納米新世界

劉彥華

納米科技是多學科交叉融合的智慧結晶，也是未來變革性技術的源泉，經過數十年發展，已成為國際上競相爭奪的戰略制高點。

作為當今世界上最負盛名的科學獎之一，諾貝爾獎代表了人類科學領域的最高榮譽，獲獎的成果也基本上代表了人類科學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果公布，其中，生理學或醫學獎和化學獎兩大獎項皆與納米科技相關，引發高度關注。

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

納米科技，是多學科交叉融合的智慧結晶，也是未來變革性技術的源泉，經過數十年發展，已成為國際上競相爭奪的戰略制高點。

神奇的微觀世界

愛因斯坦曾經說：“未來科學的發展無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍。”

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（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科交叉的科學和技術。當物質小到1～100納米時，其量子效應、物質的局域性、巨大的表面及界面效應會使物質的很多性能發生質變，呈現出許多既不同于宏觀物體也不同于單個孤立原子的奇異現象。因此，納米科技的最終目標是直接以原子、分子及其他物質在納米尺度上表現出來的新穎的物理、化學和生物學特性制造出具有特定功能的產品。

最早提出納米尺度上科學和技術問題的是著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼。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現。他還強調，人們需要新型的微型化儀器來操縱納米結構并測定其性質。

理查德·費曼的科學思想起初并未被接受，然而科技的迅猛發展很快證明了他是正確的。繼理查德·費曼之后，許多科學家又盡情發揮想象力，從不同角度繼續編織著納米技術的神奇夢想。1974年，科學家谷口紀男最早使用納米技術（nanotechnology）一詞描述了精細機械加工；1980年代初，賓尼希和羅雷爾等人發明了理查德·費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技術會議召開，標志著納米科技正式誕生。

納米科技對世界各國產生了深遠影響，在短短的幾十年里，大量原創性的成果不斷涌現，多項重大突破性技術獲得諾貝爾獎，材料、能源、微電子、生物技術等眾多產業領域發生了深刻變革，產業規模迅速壯大。

神奇的納米科技為人類生活增姿添彩。在醫學領域，納米級粒子可以使藥物在人體內的傳輸更為方便，用數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；在人工器官外面涂上納米粒子可預防移植后的排異反應；使用納米技術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和DNA（脫氧核糖核酸）診斷出各種疾病。在電子領域，可以從閱讀硬盤上讀取信息的納米級磁讀卡機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，可以預見，未來以納米技術為核心的計算機處理信息的速度將更快，效率將更高。在環境科學領域，可以憑借功能獨特的納米膜探測由化學和生物制劑造成的污染，并能夠對這些制劑進行過濾，從而消除污染。在農業遺傳育種領域，可以通過納米技術先將DM染色體全部分解為單個基因，然后根據需要進行組裝，轉基因整合成功率幾乎可達100%。

《中國納米科學2035發展戰略》中直言，“未來10～15年，納米科技將深度應用于信息、能源、環保、生物醫學、制造、國防等領域，形成基于納米技術的新興產業。”

納米科技革命已經到來，科學界對此已形成共識。

不斷崛起的中國納米

納米科技已經成為推動科學發展的重要引擎，為此，全球主要國家和經濟體相繼布局，紛紛將納米科技作為未來科技、工業和經濟領域競爭的制高點。美國于21世紀初啟動國家納米技術計劃（NNI）；歐盟在框架計劃FP6、FP7和地平線計劃中一直部署納米基礎研究；日本在第二至第五期科學技術基本計劃中，連續將納米科學確定為優先領域。

我國同樣高度重視納米科技，而且較早布局。

1987年，中國科學院化學研究所成立納米科技研究實驗室，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，為我國納米科技發展提供了技術支撐。

1990年，自然科學基金委和中國科學院聯合召開首屆掃描隧道顯微學學術會議，為早期納米科學研究者提供了交流平臺。

2001年，科技部聯合國家多部委發布了《國家納米科技發展綱要》，成立了國家納米科學技術指導協調委員會，提出加強基礎研究、攻克關鍵技術及培養骨干人才等任務目標。各部委分別通過國家的“973計劃”“863計劃”等對納米新材料和新技術的研發進行了支持。

2003年，中國科學院和教育部共同成立國家納米科學中心。經過20年的發展，國家納米科學中心科研工作取得了一系列重要進展，科技競爭力顯著提高。

2005年，國家標準委員會正式發文批準成立全國納米技術標準化技術委員會。自成立以來，該委員會立足我國納米科技的產業優勢，深入企業開展標準化的提升與行動，打造基礎科研到全產業鏈的標準化橋梁。

2013年，中國科學院啟動納米先導專項，助推協同創新，支持科學家將實驗室小試技術推向中試，吸引更多的社會資本投入到納米成果的轉化之中。資料顯示，2013—2018年，該專項便與70多家企業開展了合作，在長續航動力鋰電池、納米綠色印刷、納米催化、健康診療及飲用水處理等產業領域形成了一系列納米核心技術創新，吸引和帶動社會資本投入超過50億元，取得了顯著的經濟社會效益。

2022年，經國務院學位委員會正式批準，納米科學與工程被列入交叉學科門類下新的一級學科。此舉成為我國納米科技領域人才培養的一個重要里程碑。

從無到有，從弱到強，從跟跑到領跑，經過數十年的不懈努力，我國納米科技總體水平已進入世界第一梯隊，獲得了豐碩成果。數據最有說服力。據白春禮近日參加公開活動時介紹，在研究機構方面，2019年，全球納米科學研究產出的前20名機構中我國占有11席；納米領域產學研合作方面，世界前20名機構中我國占有6席；在納米催化、納米安全等領域，我國也已走在世界前列，納米科技的專利申請和授權均位居世界前列。另外，自2008年以來，我國發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獎146項，占比20%，其中包括4項一等獎。

與此同時，我國納米產業也在迅速發展，形成了蘇州工業園區、廣州納米谷等代表性的納米產業集聚區。數據顯示，2022年，僅蘇州便聚集了納米產業相關企業1128家，產值規模達1460億元。

讓“科研之花”結出“產業碩果”

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、新型半導體加工技術和可穿戴人工腎臟等顛覆性技術創新，新冠疫情以來，新型納米材料和技術還在防護口罩、防護服、檢測試劑等研發中實現了重要應用。可以說，不論是推動產業發展，還是改變人們生活，納米科技都表現出巨大的潛力。

然而，挑戰與機遇并存。

“‘十四五’期間，我國納米科技發展的指導思想是‘三突出三重視’，即突出前瞻性、戰略性大方向，超前布局，突出重大前沿技術研究；突出關鍵新材料、新原理、新技術研究；突出采用核心納米技術集中解決重大挑戰和瓶頸技術問題。重視由納米單一技術向全鏈條技術綜合創新研究；重視納米科技轉化，推進基礎研究—應用研究—技術轉移的交叉融合創新研究；重視基礎研究和應用前沿的銜接。”白春禮強調，經過多年來在納米科技方面的投入和發展，我國已崛起為納米科學大國。但同時也需清醒認識到，雖然現在論文發表多，質量也比較高，但納米科技領域由跟蹤、并行向領跑的過程中，我們領跑的工作還不夠。

對此，白春禮建議，第一，加強基礎研究，弄清楚納米科學中的基礎理論問題，提出原創性的新理論、新方法。第二，加強學科間的交叉合作，互相促進融合發展。第三，重視納米毒理學的研究，把它納入到上游研究和決策當中，實現納米科技的可持續發展。第四，加強人才培養，推動我國納米科技人才更多走向國際舞臺。第五，加強成果轉化，助力未來新興產業的高質量發展。

“到2020年，我國納米科技累計申請專利已超過30萬件，論文發表數量和質量也排在全球第一，這些研究成果卻很少被應用。”?中國科學院院士、國家納米科學中心研究員趙宇亮同樣在關注納米科技成果轉化的問題。他強調，在納米科學研究領域，科研成果落地應用仍是我們的一個短板。

主要堵點在哪里？據趙宇亮分析，問題主要在于，目前國內科技創新鏈并不是很完整。“科技創新鏈通常分為9級，1至3級是基礎科學研究，4至6級是成果轉移轉化，7至9級是企業研發的產品和商品。1至3級是科研人員的事情，7至9級是企業界的事情，而4至6級很少有人在做。推動研究成果的應用，需要在‘論文’和‘產品’之間建立‘橋梁’，這就是創新鏈4至6級的研發平臺。”

如何加強納米科研成果的應用被認為是我國納米科學發展所面臨的最大挑戰之一。目前，產業部門在一定程度上參與進來，許多納米科研人員也在頻繁與企業開展合作，也有越來越多的企業愿意與大學或研究機構的科學家合作，為他們提供科研資金并一起研發新的技術或產品，甚至有些企業還大力投資研發，建立了自己的研究部門。然而，這還不夠。以產業需求和市場需求為導向，探索產學研用協同創新新機制，是破解困局的應有之義。

（鏈接）

納米科技優先發展十大領域

1.?新材料領域。經過幾十年的長足發展，我國在納米新材料領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，納米新材料的發現必須依靠納米尺度結構的精準設計與可控合成。隨著合成化學、納米測量技術的快速發展，納米新材料的精準設計與合成及其性能探索已成為當今新材料研究領域的重中之重。

2.?跨尺度領域。納米科學技術的發展始于尺寸效應的研究。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的發展，已具備了開展跨尺度研究的條件。我國科學家在納米團簇控制合成及表征、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。

3.?自組裝與仿生領域。我國在納米結構單元的可控合成、自限制組裝和圖案化設計等方面的研究成為優勢方向。未來有望實現大規模自組裝體的制備，并在微納電子器件、能源和生命科學等廣闊領域獲得應用。此外，在仿生材料構筑方面，我國的產出規模在世界上占有領導地位，但實現仿生材料的可控構筑并獲得宏觀尺度的材料性能仍然面臨很大挑戰。

4.?納米催化領域。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、一碳化學品轉化等領域居于領先水平，在催化劑產業方面則比較落后。

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、高指數晶面納米晶體、界面限域催化、表面增強光譜技術、納米表面配位化學等方面取得國際公認的研究成果，正在國際上形成重要特色。

6.?納米器件與傳感領域。納米器件方面，我國面臨著巨大的挑戰。我國集成光電子器件及芯片進口額巨大，是我國第一大進口商品。我國在基礎單元器件方面積累了一定的經驗與技術，但是，綜合技術十分薄弱。傳感技術方面，納米傳感器集超高靈敏度、小型化、集成化和可視性等優異性能于一體而備受重視。近年來，我國在公共安全、環境監測、生物安全、工礦企業安全等方面的傳感檢測需求快速增長。

7.?極限測量領域。納米極限測量研究在納米科學領域還沒有發揮應有的作用。我國對先進透射電子顯微術的研究和應用十分重視，在儀器規模、技術研發、物質結構研究及人才培養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的發展，但是在高端電鏡研發、基礎理論研究、新表征技術的探索和應用方面仍與發達國家有相當的差距。

8.?納米理論研究。近年來，我國在納米理論方面發展迅速，發展了一些在國際上有影響力的理論與計算方法，如非絕熱動力學方法、線性標度的基態電子結構計算方法等；揭示了納米結構催化機理，提出了一些納米電子學、光電與光催化材料新概念。

9.?納米生物醫學。近年來，納米技術在醫藥領域的應用越來越廣泛，相關納米生物技術的研究突飛猛進，取得了大量突破性進展。藥物輸送和疾病的精準治療是近年來納米生物醫學研究中的核心內容和主要應用，表現出強勁的發展勢頭。

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業鏈，產業規模均居于世界前列，有著重要的國際地位，但同時也存在原創技術少，高端制造所需的材料、電子元件與設備“卡脖子”等問題。

（注：資料來源為《中國納米科學2035發展戰略》）

十大前沿納米科技難題

1.?是否可以構建涵蓋量子和宏觀物理特性的納米理論，進而能可靠地預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？在不同的環境中如何實現對其安全性的有效調節？

3.?納米科學如何助力生物學發展？

4.?納米技術將為醫療技術帶來怎樣的變革？

5.?如何借助可視化技術研究納米材料的表面和界面？

6.?納米技術如何影響不同類型催化劑的制備？

7.?如何實現原子精度制造的大尺寸化？

8.?納米技術將如何提升算力進而助推光電器件的發展？

9.?納米技術會對電子行業發展產生哪些影響，未來電子器件的能耗極限在哪里？

10.?納米技術如何助力全球可持續發展？

（注：資料來源為國家納米科學中心）