納米技術(shù)在各產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)展望

■ 文/何丹農(nóng) 沈應(yīng)龍

納米材料，是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度（0.1～100納米）范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料及其相應(yīng)的制取、組合技術(shù)已成為21世紀(jì)世界科技發(fā)展中的主流方向，也是世界各國(guó)最主要的研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)前，我國(guó)在納米領(lǐng)域發(fā)表的SCI論文累計(jì)已經(jīng)躍居全球第一，同時(shí)相關(guān)專利的申請(qǐng)量累計(jì)達(dá)20.9萬件，占全球總量的45%。然而，在美國(guó)專利及商標(biāo)局的專利統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，即使不計(jì)美國(guó)自身，我國(guó)大陸地區(qū)的專利數(shù)量也居于韓國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)之后，說明我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)參與國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)的程度仍然不夠深。

據(jù)《前瞻產(chǎn)業(yè)研究院納米材料行業(yè)報(bào)告》預(yù)計(jì)，2022年我國(guó)納米材料市場(chǎng)的規(guī)模可達(dá)1955億元水平。除了在新材料產(chǎn)業(yè)中形成了較為明確的納米材料板塊外，納米技術(shù)還廣泛影響了環(huán)境、能源、信息、生命健康等諸多其他產(chǎn)業(yè)，并且具有極其廣闊的發(fā)展前景。未來，以下產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域有望通過納米技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)或市場(chǎng)突破。

材料產(chǎn)業(yè)

納米材料的發(fā)展能夠帶動(dòng)整個(gè)材料產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)換代，全面支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需要。納米材料產(chǎn)業(yè)在未來5～10年預(yù)計(jì)將可為上海市帶來直接經(jīng)濟(jì)效益超過50億元，間接經(jīng)濟(jì)效益超過100億元。

●納米粉體（顆粒）材料

納米氧化鈦、介孔氧化硅等無機(jī)納米粉體可以用于吸附、催化藥物載體等用途。不同材質(zhì)的納米粉體可以用作各種不同用途的著色染料，如汽車涂料、塑料加工以及高檔油墨和印刷行業(yè)的（彩色）金屬顏料，高檔珠光顏料，新型晶片顏料，玻璃顏料，防偽顏料和紅外反射（或透明）顏料等。聚合物納米復(fù)合材料有望替代金屬材料，用于發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、油過濾器等汽車結(jié)構(gòu)件。

●納米纖維

窄分布超細(xì)微納米纖維的織物同時(shí)具有高效、低阻的特性，并具有空氣滑移效應(yīng)，可以用于各類過濾、防護(hù)產(chǎn)品，如防霾口罩、空氣凈化器用靜電紡納米濾芯、防霧霾紗窗靜電紡納米濾層等，提升產(chǎn)品的性能。將氣凝膠制備為納米纖維，可以獲得高效輕質(zhì)的保暖材料，能夠制備出單件質(zhì)量在500克以下的超輕納米纖維保暖服，可用于航空航天、潛水和軍事等不同領(lǐng)域?？焖倏煽氐墓忭憫?yīng)、光驅(qū)動(dòng)變形納米功能纖維，可以用于制備在復(fù)雜環(huán)境下具有自我保護(hù)功能的服飾。具有持續(xù)傳輸、共價(jià)抗菌和組織細(xì)胞引導(dǎo)功能的納米纖維制備的復(fù)合功能敷料可用于糖尿病足、靜脈潰瘍等多種普遍性慢性難愈病癥的治療。納米級(jí)別的陶瓷纖維、二氧化硅纖維具有明顯的柔性，是能夠用于各類高強(qiáng)、阻燃、高溫隔熱需求場(chǎng)合的新型復(fù)合材料。納米纖維防水透濕膜有望突破傳統(tǒng)產(chǎn)品耐水壓和透濕量難以同步提升的技術(shù)瓶頸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高耐水壓、高透濕量的功能。

●納米功能塑料

具有99.9%高效抗菌性能并可保持2年以上的納米抗菌塑料有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備，在家用電器、汽車、食品包裝、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。利用石墨烯作為填料可使塑料具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，可替代換熱器中的銅管。

●納米功能涂層

利用納米技術(shù)對(duì)涂層表面的微觀結(jié)構(gòu)與形貌進(jìn)行設(shè)計(jì)，可提高涂層的附著力與功能性，推動(dòng)海洋重防腐、長(zhǎng)效防污、減阻、抗粘、超硬、防覆冰、環(huán)保等功能的海洋領(lǐng)域特種涂層涂料的研制。智能納米涂料將具有突出的高強(qiáng)度、耐久性，并且可以附加除異味、除甲醛、智能調(diào)濕、自潤(rùn)滑、自修復(fù)、智能磁性等各種特殊性能。納米技術(shù)還可以賦予汽車面漆及電子產(chǎn)品表面涂層更好的耐水、耐劃傷、耐紫外線、耐酸雨等性能。

●先進(jìn)水凝膠材料

具有納米結(jié)構(gòu)的新型手性水凝膠可在人體細(xì)胞生理和病理研究、醫(yī)藥篩選等研究中用于仿生微環(huán)境材料，此外還可以用于化妝品、整容等領(lǐng)域。

幸好我在街上。幸好？是啊，嘈雜的大街，不會(huì)引起懷疑。男人不在家，女人去逛街再自然不過。最初有幾次，小涵在電話里就這樣順帶著問他，你在哪里？為什么這么安靜？他記得當(dāng)時(shí)自己說，在會(huì)議室外的走廊里，老林在發(fā)言。還有一次，他讓小涵的電話足足響了很久，一直等到他跑到飯店門外的大街上才接，小涵說，你忙什么呢不接電話？他說，會(huì)議要求手機(jī)靜音，這會(huì)正忙著送領(lǐng)導(dǎo)呢。小涵其實(shí)也沒什么要緊事，多是告訴他晚上臨時(shí)有飯局晚些回去。

環(huán)保領(lǐng)域

在環(huán)保領(lǐng)域，納米材料和技術(shù)的應(yīng)用能夠提高能源的利用效率，并在空氣污染控制、水質(zhì)控制、土壤污染控制等領(lǐng)域發(fā)揮作用。未來5～10年，納米技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域預(yù)計(jì)將可為上海市帶來直接經(jīng)濟(jì)效益超過20億元，間接經(jīng)濟(jì)效益超過50億元。

●空氣凈化

車庫、公路隧道等半封閉空間機(jī)動(dòng)車污染物主要包括一氧化碳、氮氧化物和碳?xì)浠衔锏?。采用納米技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)以上污染物的低成本快速檢測(cè)，并通過催化、吸附等方式實(shí)現(xiàn)無二次污染的常溫凈化。采用納米技術(shù)還可以針對(duì)室內(nèi)空氣中常見的低濃度、復(fù)合性空氣污染物，如揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）進(jìn)行有效富集與高效去除。

●水凈化

發(fā)展高效吸附劑、催化劑、絮凝劑和多功能膜等納米材料，以及以微納米氣泡為代表的先進(jìn)納米技術(shù)和聯(lián)用技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)江河湖海等自然水體的高效低成本治理。等離子激元和上轉(zhuǎn)換發(fā)光等效應(yīng)的寬光譜響應(yīng)光催化氧化納米材料，將能夠在3～5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)成本更低、效果更好的環(huán)境污染物高級(jí)氧化技術(shù)應(yīng)用?？焖俅笕萘考{米晶吸附材料能夠用于水體的重金屬吸附。

●多種污染物快速識(shí)別與檢測(cè)

特殊結(jié)構(gòu)與形貌的納米材料可用于研發(fā)自然水體或工業(yè)廢水中低濃度抗生素、農(nóng)藥和重金屬等的新型快速檢測(cè)方法。利用不同污染物與納米材料選擇性的作用機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)土壤污染物的分離、檢測(cè)和甄別。

能源領(lǐng)域

納米技術(shù)是發(fā)展清潔低碳能源的重要途徑，在太陽能轉(zhuǎn)化為電能、化學(xué)能（如氫氣、甲醇等），二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷，熱能轉(zhuǎn)化為電能，電解水制氫以及有機(jī)小分子高效制氫等方面均有重要作用。未來5～10年，預(yù)計(jì)納米技術(shù)在能源領(lǐng)域?qū)樯虾Ｊ袔碇苯咏?jīng)濟(jì)效益超過20億元，間接經(jīng)濟(jì)效益超過100億元。

●能源轉(zhuǎn)換

納米能源催化材料可以實(shí)現(xiàn)甲烷高效活化、合成氣高選擇性轉(zhuǎn)化和二氧化碳的光電催化轉(zhuǎn)化，滿足碳-氧、碳-碳或碳-氫的高效選擇性轉(zhuǎn)化應(yīng)用需求。半導(dǎo)體和金屬納米電催化劑可以實(shí)現(xiàn)直接利用太陽光對(duì)水、氮?dú)夂投趸嫉拳h(huán)境分子進(jìn)行光電催化轉(zhuǎn)化。新型含氟納米材料可實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能、熱能之間的高效轉(zhuǎn)換，并能夠相對(duì)獨(dú)立地調(diào)控?zé)犭娹D(zhuǎn)換材料的各項(xiàng)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電及熱電制冷等方面的初步應(yīng)用。納米技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)具有高催化活性和高穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑對(duì)傳統(tǒng)貴金屬催化劑的替代，發(fā)展出新型高附加值的電催化制氫過程，實(shí)現(xiàn)氫氣制備與乙醇等有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化反應(yīng)同步進(jìn)行，顯著提升電解水制氫的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

●能源存儲(chǔ)

基于鋰、鈉、硼、氮、鎂、鋁等輕質(zhì)元素的新型高氫量納米儲(chǔ)氫材料（絡(luò)合物或亞胺基材料），有望實(shí)現(xiàn)吸放氫溫度小于200℃、可逆儲(chǔ)氫量大于5wt%、循環(huán)壽命大于500次的固態(tài)儲(chǔ)氫設(shè)備。采用納米技術(shù)可提升電極、隔膜的性能，推動(dòng)鋰硫電池、鋰空氣電池、鈉離子電池、液流儲(chǔ)能電池等新一代二次電池的發(fā)展。

●能源生產(chǎn)

通過超薄晶體和納米結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控等技術(shù)，可以提高各類薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率和熱、濕穩(wěn)定性，并推動(dòng)器件的柔性化發(fā)展。非貴金屬催化劑、納米結(jié)構(gòu)膜電極、納米固體電解質(zhì)等技術(shù)，能夠顯著提高燃料電池的壽命、穩(wěn)定性和效率。

信息領(lǐng)域

以新型納米材料及微納制造工藝為基礎(chǔ)，與現(xiàn)有集成電路產(chǎn)業(yè)中硅基工藝結(jié)合的新型納米材料、低功耗柔性器件以及新型納米光電器件和傳感器件，將普遍應(yīng)用于電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、電子通信及互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。未來5～10年，納米材料與技術(shù)在信息領(lǐng)域預(yù)計(jì)將為上海市帶來直接經(jīng)濟(jì)效益超過200億元，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值1000億元。

●電子信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)材料

石墨烯、氧化錫、黑磷等新型低維晶體材料的研究為下一代計(jì)算機(jī)的發(fā)展打開了新的道路。高性能及安全環(huán)保的納米拋光材料、電子漿料和電子墨水等產(chǎn)品，有望在5年后實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，并全面實(shí)現(xiàn)進(jìn)口材料的替代。

●電子器件及集成

高性能超柔性半導(dǎo)體單晶納米薄膜（＜100納米）大規(guī)模轉(zhuǎn)?。ňA級(jí)）是集成電路行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。納米材料與器件是新型柔性智能器件與服裝發(fā)展的基礎(chǔ)。例如，納米纖維能量轉(zhuǎn)換器可用于制備智能發(fā)電織物，高效收集人體生物機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的自驅(qū)動(dòng)或自供電功能；高靈敏度的可穿戴納米壓電傳感檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康狀況（如脈搏、心電功能、腦電波、血糖、pH值和乳酸等）的實(shí)時(shí)跟蹤和分析；智能電子皮膚、織物傳感器、彈性織物電路和柔性織物天線等也均需依托納米技術(shù)發(fā)展。

●傳感及顯示器件

新型納米傳感器件可以集成光、電、磁、化學(xué)及生物活性等多方面特性，并可與微納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS/MEMS）器件制備技術(shù)相結(jié)合在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、汽車電子和軍工等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。新型光電轉(zhuǎn)換機(jī)制的納米級(jí)像素成像芯片，有望突破可見光衍射極限，推動(dòng)攝影、攝像、高分辨X射線衍射成像等設(shè)備性能的顯著進(jìn)步?；诹孔狱c(diǎn)材料的平板顯示器件，比傳統(tǒng)LED背光的傳統(tǒng)液晶電視在畫面質(zhì)量與節(jié)能環(huán)保上更具優(yōu)勢(shì)，已成為業(yè)內(nèi)液晶電視新的發(fā)展方向。

生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

在生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米技術(shù)在組織修復(fù)與替代材料、診斷與治療、基因與細(xì)胞等方向均有應(yīng)用前景。應(yīng)用納米技術(shù)革新現(xiàn)有診療技術(shù)，有望取得顛覆式創(chuàng)新成果并實(shí)現(xiàn)臨床上的應(yīng)用，如新型組織再生材料、體內(nèi)外精準(zhǔn)診斷納米技術(shù)和新型抗腫瘤納米藥物等。未來5～10年內(nèi)，納米技術(shù)在這一領(lǐng)域預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)30億～50億元的產(chǎn)業(yè)鏈，并產(chǎn)生百億級(jí)規(guī)模的間接經(jīng)濟(jì)效益。

●組織修復(fù)與替代

納米生物材料具有良好的理化與生物安全性能，可用于發(fā)展口腔科應(yīng)用的納米復(fù)合材料、黏固劑、牙髓密封材料以及牙齒再造材料、人工血管、骨科修補(bǔ)材料等。具有組織誘導(dǎo)功能的納米醫(yī)學(xué)材料，可用于新型器官3D打印、新型組織工程和新一代植介入醫(yī)療器械，有望催生多種組織替代物、功能修復(fù)物、個(gè)性化定制增材制造產(chǎn)品和新一代植介入醫(yī)療器械、新型功能藥用輔料的問世。

●診斷與治療技術(shù)

由生物大分子構(gòu)成并利用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)械做功的納米系統(tǒng)又被稱為分子馬達(dá)，可實(shí)現(xiàn)肌肉收縮、物質(zhì)運(yùn)輸、DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂等生命體活動(dòng)的體外模擬?；趯?duì)納米顆粒-生物界面作用和納米顆粒-環(huán)境因素作用進(jìn)行的研究，有望研制出能夠穿過生物屏障并進(jìn)入病灶組織或疾病細(xì)胞的功能化靶向納米載體材料和納米機(jī)器人。基于納米技術(shù)的藥物遞送新技術(shù)，可顯著改善藥物溶解性，提高藥物的生物利用度，繞過某些生理屏障，增強(qiáng)藥物利用效率。具有主動(dòng)靶向功能的藥物載體材料和安全高效的包載化學(xué)藥、生物藥的納米藥物，能夠?qū)χ卮蠹膊∪缒[瘤進(jìn)行有效治療。由單分散、對(duì)人體安全的無機(jī)納米材料組成的理療納米系統(tǒng)，具有較長(zhǎng)的血液循環(huán)時(shí)間，進(jìn)入腫瘤后能夠特異性地響應(yīng)腫瘤的微環(huán)境，掌握其在腫瘤部位的有效富集、化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的腫瘤細(xì)胞的變異、凋亡的化學(xué)動(dòng)力學(xué)和生物學(xué)機(jī)制的情況。納米醫(yī)療器件可實(shí)現(xiàn)血糖等人體指標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)控，提高糖尿病等代謝性疾病的治療水平。新型熒光磁性納米探針可追蹤體內(nèi)樹突細(xì)胞導(dǎo)向到淋巴結(jié)的遷移過程，這一技術(shù)有望發(fā)展為癌癥成像檢測(cè)及早期診斷的新方法，有助于對(duì)治療實(shí)時(shí)監(jiān)控。

●基因與干細(xì)胞研究

利用納米技術(shù)改造天然帶有孔道的蛋白或者合成納米孔，可以開發(fā)出單分子測(cè)序技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)序技術(shù)所需要的擴(kuò)增能力，低成本、高準(zhǔn)確率地直接測(cè)定核酸。高效負(fù)載RNA、DNA和細(xì)胞活性因子等的納米載體材料可實(shí)現(xiàn)高效安全的治療效果。納米輔助基因快速測(cè)序、納米顆粒調(diào)控細(xì)胞信號(hào)通路和調(diào)控機(jī)體免疫反應(yīng)等技術(shù)有望推動(dòng)基因工程技術(shù)的全面發(fā)展。二維、三維納米結(jié)構(gòu)可調(diào)控干細(xì)胞增殖與分化，利用這類納米材料作為生物分子載體可誘導(dǎo)干細(xì)胞的遷移與定向分化，也可促進(jìn)干細(xì)胞分離、純化和富集。利用納米材料作為干細(xì)胞載體，可提高生物載體功效及降低藥物副作用?；诩{米技術(shù)開發(fā)的新型量子點(diǎn)和納米造影劑可實(shí)現(xiàn)對(duì)干細(xì)胞的標(biāo)記和示蹤。

航天及軍工領(lǐng)域

航天與軍民融合方向是未來納米技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的重要方向，航天領(lǐng)域?qū)Σ牧陷p質(zhì)化、防輻射性、高力學(xué)性能、高抗腐蝕性和綜合光電聲磁性能的超高要求，使納米技術(shù)有望在航天領(lǐng)域大顯身手。這一方向預(yù)計(jì)5年后可產(chǎn)生500億元的直接產(chǎn)值和5000億元的間接產(chǎn)值，將為我國(guó)航天與軍民融合事業(yè)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

基于納米技術(shù)制備的超結(jié)構(gòu)及陣列，能夠制造突破黑體熱輻射效率極限的中遠(yuǎn)紅外窄帶熱輻射器。高導(dǎo)熱陶瓷基板用粉體材料、輕質(zhì)高強(qiáng)納米合金材料、納米太陽帆是未來航天探索的重要材料基礎(chǔ)。光學(xué)微結(jié)構(gòu)的超精密納米加工與檢測(cè)為我國(guó)超高靈敏光電復(fù)合探測(cè)技術(shù)、航天領(lǐng)域高分辨率空間探測(cè)器和高精度導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)和改進(jìn)提供了重要支撐。新型納米隱身涂層、納米吸波材料、特種密封材料及多功能復(fù)合材料能夠顯著提高軍事裝備的性能。