納米新世界

劉彥華

納米科技是多學(xué)科交叉融合的智慧結(jié)晶，也是未來變革性技術(shù)的源泉，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已成為國際上競相爭奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

作為當(dāng)今世界上最負(fù)盛名的科學(xué)獎之一，諾貝爾獎代表了人類科學(xué)領(lǐng)域的最高榮譽(yù)，獲獎的成果也基本上代表了人類科學(xué)研究的最新成就和最高水平。2023年10月，最新一屆諾貝爾獎評選結(jié)果公布，其中，生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎和化學(xué)獎兩大獎項(xiàng)皆與納米科技相關(guān)，引發(fā)高度關(guān)注。

據(jù)悉，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎被授予卡塔琳·考里科和德魯·韋斯曼，以表彰他們在信使核糖核酸（mRNA）研究上的突破性發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)使針對新冠感染的有效mRNA疫苗成為可能。而mRNA疫苗的核心技術(shù)之一正是脂質(zhì)體納米載體；諾貝爾化學(xué)獎被授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布魯斯和阿列克謝·葉基莫夫，以表彰他們“發(fā)現(xiàn)和合成了量子點(diǎn)，為納米技術(shù)埋下了重要種子”。

納米科技，是多學(xué)科交叉融合的智慧結(jié)晶，也是未來變革性技術(shù)的源泉，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已成為國際上競相爭奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

神奇的微觀世界

愛因斯坦曾經(jīng)說：“未來科學(xué)的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍?！?/p>

納米科技，就是人們打開神奇微觀世界的一把鑰匙。所謂納米科技，是指在納米尺度（1～l00納米之間）上研究物質(zhì)（包括原子、分子）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1～100納米時(shí)，其量子效應(yīng)、物質(zhì)的局域性、巨大的表面及界面效應(yīng)會使物質(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、分子及其他物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的新穎的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題的是著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德·費(fèi)曼。1959年，他在著名的演講《微觀世界有無垠的空間》中提出：如果人類能夠在原子、分子的尺度上來加工材料、制備裝置，那么將有許多激動人心的新發(fā)現(xiàn)。他還強(qiáng)調(diào)，人們需要新型的微型化儀器來操縱納米結(jié)構(gòu)并測定其性質(zhì)。

理查德·費(fèi)曼的科學(xué)思想起初并未被接受，然而科技的迅猛發(fā)展很快證明了他是正確的。繼理查德·費(fèi)曼之后，許多科學(xué)家又盡情發(fā)揮想象力，從不同角度繼續(xù)編織著納米技術(shù)的神奇夢想。1974年，科學(xué)家谷口紀(jì)男最早使用納米技術(shù)（nanotechnology）一詞描述了精細(xì)機(jī)械加工；1980年代初，賓尼希和羅雷爾等人發(fā)明了理查德·費(fèi)曼所期望的納米科技研究的重要儀器——掃描隧道顯微鏡（STM）；1986年，原子力顯微鏡問世；1990年第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議召開，標(biāo)志著納米科技正式誕生。

納米科技對世界各國產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，在短短的幾十年里，大量原創(chuàng)性的成果不斷涌現(xiàn)，多項(xiàng)重大突破性技術(shù)獲得諾貝爾獎，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。

神奇的納米科技為人類生活增姿添彩。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米級粒子可以使藥物在人體內(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少量血液，就能通過其中的蛋白質(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磁讀卡機(jī)以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米級存儲器芯片都已投入生產(chǎn)，可以預(yù)見，未來以納米技術(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)行過濾，從而消除污染。在農(nóng)業(yè)遺傳育種領(lǐng)域，可以通過納米技術(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%。

《中國納米科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》中直言，“未來10～15年，納米科技將深度應(yīng)用于信息、能源、環(huán)保、生物醫(yī)學(xué)、制造、國防等領(lǐng)域，形成基于納米技術(shù)的新興產(chǎn)業(yè)。”

納米科技革命已經(jīng)到來，科學(xué)界對此已形成共識。

不斷崛起的中國納米

納米科技已經(jīng)成為推動科學(xué)發(fā)展的重要引擎，為此，全球主要國家和經(jīng)濟(jì)體相繼布局，紛紛將納米科技作為未來科技、工業(yè)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域競爭的制高點(diǎn)。美國于21世紀(jì)初啟動國家納米技術(shù)計(jì)劃（NNI）；歐盟在框架計(jì)劃FP6、FP7和地平線計(jì)劃中一直部署納米基礎(chǔ)研究；日本在第二至第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃中，連續(xù)將納米科學(xué)確定為優(yōu)先領(lǐng)域。

我國同樣高度重視納米科技，而且較早布局。

1987年，中國科學(xué)院化學(xué)研究所成立納米科技研究實(shí)驗(yàn)室，并于1988年研制成功中國第一臺掃描隧道顯微鏡，隨后研制出原子力顯微鏡、激光檢測原子力顯微鏡、低溫掃描隧道顯微鏡等，為我國納米科技發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

1990年，自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院聯(lián)合召開首屆掃描隧道顯微學(xué)學(xué)術(shù)會議，為早期納米科學(xué)研究者提供了交流平臺。

2001年，科技部聯(lián)合國家多部委發(fā)布了《國家納米科技發(fā)展綱要》，成立了國家納米科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會，提出加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、攻克關(guān)鍵技術(shù)及培養(yǎng)骨干人才等任務(wù)目標(biāo)。各部委分別通過國家的“973計(jì)劃”“863計(jì)劃”等對納米新材料和新技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行了支持。

2003年，中國科學(xué)院和教育部共同成立國家納米科學(xué)中心。經(jīng)過20年的發(fā)展，國家納米科學(xué)中心科研工作取得了一系列重要進(jìn)展，科技競爭力顯著提高。

2005年，國家標(biāo)準(zhǔn)委員會正式發(fā)文批準(zhǔn)成立全國納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會。自成立以來，該委員會立足我國納米科技的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，深入企業(yè)開展標(biāo)準(zhǔn)化的提升與行動，打造基礎(chǔ)科研到全產(chǎn)業(yè)鏈的標(biāo)準(zhǔn)化橋梁。

2013年，中國科學(xué)院啟動納米先導(dǎo)專項(xiàng)，助推協(xié)同創(chuàng)新，支持科學(xué)家將實(shí)驗(yàn)室小試技術(shù)推向中試，吸引更多的社會資本投入到納米成果的轉(zhuǎn)化之中。資料顯示，2013—2018年，該專項(xiàng)便與70多家企業(yè)開展了合作，在長續(xù)航動力鋰電池、納米綠色印刷、納米催化、健康診療及飲用水處理等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域形成了一系列納米核心技術(shù)創(chuàng)新，吸引和帶動社會資本投入超過50億元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。

2022年，經(jīng)國務(wù)院學(xué)位委員會正式批準(zhǔn)，納米科學(xué)與工程被列入交叉學(xué)科門類下新的一級學(xué)科。此舉成為我國納米科技領(lǐng)域人才培養(yǎng)的一個(gè)重要里程碑。

從無到有，從弱到強(qiáng)，從跟跑到領(lǐng)跑，經(jīng)過數(shù)十年的不懈努力，我國納米科技總體水平已進(jìn)入世界第一梯隊(duì)，獲得了豐碩成果。數(shù)據(jù)最有說服力。據(jù)白春禮近日參加公開活動時(shí)介紹，在研究機(jī)構(gòu)方面，2019年，全球納米科學(xué)研究產(chǎn)出的前20名機(jī)構(gòu)中我國占有11席；納米領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研合作方面，世界前20名機(jī)構(gòu)中我國占有6席；在納米催化、納米安全等領(lǐng)域，我國也已走在世界前列，納米科技的專利申請和授權(quán)均位居世界前列。另外，自2008年以來，我國發(fā)表的國際納米科技論文總量居世界第一；過去20年，申請的納米專利總量占全球總量的45%；2000年至2020年，納米科技共獲得國家自然科學(xué)獎146項(xiàng)，占比20%，其中包括4項(xiàng)一等獎。

與此同時(shí)，我國納米產(chǎn)業(yè)也在迅速發(fā)展，形成了蘇州工業(yè)園區(qū)、廣州納米谷等代表性的納米產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。數(shù)據(jù)顯示，2022年，僅蘇州便聚集了納米產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)1128家，產(chǎn)值規(guī)模達(dá)1460億元。

讓“科研之花”結(jié)出“產(chǎn)業(yè)碩果”

納米科技不僅帶來了量子加密材料、行星探測傳感器、柔性電子材料、新型半導(dǎo)體加工技術(shù)和可穿戴人工腎臟等顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，新冠疫情以來，新型納米材料和技術(shù)還在防護(hù)口罩、防護(hù)服、檢測試劑等研發(fā)中實(shí)現(xiàn)了重要應(yīng)用。可以說，不論是推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還是改變?nèi)藗兩?，納米科技都表現(xiàn)出巨大的潛力。

然而，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。

“‘十四五’期間，我國納米科技發(fā)展的指導(dǎo)思想是‘三突出三重視’，即突出前瞻性、戰(zhàn)略性大方向，超前布局，突出重大前沿技術(shù)研究；突出關(guān)鍵新材料、新原理、新技術(shù)研究；突出采用核心納米技術(shù)集中解決重大挑戰(zhàn)和瓶頸技術(shù)問題。重視由納米單一技術(shù)向全鏈條技術(shù)綜合創(chuàng)新研究；重視納米科技轉(zhuǎn)化，推進(jìn)基礎(chǔ)研究—應(yīng)用研究—技術(shù)轉(zhuǎn)移的交叉融合創(chuàng)新研究；重視基礎(chǔ)研究和應(yīng)用前沿的銜接。”白春禮強(qiáng)調(diào)，經(jīng)過多年來在納米科技方面的投入和發(fā)展，我國已崛起為納米科學(xué)大國。但同時(shí)也需清醒認(rèn)識到，雖然現(xiàn)在論文發(fā)表多，質(zhì)量也比較高，但納米科技領(lǐng)域由跟蹤、并行向領(lǐng)跑的過程中，我們領(lǐng)跑的工作還不夠。

對此，白春禮建議，第一，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，弄清楚納米科學(xué)中的基礎(chǔ)理論問題，提出原創(chuàng)性的新理論、新方法。第二，加強(qiáng)學(xué)科間的交叉合作，互相促進(jìn)融合發(fā)展。第三，重視納米毒理學(xué)的研究，把它納入到上游研究和決策當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)納米科技的可持續(xù)發(fā)展。第四，加強(qiáng)人才培養(yǎng)，推動我國納米科技人才更多走向國際舞臺。第五，加強(qiáng)成果轉(zhuǎn)化，助力未來新興產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

“到2020年，我國納米科技累計(jì)申請專利已超過30萬件，論文發(fā)表數(shù)量和質(zhì)量也排在全球第一，這些研究成果卻很少被應(yīng)用?！?中國科學(xué)院院士、國家納米科學(xué)中心研究員趙宇亮同樣在關(guān)注納米科技成果轉(zhuǎn)化的問題。他強(qiáng)調(diào)，在納米科學(xué)研究領(lǐng)域，科研成果落地應(yīng)用仍是我們的一個(gè)短板。

主要堵點(diǎn)在哪里？據(jù)趙宇亮分析，問題主要在于，目前國內(nèi)科技創(chuàng)新鏈并不是很完整。“科技創(chuàng)新鏈通常分為9級，1至3級是基礎(chǔ)科學(xué)研究，4至6級是成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，7至9級是企業(yè)研發(fā)的產(chǎn)品和商品。1至3級是科研人員的事情，7至9級是企業(yè)界的事情，而4至6級很少有人在做。推動研究成果的應(yīng)用，需要在‘論文’和‘產(chǎn)品’之間建立‘橋梁’，這就是創(chuàng)新鏈4至6級的研發(fā)平臺?！?/p>

如何加強(qiáng)納米科研成果的應(yīng)用被認(rèn)為是我國納米科學(xué)發(fā)展所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。目前，產(chǎn)業(yè)部門在一定程度上參與進(jìn)來，許多納米科研人員也在頻繁與企業(yè)開展合作，也有越來越多的企業(yè)愿意與大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家合作，為他們提供科研資金并一起研發(fā)新的技術(shù)或產(chǎn)品，甚至有些企業(yè)還大力投資研發(fā)，建立了自己的研究部門。然而，這還不夠。以產(chǎn)業(yè)需求和市場需求為導(dǎo)向，探索產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新新機(jī)制，是破解困局的應(yīng)有之義。

（鏈接）

納米科技優(yōu)先發(fā)展十大領(lǐng)域

1.?新材料領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的長足發(fā)展，我國在納米新材料領(lǐng)域已形成一系列有典型代表性的材料體系，如石墨炔新型碳材料、單原子催化劑、無機(jī)二維材料、稀土功能材料、限域催化材料等。制備決定未來，納米新材料的發(fā)現(xiàn)必須依靠納米尺度結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與可控合成。隨著合成化學(xué)、納米測量技術(shù)的快速發(fā)展，納米新材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與合成及其性能探索已成為當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域的重中之重。

2.?跨尺度領(lǐng)域。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展始于尺寸效應(yīng)的研究。近年來，隨著亞納米尺度材料等新興方向和冷凍電鏡等技術(shù)的發(fā)展，已具備了開展跨尺度研究的條件。我國科學(xué)家在納米團(tuán)簇控制合成及表征、亞納米尺度材料概念及合成方法等方向擁有良好的研究基礎(chǔ)。

3.?自組裝與仿生領(lǐng)域。我國在納米結(jié)構(gòu)單元的可控合成、自限制組裝和圖案化設(shè)計(jì)等方面的研究成為優(yōu)勢方向。未來有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自組裝體的制備，并在微納電子器件、能源和生命科學(xué)等廣闊領(lǐng)域獲得應(yīng)用。此外，在仿生材料構(gòu)筑方面，我國的產(chǎn)出規(guī)模在世界上占有領(lǐng)導(dǎo)地位，但實(shí)現(xiàn)仿生材料的可控構(gòu)筑并獲得宏觀尺度的材料性能仍然面臨很大挑戰(zhàn)。

4.?納米催化領(lǐng)域。我國的納米催化研究基本與國際同步，在單原子催化、限域催化、一碳化學(xué)品轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域居于領(lǐng)先水平，在催化劑產(chǎn)業(yè)方面則比較落后。

5.?表界面研究。我國的納米材料表界面研究有很好的積累，在超浸潤納米界面、高指數(shù)晶面納米晶體、界面限域催化、表面增強(qiáng)光譜技術(shù)、納米表面配位化學(xué)等方面取得國際公認(rèn)的研究成果，正在國際上形成重要特色。

6.?納米器件與傳感領(lǐng)域。納米器件方面，我國面臨著巨大的挑戰(zhàn)。我國集成光電子器件及芯片進(jìn)口額巨大，是我國第一大進(jìn)口商品。我國在基礎(chǔ)單元器件方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，但是，綜合技術(shù)十分薄弱。傳感技術(shù)方面，納米傳感器集超高靈敏度、小型化、集成化和可視性等優(yōu)異性能于一體而備受重視。近年來，我國在公共安全、環(huán)境監(jiān)測、生物安全、工礦企業(yè)安全等方面的傳感檢測需求快速增長。

7.?極限測量領(lǐng)域。納米極限測量研究在納米科學(xué)領(lǐng)域還沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。我國對先進(jìn)透射電子顯微術(shù)的研究和應(yīng)用十分重視，在儀器規(guī)模、技術(shù)研發(fā)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究及人才培養(yǎng)等方面取得了令人矚目的成就，有力地推動了我國納米科學(xué)的發(fā)展，但是在高端電鏡研發(fā)、基礎(chǔ)理論研究、新表征技術(shù)的探索和應(yīng)用方面仍與發(fā)達(dá)國家有相當(dāng)?shù)牟罹唷?/p>

8.?納米理論研究。近年來，我國在納米理論方面發(fā)展迅速，發(fā)展了一些在國際上有影響力的理論與計(jì)算方法，如非絕熱動力學(xué)方法、線性標(biāo)度的基態(tài)電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法等；揭示了納米結(jié)構(gòu)催化機(jī)理，提出了一些納米電子學(xué)、光電與光催化材料新概念。

9.?納米生物醫(yī)學(xué)。近年來，納米技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，相關(guān)納米生物技術(shù)的研究突飛猛進(jìn)，取得了大量突破性進(jìn)展。藥物輸送和疾病的精準(zhǔn)治療是近年來納米生物醫(yī)學(xué)研究中的核心內(nèi)容和主要應(yīng)用，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。

10.?納米能源。我國在硅基光伏面板、LED?照明與顯示、鋰離子電池等方面，具有龐大的市場和完善的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)規(guī)模均居于世界前列，有著重要的國際地位，但同時(shí)也存在原創(chuàng)技術(shù)少，高端制造所需的材料、電子元件與設(shè)備“卡脖子”等問題。

（注：資料來源為《中國納米科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》）

十大前沿納米科技難題

1.?是否可以構(gòu)建涵蓋量子和宏觀物理特性的納米理論，進(jìn)而能可靠地預(yù)測材料在納米尺度的特性？

2.?納米材料的安全性與哪些特性有關(guān)？在不同的環(huán)境中如何實(shí)現(xiàn)對其安全性的有效調(diào)節(jié)？

3.?納米科學(xué)如何助力生物學(xué)發(fā)展？

4.?納米技術(shù)將為醫(yī)療技術(shù)帶來怎樣的變革？

5.?如何借助可視化技術(shù)研究納米材料的表面和界面？

6.?納米技術(shù)如何影響不同類型催化劑的制備？

7.?如何實(shí)現(xiàn)原子精度制造的大尺寸化？

8.?納米技術(shù)將如何提升算力進(jìn)而助推光電器件的發(fā)展？

9.?納米技術(shù)會對電子行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生哪些影響，未來電子器件的能耗極限在哪里？

10.?納米技術(shù)如何助力全球可持續(xù)發(fā)展？

（注：資料來源為國家納米科學(xué)中心）