從納米走向未來

供稿|齊俊杰，王陸君瑜

提及納米材料與技術(shù)，你想到的是奇妙的微觀世界，科幻電影中的納米機(jī)器人，還是高端的儀器設(shè)備呢？自1959年諾貝爾獎(jiǎng)得主物理學(xué)家費(fèi)曼點(diǎn)燃納米科技之火以來，納米材料與技術(shù)的發(fā)展日新月異，人類不斷地揭開納米世界的迷霧并收獲了許多意想不到的驚喜。本文將帶你走進(jìn)奇妙的納米世界，帶你領(lǐng)略北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)的風(fēng)采。

什么是納米材料與技術(shù)

1959年美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼曾預(yù)言[1-2]：如果人類可以按照自己的意志排列原子或分子，就會(huì)獲得大量異乎尋常的特性，這將產(chǎn)生怎樣的奇跡？ 60多年后的今天，納米材料與技術(shù)已經(jīng)將這一構(gòu)想初步變成了現(xiàn)實(shí)。

納米材料與技術(shù)包含納米尺度、納米材料和納米技術(shù)三個(gè)方面。納米(nm)是一個(gè)微小的長(zhǎng)度單位，它是一米的十億分之一(1 nm=10-9m)。不同物質(zhì)的尺度對(duì)比如圖1所示，即便是人類的一根頭發(fā)絲，其直徑也為60000 nm左右[3-4]。納米材料具有兩個(gè)特點(diǎn)，首先它至少有一個(gè)維度處于1～100 nm之間，或者由納米尺度的基本單元構(gòu)成。同時(shí)它具有一些由納米尺度所導(dǎo)致的新奇效應(yīng)，例如熔點(diǎn)、硬度、顏色、化學(xué)反應(yīng)活性等的改變。納米材料在古羅馬時(shí)期就已走入人類的生活，早在公元4世紀(jì)古羅馬人就造出了萊克格斯杯，由于杯體中具有50～100 nm的合金粒子，杯子在反射光和透射光的照射下呈現(xiàn)不同的顏色[3]。納米技術(shù)是研究納米材料規(guī)律和特性并加以利用的高新技術(shù)。IBM公司曾于1990年利用掃描隧道顯微鏡在鎳基底上擺出由35個(gè)氙原子構(gòu)成的IBM標(biāo)志(如圖2(a))[5]，1993年中國(guó)科學(xué)院也通過操縱硅原子寫出“中國(guó)”兩字(如圖2(b))。如今納米技術(shù)已經(jīng)深入到物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)和電子學(xué)等領(lǐng)域，為探尋微觀世界及實(shí)現(xiàn)器件微型化提供了可能[1]。

圖1 不同物質(zhì)尺度對(duì)比[4]

圖2 利用納米技術(shù)操縱原子：(a) IBM公司利用掃描隧道顯微鏡在鎳基底上擺出由35個(gè)氙原子組成的IBM標(biāo)志[5]；(b) 中國(guó)科學(xué)院運(yùn)用納米技術(shù)移動(dòng)硅原子并寫出“中國(guó)”兩字[6]

納米材料與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

納米材料與技術(shù)自20世紀(jì)90年代以來發(fā)展迅猛，由于其在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此世界各國(guó)競(jìng)相制定戰(zhàn)略計(jì)劃，將納米技術(shù)研發(fā)作為本國(guó)科技創(chuàng)新與發(fā)展的有力驅(qū)動(dòng)器。截至2009年就有超過60個(gè)國(guó)家啟動(dòng)了國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃[7-9]。

美國(guó)于2000年實(shí)施美國(guó)國(guó)家納米計(jì)劃(NNI)，將本國(guó)納米技術(shù)的發(fā)展分為無源納米結(jié)構(gòu)、有源納米結(jié)構(gòu)、三維納米系統(tǒng)、分子納米結(jié)構(gòu)四個(gè)階段，項(xiàng)目最初五年的經(jīng)費(fèi)投入就超過了40億美元。日本也在多個(gè)科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃中將納米材料與技術(shù)定為國(guó)家級(jí)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一[8]。我國(guó)自20世紀(jì)80年代末就將“納米材料科學(xué)”列入國(guó)家攀登項(xiàng)目，并不斷加大該領(lǐng)域的投資，促進(jìn)人才隊(duì)伍建設(shè)。自2001年到2017年，我國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)了73634件納米技術(shù)相關(guān)專利，其數(shù)量與增幅均超過美國(guó)，所涉及的方向主要包含材料、冶金、化學(xué)等領(lǐng)域(如圖3)[10]。同時(shí)國(guó)家也不斷加強(qiáng)該領(lǐng)域的人才培養(yǎng)，2003年中國(guó)科學(xué)院成立國(guó)家納米中心，2010年首批高校獲準(zhǔn)開設(shè)納米材料與技術(shù)專業(yè)，其中就包括北京科技大學(xué)。

納米材料與技術(shù)的應(yīng)用

納米材料在眾多領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景，其在電子信息、軍事、醫(yī)學(xué)和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用闡述如下。

電子信息領(lǐng)域

圖3 2001—2017年美國(guó)專利商標(biāo)局(USPTO)和中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局(CNIPA)授權(quán)納米技術(shù)相關(guān)專利數(shù)[10]

電子信息產(chǎn)業(yè)是目前納米材料與技術(shù)應(yīng)用最為成功的領(lǐng)域，納米材料與技術(shù)推動(dòng)了電子信息技術(shù)的高速發(fā)展。電子信息領(lǐng)域的日新月異對(duì)元器件的微型化提出了更高的要求，而納米材料與技術(shù)是提升電子器件存儲(chǔ)能力和運(yùn)行速度的關(guān)鍵。最為典型的例子是納米多層膜巨磁電阻材料的應(yīng)用使得硬盤的存儲(chǔ)容量迅猛提高。而當(dāng)硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時(shí)，必然要求磁盤上每一個(gè)被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)也就越來越弱。同樣借助納米多層膜“巨磁電阻”效應(yīng)，制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號(hào)依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化(如圖4)[12]。

圖4 硬盤的發(fā)展及其形態(tài)的變化[12]

軍事領(lǐng)域

納米材料與技術(shù)的發(fā)展有助于微型化、隱形化、高性能軍事武器的發(fā)明和制造。利用納米技術(shù)制造的量子器件相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路具有體積小、重量輕、運(yùn)行速率高等優(yōu)勢(shì)，可以大大提高武器裝備控制系統(tǒng)的信息存儲(chǔ)、傳輸和處理能力。同時(shí)由于納米材料具有獨(dú)特的光學(xué)性能，其常被應(yīng)用于軍事武器的“隱身”當(dāng)中。如圖5所示，美國(guó)的B-2隱形轟炸機(jī)采用超級(jí)碳黑作為隱身涂層，其不僅具有99%的雷達(dá)吸收率，而且也具備改變透射光束方向的能力[11]。

圖5 隱形轟炸機(jī)[11]

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

未來納米材料與技術(shù)有望更多地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。相比普通藥物，納米藥物可以直接被皮膚吸收，從而減輕患者因注射而帶來的痛苦[2]。納米技術(shù)也可應(yīng)用于靶向藥物運(yùn)輸和基因治療，采用納米材料運(yùn)輸基因或藥物能夠在提高治療效果的同時(shí)減輕對(duì)其他細(xì)胞的傷害[13]。2020年新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)后，科學(xué)家提出了采用納米科技進(jìn)行病毒檢測(cè)和抑制的方法(如圖6)[14]。不過目前納米藥物的應(yīng)用仍存在一定的安全隱患，有待更多研究者投入到相關(guān)領(lǐng)域中進(jìn)行更深入的研究。

圖6 利用納米科技應(yīng)對(duì)新型冠狀病毒(COVID-19)[14]

運(yùn)輸領(lǐng)域

在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，納米材料應(yīng)用于車身的不同部件可以在一定程度上節(jié)約燃料并降低交通事故發(fā)生的概率(如圖7)。車身涂覆納米涂層可以起到自清潔的功能，同時(shí)也能增加車身的耐腐蝕性和抗摩擦能力。為降低刺眼的車燈反射光對(duì)駕駛的影響，可以在反射鏡和前照燈表面涂覆超反射納米薄層，從而幫助駕駛者看清道路和車輛情況，減少交通事故發(fā)生的概率(如圖8)。為減少汽車的燃料損耗，可以利用納米晶材料降低氣缸的摩擦，也可以利用納米復(fù)合材料取代沉重的鋼材以減輕車身的重量。這些納米材料的應(yīng)用既減少了燃料耗費(fèi)又有利于引擎和車體的維護(hù)[15]。

圖7 通過納米技術(shù)改良的汽車零部件[16]

圖8 (a) 傳統(tǒng)反射鏡；(b) 納米涂層防閃光反射鏡[17]

北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)特色

北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)是依托材料科學(xué)與工程一級(jí)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科成立的新型交叉學(xué)科，也是教育部批準(zhǔn)創(chuàng)辦的全國(guó)首批納米材料與技術(shù)本科專業(yè)，擁有碩士、博士學(xué)位授予權(quán)及博士后流動(dòng)站，與國(guó)家納米科學(xué)中心聯(lián)合招生和培養(yǎng)。本專業(yè)擁有中國(guó)科學(xué)院院士1人、外籍(美國(guó)籍)兼職院士1人、教授16人、國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的專家2人、教育部長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授3人、國(guó)家杰出青年科技基金獲得者3人、教育部跨世紀(jì)和新世紀(jì)人才4人、北京市科技新星2人，另外有副教授10人。所有教師均具有博士學(xué)位，其中大部分教師具有在美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)名校留學(xué)研修的經(jīng)歷。

北京科技大學(xué)與國(guó)家納米科學(xué)中心簽訂了聯(lián)合培養(yǎng)納米材料與技術(shù)專業(yè)本科生的合作協(xié)議。國(guó)家納米科學(xué)中心優(yōu)秀科研人員為本科生開設(shè)短期課程，并為培養(yǎng)高層次納米材料專業(yè)人才提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)。北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)擁有多個(gè)國(guó)家級(jí)科研、教學(xué)平臺(tái)，并依托教育部“低維功能材料”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、北京市“新能源納米材料與技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等為學(xué)生提供科技創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。

納米材料與技術(shù)專業(yè)學(xué)什么？

培養(yǎng)計(jì)劃

北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論，具備扎實(shí)的納米材料制備、加工、結(jié)構(gòu)與性能檢測(cè)與分析、納米器件構(gòu)建及應(yīng)用等專門知識(shí)，具有適應(yīng)專業(yè)發(fā)展需求、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)和國(guó)際化視野的卓越專門人才。本專業(yè)的主要專業(yè)課程包括：材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料分析方法、半導(dǎo)體物理、材料化學(xué)基礎(chǔ)、材料物理性能、納米材料制備與表征、微納加工技術(shù)、表面與界面、納米半導(dǎo)體材料、納米催化材料、納米能源材料、生化傳感器等課程。

北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)為本科生提供了豐富的教研實(shí)踐平臺(tái)，每年安排本科生到科研院所和相關(guān)企業(yè)單位進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)、暑期實(shí)踐活動(dòng)、本科生創(chuàng)新實(shí)踐等(如圖9)。例如，2015年納米材料與技術(shù)專業(yè)本科生到中科信電子裝備有限公司進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)(如圖10)，2016年到北京市納米科技產(chǎn)業(yè)園及多家納米科技公司、中科院半導(dǎo)體所、微電子所、國(guó)家納米中心及北京市能源所等科研企業(yè)單位進(jìn)行實(shí)習(xí)。

圖9 北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)的同學(xué)到國(guó)家納米科學(xué)中心進(jìn)行暑期實(shí)踐

圖10 北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)的本科生到中科信電子裝備有限公司太陽能電池生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)

另外，北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)具有特殊的優(yōu)勢(shì)——“雙導(dǎo)師制”培養(yǎng)機(jī)制。根據(jù)北京科技大學(xué)與國(guó)家納米科學(xué)中心共同培養(yǎng)納米材料與技術(shù)專業(yè)本科生的協(xié)議，雙方共同選派導(dǎo)師，聯(lián)合指導(dǎo)學(xué)生，給予學(xué)生以個(gè)性化的指導(dǎo)和幫助，在雙方導(dǎo)師的指導(dǎo)下撰寫畢業(yè)論文。例如，2016屆納米材料與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)生王國(guó)棟由北京科技大學(xué)張躍院士和國(guó)家納米中心魏志祥研究員共同指導(dǎo)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)及論文工作。

國(guó)際交流

北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)與國(guó)際接軌，為同學(xué)們提供了良好的國(guó)際交流平臺(tái)。目前，已與加拿大麥克馬斯特大學(xué)、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、日本北海道大學(xué)、香港大學(xué)等多所高校有聯(lián)合培養(yǎng)與合作研究項(xiàng)目。學(xué)生在校期間不但可以申請(qǐng)到這些國(guó)內(nèi)外著名大學(xué)進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，而且還可以申請(qǐng)國(guó)家留學(xué)基金委的優(yōu)秀本科生國(guó)際交流項(xiàng)目。北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)經(jīng)常邀請(qǐng)國(guó)際頂尖專家和學(xué)者定期來訪、講學(xué)。每年夏季小學(xué)期，邀請(qǐng)2～3位海外高校教授為學(xué)生講授專業(yè)課。

納米材料與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)后能做什么？

北京科技大學(xué)納米材料與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)生繼續(xù)深造率高達(dá)73%，出國(guó)率21%左右，總體就業(yè)率達(dá)97%。四年的本科專業(yè)學(xué)習(xí)為同學(xué)們打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和專門知識(shí)，畢業(yè)生無論是選擇學(xué)術(shù)、科研道路，還是想步入社會(huì)成就一番事業(yè)，都能讓同學(xué)們自信滿滿，做出自己的人生規(guī)劃。

選擇在國(guó)內(nèi)繼續(xù)深造的畢業(yè)生去向，除留在本校攻讀研究生之外，還包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、國(guó)家納米科學(xué)中心、中科院物理所、化學(xué)所等。出國(guó)深造的畢業(yè)生去向，包括美國(guó)哈佛大學(xué)、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)、美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、美國(guó)佐治亞理工學(xué)院、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、加拿大麥克馬斯特大學(xué)、日本北海道大學(xué)、香港大學(xué)等國(guó)際一流學(xué)府。

直接就業(yè)的本科畢業(yè)生可以選擇在材料、電子信息、新能源、航空航天、生物醫(yī)藥等行業(yè)或相關(guān)領(lǐng)域從事與納米材料與技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)、教學(xué)、咨詢和管理工作。畢業(yè)生還可以進(jìn)入政府機(jī)關(guān)職能部門成為政府工作人員，也可以到銀行等金融機(jī)構(gòu)從事與專業(yè)相關(guān)的咨詢工作等?？傊?，納米材料與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生可以選擇從事的行業(yè)種類覆蓋面大，就業(yè)前景廣闊。

結(jié)束語

納米材料與技術(shù)是近年來世界上爆炸式發(fā)展的最廣闊和多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，納米科學(xué)和技術(shù)正在信息、材料、能源、環(huán)境、化學(xué)、微電子、微制造、生物、醫(yī)學(xué)和國(guó)防等方面顯示了廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)與人們的日常生活息息相關(guān)，并將在未來發(fā)揮越來越大的作用，對(duì)社會(huì)發(fā)展帶來顛覆性的影響。未來可期，小納米釋放大能量。