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。

作為當(dāng)今世界上最負盛名的科學(xué)獎之一，諾貝爾獎代表了人類科學(xué)領(lǐng)域的最高榮譽，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，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。

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，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）一詞描述了精細機械加工；1980年代初，賓尼希和羅雷爾等人發(fā)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(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(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)為核心的計算機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基因，然后根據(jù)需要進行組裝，轉(zhuǎn)基因整合成功率幾乎可達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)?！?/p>

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)濟領(lǐng)域競爭的制高點。美國于21世紀(jì)初啟動國家納米技術(shù)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(chǔ)研究；日本在第二至第五期科學(xué)技術(shù)基本計劃中，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(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計劃”“863計劃”等對納米新材料和新技術(shù)的研發(fā)進行了支持。

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，助推協(xié)同創(chuàng)新，支持科學(xué)家將實驗室小試技術(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)的一個重要里程碑。

從無到有，從弱到強，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入世界第一梯隊，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介紹，在研究機構(gòu)方面，2019年，全球納米科學(xué)研究產(chǎn)出的前20名機構(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，占比20%，其中包括4項一等獎。

與此同時，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)還在防護口罩、防護服、檢測試劑等研發(fā)中實現(xiàn)了重要應(yīng)用?？梢哉f，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?！卑状憾Y強調(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。但同時也需清醒認識到，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，加強學(xué)科間的交叉合作，互相促進融合發(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，實現(xiàn)納米科技的可持續(xù)發(fā)展。第四，加強人才培養(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)用仍是我們的一個短板。

主要堵點在哪里？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。”

如何加強納米科研成果的應(yīng)用被認為是我國納米科學(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)計等方面的研究成為優(yōu)勢方向。未來有望實現(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、表面增強光譜技術(shù)、納米表面配位化學(xué)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(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口額巨大，是我國第一大進口商品。我國在基礎(chǔ)單元器件方面積累了一定的經(jīng)驗與技術(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)計算方法等；揭示了納米結(jié)構(gòu)催化機理，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，取得了大量突破性進展。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）