決戰(zhàn)納米時(shí)代

1959年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，被認(rèn)為是繼愛因斯坦之后最為睿智的理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼教授在美國加州理工大學(xué)發(fā)表了題為《在底部還有很大空間》的演講，在他看來，人類社會(huì)目前的生產(chǎn)方式總是“從上而下”的，他提出：“為什么我們不可以從單個(gè)分子、甚至原子出發(fā)，進(jìn)行組裝，達(dá)到我們的需求？物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子制造物品的可能。”

這個(gè)看起來過于大膽的假想，在當(dāng)時(shí)并未引起人們足夠的注意，但到了21世紀(jì)的今天，當(dāng)人類聯(lián)合解破基因密碼成功的消息傳出后，人們立即猜想下一個(gè)將是哪個(gè)技術(shù)對人類社會(huì)影響最大？有人很快做出回答：“要使現(xiàn)在基因密碼破解基礎(chǔ)上的成果變成一場醫(yī)療革命，仍然需要更小的工具，而不僅僅是用藥物來影響基因，那就需要納米機(jī)器，需要可以在比細(xì)胞更小范圍內(nèi)改造生物體的工具，這只能靠納米技術(shù)。”

在各國政府和企業(yè)的推動(dòng)下，與網(wǎng)絡(luò)、基因一起被人并稱為“21世紀(jì)三劍客”的納米技術(shù)，在新舊世紀(jì)交替之時(shí)正式登上21世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)，繼網(wǎng)絡(luò)熱、基因熱之后在市場上刮起一股納米旋風(fēng)。

揭開納米的神秘面紗

目前被各界炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的“納米（nanometer）”，其實(shí)只是一種幾何尺寸的計(jì)量單位，如同厘米、分米和米一樣，1納米等于10-10米（即十億分之一米），相當(dāng)于四五十個(gè)原子排到一起來的長度，還不到頭發(fā)絲粗細(xì)的十萬分之一。將一納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般。當(dāng)吸煙的人吐出藍(lán)色的煙霧時(shí)，人看到的是碳分子團(tuán)，它大約是50萬納米徑。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。自1982年STM（掃描隧道顯微鏡）發(fā)明后，便誕生了一門以0.1至100納米長度為研究對象、在這一水平上對物質(zhì)和材料進(jìn)行研究、處理的技術(shù)，這就是納米技術(shù)。

納米技術(shù)以空前的分辨率為人類揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界，它的最終目的是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的技術(shù)，也稱之為“分子制造學(xué)”，可稱得上是“在針尖上跳舞”的技術(shù)。納米技術(shù)源于這樣一種機(jī)理：當(dāng)材料被加工到納米一級的技術(shù)狀態(tài)時(shí)，其物理性能和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生出乎意料的變化，主要表現(xiàn)在強(qiáng)度、韌度、比熱、導(dǎo)電率、擴(kuò)散率、磁化率以及對電磁吸收性發(fā)生巨大變化等等，因此，利用納米技術(shù)選定原子構(gòu)成分子，制造出各種各樣具有“特異功能”的新材料，將這些功能特異的新材料添加到產(chǎn)品中，可以使產(chǎn)品表現(xiàn)出意想不到的新性能。

納米技術(shù)的研究始于1959年。1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)大會(huì)在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科技正式誕生。目前，納米技術(shù)已在新材料、通信、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。例如，在陶瓷中摻入少量納米粉，可使其具有類似于鐵的可彎曲性；使金屬產(chǎn)生室溫下的超塑性；將材料表面納米化，可大大提高材料的強(qiáng)度；在護(hù)膚品中加入納米粉，能夠使皮膚迅速恢復(fù)自身新陳代謝和抵抗病菌的功能；如果用納米陶瓷強(qiáng)化防彈裝甲，可達(dá)到使導(dǎo)彈滑落或彈射回去的奇跡。普通中藥牛黃加工到納米級水平，其理化性質(zhì)和療效發(fā)生了驚人的變化，甚至可以治療疑難雜癥，并具有極強(qiáng)的靶向作用。納米顆粒還有防靜電、防紫外線、抗菌等多種功能。

納米技術(shù)孕育技術(shù)革命

“想象一下這樣的可能性：強(qiáng)度為鋼的10倍的材料而重量只有鋼的一部分；把國會(huì)圖書館的所有信息縮進(jìn)一個(gè)只有方糖大小的器件中；能檢測出只有幾個(gè)細(xì)胞大小的腫瘤”，2000年1月21日，在加州宣傳“新國家納米技術(shù)”時(shí)，前美國總統(tǒng)克林頓如是說。根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)和最新的科技發(fā)展，世界各國的很多科學(xué)家都認(rèn)定：由化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)等各種學(xué)科交叉形成的新學(xué)科—納米技術(shù)，正昭示著產(chǎn)業(yè)革命的曙光，其影響將比20世紀(jì)后半葉微電子學(xué)所起的作用還要大。美國IBM首席科學(xué)家阿蒙特預(yù)言：“正如20世紀(jì)70年代的微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為新世紀(jì)信息時(shí)代的核心。”

本世紀(jì)的技術(shù)革新，很大程度上是靠弄清更加微觀的現(xiàn)象和據(jù)此發(fā)展操作技術(shù)來支撐的。但是，基于宏觀的角度，追求更加微觀的世界這種傳統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)，在很多領(lǐng)域都將迎來極限。如果沒有與傳統(tǒng)技術(shù)根本不同的新發(fā)現(xiàn)，就無法登上新的臺(tái)階。納米技術(shù)就是發(fā)現(xiàn)量子效果的人工的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)技術(shù)。也就是說，它在本質(zhì)上從一開始就是以量子論支配世界為前提的。21世紀(jì)被稱為“光的時(shí)代”、“高度信息化時(shí)代”和“生物工程時(shí)代”等，但是無論哪一個(gè)，它的技術(shù)的關(guān)鍵都是量子效果。因此納米技術(shù)有可能引起計(jì)算機(jī)革命、光革命甚至生物工程革命，其影響將不亞于電力代替蒸汽的革命。

更為重要的是納米技術(shù)本身所涉及的是科技發(fā)展到一定階段必須解決的一個(gè)問題，是信息和生命科學(xué)技術(shù)能夠進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)，所以，納米技術(shù)的意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了信息技術(shù)和生命科學(xué)。利用納米化材料特殊的磁、光、電等性質(zhì)，可以開發(fā)出難以計(jì)數(shù)的新的元器件，在信息工程、生物工程等方面發(fā)揮重要作用，從而衍生出新的技術(shù)、新的高科技產(chǎn)業(yè)群。納米技術(shù)滲入生物學(xué)領(lǐng)域還將迅速改變農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)的面貌，人類生活方式將在這兩項(xiàng)科技的結(jié)合中迅速出現(xiàn)革命性的變化。

當(dāng)然，這并不是說現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)成就可以棄之腦后。相反，正是充分掌握和利用先進(jìn)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)才使對納米技術(shù)的預(yù)言和研究成為可能，才使納米技術(shù)的實(shí)驗(yàn)有了目前的成功，才使我們有可能進(jìn)一步發(fā)展它。如果沒有STM，IBM公司就不可能直接操作原子，成功地將35個(gè)氙原子在鎳板上排成字母“IBM”，字母的大小僅是一個(gè)標(biāo)點(diǎn)的50萬分之一。然而，我們必須相信，今后的科學(xué)發(fā)展方向和手段將依賴納米技術(shù)，這是應(yīng)該認(rèn)識(shí)的更重要的方面。

納米離我們其實(shí)不遠(yuǎn)

在未來學(xué)家勾畫的遠(yuǎn)景藍(lán)圖里：巨型計(jì)算機(jī)能裝人口袋里；導(dǎo)彈可被做成蜜蜂一樣大小；整個(gè)軍隊(duì)的防空系統(tǒng)可以放在一個(gè)桌子上；超強(qiáng)輕型材料有可能使太空旅行變得便宜而且容易；人類可以利用納米技術(shù)在火星上制造出大氣。應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米技術(shù)可使細(xì)胞老化時(shí)制造出新的細(xì)胞，從而把人們的壽命延長。納米機(jī)器人可把藥物送到人體內(nèi)高度局部化的地點(diǎn)，清掃動(dòng)脈，修復(fù)心臟、大腦和其他器官，從而免去外科手術(shù)之苦......

這些聽起來可能很像天方夜譚，也許讓人覺得有點(diǎn)太過遙遠(yuǎn)，事實(shí)上，納米早已悄然進(jìn)入了我們?nèi)粘Ｉ畹闹T多領(lǐng)域。例如市場上流行的“納米鈣”、“納米磁貼”、抗菌洗衣機(jī)、無菌餐具，以及市場上最新出現(xiàn)的防靜電、防紫外線、防電磁波輻射服裝等，都含有納米材料，利用“廣譜速效納米抗菌顆粒”為原料開發(fā)出來的納米醫(yī)藥產(chǎn)品將大規(guī)模進(jìn)入百姓家庭。

由于納米技術(shù)具有使用范圍廣、見效顯著的特點(diǎn)，因而通過納米技術(shù)的應(yīng)用，對產(chǎn)業(yè)進(jìn)行升級換代，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整具有普遍意義。我國一些具有戰(zhàn)略眼光的企業(yè)已率先進(jìn)入了這個(gè)21世紀(jì)最重要的技術(shù)領(lǐng)域，投資納米技術(shù)的上市公司不斷增加，在證券市場上形成了引人注目的納米板塊。其中，“蘇威孚”與吉林大學(xué)合作開發(fā)納米鋁粉，“武漢塑料”的納米復(fù)合材料，“鑫科材料”自主發(fā)明的納米氧化鋁、“太原化工”、“蘭花科創(chuàng)”的納米級超細(xì)碳酸鈣等已先后投入2億多元，通過嫁接納米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級取得明顯效果，贏得了寶貴的發(fā)展機(jī)遇，使納米技術(shù)在經(jīng)濟(jì)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

納米技術(shù)在掀起一場產(chǎn)業(yè)革命的同時(shí)，也為企業(yè)帶來了巨大的商業(yè)利潤。據(jù)美國BBC公司報(bào)道，1996年美國納米材料的市場額為4230萬美元，預(yù)計(jì)2001年將達(dá)1.546億美元，年均增幅達(dá)29.6%。專家預(yù)計(jì)，到2003年，全球納米產(chǎn)品的營業(yè)額將增長到1000億美元，到2010年，全球納米技術(shù)創(chuàng)造的年產(chǎn)值將達(dá)14400億美元。面對如此誘人的“香餑餑”，世界許多國家和企業(yè)都紛紛制定了相應(yīng)的戰(zhàn)略或計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)的戰(zhàn)略高地，國家間的競爭已經(jīng)揭開戰(zhàn)幕。可以預(yù)見，納米將在這股競爭熱潮中快步走進(jìn)我們的生活。

世界各國決戰(zhàn)納米時(shí)代

21世紀(jì)是技術(shù)競爭的世紀(jì)。在世界經(jīng)濟(jì)一體化的背景下，各個(gè)國家在世界制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的位置決定了該國的經(jīng)濟(jì)地位，在新世紀(jì)來臨之際，一場悄無聲息的“戰(zhàn)爭”已在納米領(lǐng)域拉開了序幕。

為了搶占納米技術(shù)的戰(zhàn)略高地，美國從1991年開始就把納米技術(shù)列為“政府關(guān)鍵技術(shù)”和“2005年戰(zhàn)略技術(shù)”，在發(fā)現(xiàn)美國1997年在納米技術(shù)方面投資1.16億美元少于日本的約1.2億美元和西歐的1.28億美元時(shí)，克林頓政府立即擬訂了“國家納米技術(shù)計(jì)劃”，同時(shí)將本年度原1.7億美元資助經(jīng)費(fèi)增至2.5億美元。此外，在2001年財(cái)政年度，投資增加84%，達(dá)4.97億美元，美國政府已把國家納米技術(shù)戰(zhàn)略作為最優(yōu)先考慮的戰(zhàn)略。美國的舉動(dòng)使日本大為震驚，日本科技廳決定設(shè)立“納米材料研究中心”，通產(chǎn)省也決定實(shí)施為期7年的“納米材料工程”計(jì)劃，每年投入50億日元。德國、法國、英國也分別擬訂了本國的“國家納米技術(shù)計(jì)劃”，將納米技術(shù)列為21世紀(jì)科研創(chuàng)新的戰(zhàn)略領(lǐng)域。印度則公開宣稱：要像重視抓軟件一樣重視納米技術(shù)的研究。

我國對納米事業(yè)也非常重視。1991年錢學(xué)森就指出：“我認(rèn)為納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。”納米技術(shù)列入我國863計(jì)劃，并且取得了突破性的成果，從在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體，到合成了世界上最長的“超級纖維”碳納米管；從組裝出世界上最細(xì)且性能最好的掃描隧道顯微鏡用探針到制備世界上最小的直徑只有0.5納米的碳納米管；從合成高質(zhì)量的儲(chǔ)氫碳納米材料到得到點(diǎn)直徑為1.3納米的超高密度信息存儲(chǔ)材料......。我們在這一最活躍的前沿科學(xué)領(lǐng)域里取得一系列令世界矚目的成績，奠定了我國在這一領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

迄今為止，我國已建立了10多條納米材料生產(chǎn)線，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)用開發(fā)正在我國蓬勃興起。

但與世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家對納米科技研發(fā)的巨額投入相比，我國研發(fā)投入嚴(yán)重不足，資金的匱乏使得科學(xué)家在研究過程中深感吃力。例如，北京大學(xué)教授劉忠范主持的“超高密度信息存儲(chǔ)材料的研究”課題得到專家的高度評價(jià)，然由于研究經(jīng)費(fèi)所限，在進(jìn)行將近5年研究取得了“可喜成績”之后，課題組成員不得不轉(zhuǎn)入其他課題。以微電子器件為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化電器進(jìn)入社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，我國當(dāng)時(shí)沒有跟進(jìn)，自從微電子核心技術(shù)受制于人，至今仍為制約我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，而在納米電器件上，我國完全有實(shí)力爭奪納米材料的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，如何保持乃至發(fā)揚(yáng)現(xiàn)有優(yōu)勢，保證我國在納米技術(shù)上不再落伍，將是今后很長一個(gè)時(shí)期我們必須面對的重點(diǎn)課題。