納米科技：讓人類的夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

譚沖　王笑

納米技術(shù)是繼信息科技、生命或生物科技之后被廣泛關(guān)注的學(xué)科領(lǐng)域。科學(xué)界普遍認(rèn)為，納米技術(shù)是21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要引擎，它將給醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、材料和信息通信等諸多行業(yè)帶來(lái)革命性的變革。

那么，到底什么是納米呢？其實(shí)納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位，表示10-9米，即十億分之一米，百萬(wàn)分之一毫米。打一個(gè)形象的比方來(lái)說(shuō)，假如把一個(gè)納米單位的物體放到乒乓球上，相當(dāng)于把一個(gè)乒乓球放到地球上。最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題的是著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)恩曼。1959年，他在一次著名的講演中提出：如果人類能夠在原子、分子的尺度上來(lái)加工材料、制備裝置，那么將有許多激動(dòng)人心的新發(fā)現(xiàn)。那時(shí)候，化學(xué)將變成根據(jù)人們意愿逐個(gè)地準(zhǔn)確放置原子的問(wèn)題。1974年，科學(xué)家谷口紀(jì)男最早使用納米技術(shù)（nanotechnology）一詞描述精細(xì)機(jī)械加工；到20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM），表征和操縱技術(shù)對(duì)納米科技的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用；1990年第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議的召開(kāi)，標(biāo)志著納米科技的正式誕生。納米科技目前已廣泛應(yīng)用于信息、材料、能源、環(huán)境等各個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的上游、高端環(huán)節(jié)，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)日益推陳出新以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)改造。這些應(yīng)用納米科技的產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)統(tǒng)稱為納米科技產(chǎn)業(yè)。

縱觀納米科技對(duì)世界各國(guó)產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，在短短的近30年里，大量原創(chuàng)性的成果不斷涌現(xiàn)，近10項(xiàng)重大突破性技術(shù)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，材料、能源、微電子、生物技術(shù)等眾多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域發(fā)生了深刻變革，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速壯大。中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)、國(guó)家納米領(lǐng)域首席科學(xué)家白春禮院士認(rèn)為，未來(lái)納米科技會(huì)像今天計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣普及。

神奇的納米科技為人類生活增姿添彩。所謂納米科技，是指在納米尺度（1納米到l00納米之間）上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性（主要是量子特性）和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。當(dāng)物質(zhì)小到1到100納米（10-9～10-7米）時(shí)，其量子效應(yīng)、物質(zhì)的局域性及巨大的表面及界面效應(yīng)使物質(zhì)的很多性能發(fā)生質(zhì)變，呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物體，也不同于單個(gè)孤立原子的奇異現(xiàn)象。因此，納米科技的最終目標(biāo)是直接以原子、分子及物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的新穎的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

隨著納米科技的影響力逐漸擴(kuò)大，它在人類生活和生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了很好的應(yīng)用。例如，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米級(jí)粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織；在人工器官外面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排異反應(yīng)；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA（脫氧核糖核酸）診斷出各種疾病。在電子領(lǐng)域，可以從閱讀硬盤上讀取信息的納米級(jí)磁讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)，未來(lái)以納米技術(shù)為核心的計(jì)算機(jī)處理信息的速度將更快，效率將更高。在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，可以憑借功能獨(dú)特的納米膜探測(cè)由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過(guò)濾，從而消除污染。在農(nóng)業(yè)遺傳育種領(lǐng)域，可以通過(guò)納米技術(shù)先將DM染色體全部分解為單個(gè)基因，然后根據(jù)需要進(jìn)行組裝，轉(zhuǎn)基因整合成功率幾乎可達(dá)100%。研究成果表明，科研人員可以讓單個(gè)DNA分子鏈展現(xiàn)出其內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)并可以操縱它實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)從而形成納米結(jié)構(gòu)或圖形，使人類得以在更小的世界范圍內(nèi)、更深的層次上探索生命的奧秘。

世界各國(guó)加快布局，搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)。近年來(lái)，美國(guó)、日本、歐盟、俄羅斯等世界主要國(guó)家都將納米科技產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家重大戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，紛紛制定國(guó)家層面的發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃，重視政府資金投入，強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)國(guó)際合作與交流。

美國(guó)從1999年開(kāi)始，把納米科技研究列為21世紀(jì)前10年的11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一。2000年，美國(guó)政府開(kāi)始實(shí)施《國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃》，提出了發(fā)展納米科技的戰(zhàn)略目標(biāo)和具體戰(zhàn)略部署，使美國(guó)進(jìn)入全面推進(jìn)納米科技發(fā)展的新階段。2003年12月，時(shí)任總統(tǒng)布什簽署了《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開(kāi)發(fā)法案》，批準(zhǔn)4年內(nèi)投資37億美元，支持對(duì)納米技術(shù)的研究，標(biāo)志著美國(guó)政府對(duì)納米科技從“零碎的”支持，轉(zhuǎn)向“全面整體的”實(shí)質(zhì)性的支持。目前美國(guó)納米技術(shù)的研究熱點(diǎn)正轉(zhuǎn)向疾病診斷、疾病治療等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?？茖W(xué)家們正在利用納米材料制成極為靈敏的生物和化學(xué)傳感器，以對(duì)癌癥、心血管等疾病進(jìn)行早期診斷。

日本從1991年開(kāi)始實(shí)施為期10年、斥資2.25億美元的納米技術(shù)研究計(jì)劃。除繼續(xù)推動(dòng)這項(xiàng)計(jì)劃，每年還投資2億美元推動(dòng)新的國(guó)家計(jì)劃和新的研究中心的建設(shè)。在近年來(lái)制定的科學(xué)技術(shù)計(jì)劃里明確指出，日本將優(yōu)先發(fā)展三個(gè)方向的納米技術(shù)，包括綠色創(chuàng)新、生活創(chuàng)新、災(zāi)后重建，制定了納米技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略——“部際戰(zhàn)略性創(chuàng)新促進(jìn)計(jì)劃”（SIP），確定了納米技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，并在研發(fā)和研究基礎(chǔ)設(shè)施方面進(jìn)行了巨額投資。日本內(nèi)閣府、文部科學(xué)省和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省設(shè)立了專門部門關(guān)注納米技術(shù)發(fā)展，制定了戰(zhàn)略性技術(shù)發(fā)展路線圖，確定納米技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)。

歐盟于2005年制定《歐洲納米技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略》，其成員國(guó)德國(guó)、法國(guó)、芬蘭等分別制定了本國(guó)納米技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，其中德國(guó)還專門建立了納米技術(shù)研究網(wǎng)；法國(guó)投資8億法郎建立一個(gè)占地8公頃、建筑面積為6萬(wàn)平方米、擁有3500人的微米/納米技術(shù)發(fā)明中心，配備最先進(jìn)的儀器設(shè)備和超凈實(shí)驗(yàn)室、成立微術(shù)/納米技術(shù)之家，專門負(fù)責(zé)申請(qǐng)專利和幫助研究人員創(chuàng)建新企業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐盟及主要成員國(guó)在納米技術(shù)領(lǐng)域已累計(jì)投入超過(guò)140億美元。

我國(guó)躋身納米大國(guó)行列，實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越式發(fā)展。我國(guó)從20世紀(jì)80年代起就一直高度重視納米技術(shù)，是較早開(kāi)展納米技術(shù)研究的國(guó)家之一。近年來(lái)，國(guó)家“863”“973”計(jì)劃設(shè)立了納米技術(shù)專項(xiàng)， 吸引包括國(guó)家杰青、中科院百人、教育部長(zhǎng)江學(xué)者在內(nèi)的300多名高端人才從事納米技術(shù)研究，在基礎(chǔ)研究方向取得眾多原創(chuàng)性技術(shù)成果。截至目前，我國(guó)已建立10多條納米材料生產(chǎn)線，以納米材料和納米技術(shù)注冊(cè)的公司近百個(gè)，諸如納米復(fù)合、塑料、橡膠和纖維的改性、納米功能涂層材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用、納米材料在能源和環(huán)保等方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)已悄然興起。2010年，國(guó)務(wù)院明確提出加快發(fā)展節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、高端裝備制造、新能源、新材料和新能源汽車等七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。納米技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于七大新興產(chǎn)業(yè)的上游高端環(huán)節(jié)，引領(lǐng)七大新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。發(fā)展納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)就是對(duì)國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展最有力的推動(dòng)，對(duì)提升國(guó)家及區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力具有巨大戰(zhàn)略意義。相信在不久的將來(lái)，納米技術(shù)將以空前的影響力和滲透力改變當(dāng)今人類的生活方式和生產(chǎn)方式，改變技術(shù)方法和技術(shù)發(fā)明。

（作者單位：遼寧科技情報(bào)研究所）