而其他新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新卻不具備這樣的特點(diǎn)。

3.5 企業(yè)主導(dǎo)的 “三螺旋”模式

“三螺旋”是指 “大學(xué)－產(chǎn)業(yè)－政府”三方在創(chuàng)新過程中密切合作、相互作用[15]。納米創(chuàng)新表現(xiàn)出顯著的三螺旋特征:以費(fèi)曼為代表的大學(xué)科學(xué)家首先提出納米技術(shù)；然后企業(yè)迅速參與進(jìn)來，與大學(xué)共同構(gòu)建創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施 (科學(xué)工具和新材料)；當(dāng)創(chuàng)新需要進(jìn)一步獲得更多的政策、資金、基礎(chǔ)設(shè)施等社會資源時(shí)，政府作為第三條螺線適時(shí)加入，以三螺旋的形式推動納米產(chǎn)業(yè)的形成。但企業(yè)在納米創(chuàng)新中主導(dǎo)著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向，納米技術(shù)發(fā)展歷程中發(fā)揮里程碑作用的科學(xué)工具、材料突破及很多典型研究和應(yīng)用都是在像IBM、NEC等企業(yè)內(nèi)完成的。我們認(rèn)為這是因?yàn)?一是納米技術(shù)具有科學(xué)技術(shù)一體化特性[13]，接近于在應(yīng)用情景中發(fā)展起來的科學(xué)[16－17]，它不僅帶來理論突破，更有直接形成商業(yè)應(yīng)用的潛力，對于企業(yè)具有極大吸引力；二是納米產(chǎn)品很容易被整合進(jìn)已有的技術(shù)系統(tǒng)，企業(yè)能夠迅速從中獲利。

4 政策建議

(1)重視科學(xué)工具。中國在科學(xué)工具研發(fā)方面的能力一直較弱，因此，要加大對關(guān)鍵科學(xué)儀器研發(fā)的支持力度，在政策制定中有目的地適當(dāng)傾斜。

(2)加強(qiáng)基礎(chǔ)材料研究。納米材料幾乎涉及所有產(chǎn)業(yè)，一旦材料得到突破，其他產(chǎn)業(yè)的難題也有望迎刃而解。

(3)進(jìn)一步圍繞企業(yè)配置創(chuàng)新資源。在目前中國大學(xué)和科研院所作為主要基礎(chǔ)研究力量的情況下，圍繞企業(yè)配置創(chuàng)新資源將是重要的轉(zhuǎn)變。

(4)加強(qiáng) “大學(xué)－產(chǎn)業(yè)－政府”緊密互動。中國構(gòu)造納米創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)超越一般意義上的 “產(chǎn)學(xué)研”合作，更加重視 “官產(chǎn)學(xué)研”合作，將政府納入到創(chuàng)新組織中，不斷加強(qiáng) “大學(xué)－產(chǎn)業(yè)－政府”的緊密互動。

[1]UNESCO.The Ethics and Politics of Nanotechnology[R].2006.

[2]王國豫.納米技術(shù):從可能性到可行性[J].哲學(xué)研究，2011，(8):97－128.

[3]高繼平，丁堃.海峽兩岸納米技術(shù)專利比較及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策[J].科研管理，2012，33(6):100－109.

[4]馬榮康，劉鳳朝.基于專利交互影響分析的納米技術(shù)發(fā)展模式國際比較[J].中國軟科學(xué)，2012，(12):49－58.

[5]王向陽.我國納米產(chǎn)業(yè)支撐平臺建設(shè)現(xiàn)狀及存在問題[J].經(jīng)濟(jì)研究參考，2012，(58):18－23.

[6]侯劍華，劉則淵.納米技術(shù)研究前沿及其演化的可視化分析[J].科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理，2009，(5):23－30.

[7]劉鳳朝，馬榮康，孫玉濤.基于專利技術(shù)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的納米技術(shù)演化路徑研究[J].科學(xué)學(xué)研究，2012，30(10):1500－1508.

[8]樊春良，李玲.中國納米技術(shù)的治理探析[J].中國軟科學(xué)，2009，(8):51－60.

[9]李定，李天柱.技術(shù)創(chuàng)新成功中的“導(dǎo)火索事件”研究[J].管理學(xué)報(bào)，2012，9(10):1490－1494.

[10]中國廣播網(wǎng).2014全世界納米產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)2.6萬億美元[J/OL].[2012－10－26].http://native.cnr.cn/city/201210/ t20121026_511231386.html.

[11]Pavitt K.Patterns of Technology Change:Towards a Taxonomy and a Theory[J].Research Policy，1984，(13):343－374.

[12]Pisano G P.Science Business:the Promise，The Reality，and the Future of Biotech[M].New York:Harvard Business Press，2006.

[13]李天柱，銀路，苗仁濤等.“科學(xué)商業(yè)”和“接力創(chuàng)新”研究:基于生物制藥[J].科學(xué)學(xué)研究，2012，30(12):1881－1890.

[14]Fagerberg J，Mowery D，Nelson R R.The Oxford Handbook of Innovation[M].London:Oxford University Press，2004.

[15][美]亨利·埃茨科威茲著.三螺旋——大學(xué)·產(chǎn)業(yè)·政府三元一體的創(chuàng)新戰(zhàn)略[M].周春彥譯.北京:東方出版社，2005.

[16]Gibbons M，Limoges C，Nowotny H，Schwatzman S，Scott P，Trow M.The New Production of Knowledge[M].London:Sage，1994.

[17]Stokes D E.Pasteur's Quadrant:Basic Science and Technological Innovation[M].Washington:Brookings Institution Press，1997.

(責(zé)任編輯 譚果林)

From the Scientific Predictions to An Emerging Industry: the Revelations of Nanotechnology Innovation

Li Tianzhu1，Liu Xiaoqin1，Ma Jia2，Hou Xilin1，Sun Wei1
(1.School of Business Administration，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.Faculty of Management and Economics，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

In a macroscopic view，the characteristics of nanotechnology innovation have been studied by historical analysis as a whole.The research illustrates that the nature of the nanotechnology innovation is the substitution of complex production process，like biology and chemistry，with simple and classic physicsmethods，which is directed by the developmentof scientific tools，and supported by the advances of thematerial science.Abided by the linearmodel，which is“performance research-process development-integration application”，it also refers to disciplinary basis with both extremely complex and extremely simplicity.It also follows the rule of three-spiral innovationmode oriented by the enterprises.Based on the further research，related suggestions about industrial policy have been made to develop nano-industry in China.

Nanotechnology；Industrial innovation；Historical analysis

F062.3

A

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (71372121、71472080)，教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目 (12YJC630102)，教育部人文社會科學(xué)研究項(xiàng)目規(guī)劃基金項(xiàng)目 (13YJA630031)，國家社會科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目 (12CGL016)，遼寧省教育科學(xué) “十二五”規(guī)劃重大決策咨詢課題 (GJ13ZD08)，遼寧科技大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目 (2012TD02)。

2014－10－09

李天柱 (1975－)，男，遼寧沈陽人，遼寧科技大學(xué)工商管理學(xué)院副教授、研究生導(dǎo)師；研究方向:技術(shù)創(chuàng)新管理，新興技術(shù)管理。