【封面故事】纳米新世界

《小康》 ● 中国小康网 2024-01-04 17:21:16

文｜《小康》·中国小康网记者刘彦华

　　纳米科技是多学科交叉融合的智慧结晶，也是未来变革性技术的源泉，经过数十年发展，已成为国际上竞相争夺的战略制高点。

图片/米粒

　　作为当今世界上最负盛名的科学奖之一，诺贝尔奖代表了人类科学领域的最高荣誉，获奖的成果也基本上代表了人类科学研究的最新成就和最高水平。2023年10月，最新一届诺贝尔奖评选结果公布，其中，生理学或医学奖和化学奖两大奖项皆与纳米科技相关，引发高度关注。

　　据悉，诺贝尔生理学或医学奖被授予卡塔琳·考里科和德鲁·韦斯曼，以表彰他们在信使核糖核酸（mRNA）研究上的突破性发现，这些发现使针对新冠感染的有效mRNA疫苗成为可能。而mRNA疫苗的核心技术之一正是脂质体纳米载体；诺贝尔化学奖被授予蒙吉·巴文迪、路易斯·布鲁斯和阿列克谢·叶基莫夫，以表彰他们“发现和合成了量子点，为纳米技术埋下了重要种子”。

　　纳米科技，是多学科交叉融合的智慧结晶，也是未来变革性技术的源泉，经过数十年发展，已成为国际上竞相争夺的战略制高点。

　　神奇的微观世界

　　爱因斯坦曾经说：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”

　　纳米科技，就是人们打开神奇微观世界的一把钥匙。所谓纳米科技，是指在纳米尺度（1~l00纳米之间）上研究物质（包括原子、分子）的特性（主要是量子特性）和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当物质小到1~100纳米时，其量子效应、物质的局域性、巨大的表面及界面效应会使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体也不同于单个孤立原子的奇异现象。因此，纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及其他物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。

　　最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼。1959年,他在著名的演讲《微观世界有无垠的空间》中提出：如果人类能够在原子、分子的尺度上来加工材料、制备装置，那么将有许多激动人心的新发现。他还强调，人们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。

　　理查德·费曼的科学思想起初并未被接受，然而科技的迅猛发展很快证明了他是正确的。继理查德·费曼之后，许多科学家又尽情发挥想象力，从不同角度继续编织着纳米技术的神奇梦想。1974年，科学家谷口纪男最早使用纳米技术（nanotechnology）一词描述了精细机械加工；1980年代初，宾尼希和罗雷尔等人发明了理查德·费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜（STM）；1986年，原子力显微镜问世；1990年第一届国际纳米科学技术会议召开，标志着纳米科技正式诞生。

　　纳米科技对世界各国产生了深远影响，在短短的几十年里，大量原创性的成果不断涌现，多项重大突破性技术获得诺贝尔奖，材料、能源、微电子、生物技术等众多产业领域发生了深刻变革，产业规模迅速壮大。

　　神奇的纳米科技为人类生活增姿添彩。在医学领域，纳米级粒子可以使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应；使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA（脱氧核糖核酸）诊断出各种疾病。在电子领域，可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片都已投入生产，可以预见，未来以纳米技术为核心的计算机处理信息的速度将更快，效率将更高。在环境科学领域，可以凭借功能独特的纳米膜探测由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。在农业遗传育种领域，可以通过纳米技术先将DM染色体全部分解为单个基因，然后根据需要进行组装，转基因整合成功率几乎可达100%。

　　《中国纳米科学2035发展战略》中直言，“未来10~15年，纳米科技将深度应用于信息、能源、环保、生物医学、制造、国防等领域，形成基于纳米技术的新兴产业。”

　　纳米科技革命已经到来，科学界对此已形成共识。

　　不断崛起的中国纳米

　　纳米科技已经成为推动科学发展的重要引擎，为此，全球主要国家和经济体相继布局，纷纷将纳米科技作为未来科技、工业和经济领域竞争的制高点。美国于21世纪初启动国家纳米技术计划（NNI)；欧盟在框架计划FP6、FP7和地平线计划中一直部署纳米基础研究；日本在第二至第五期科学技术基本计划中，连续将纳米科学确定为优先领域。

　　我国同样高度重视纳米科技，而且较早布局。

　　1987年，中国科学院化学研究所成立纳米科技研究实验室，并于1988年研制成功中国第一台扫描隧道显微镜，随后研制出原子力显微镜、激光检测原子力显微镜、低温扫描隧道显微镜等，为我国纳米科技发展提供了技术支撑。

　　1990年，自然科学基金委和中国科学院联合召开首届扫描隧道显微学学术会议，为早期纳米科学研究者提供了交流平台。

　　2001年，科技部联合国家多部委发布了《国家纳米科技发展纲要》，成立了国家纳米科学技术指导协调委员会，提出加强基础研究、攻克关键技术及培养骨干人才等任务目标。各部委分别通过国家的“973计划”“863计划”等对纳米新材料和新技术的研发进行了支持。

　　2003年，中国科学院和教育部共同成立国家纳米科学中心。经过20年的发展，国家纳米科学中心科研工作取得了一系列重要进展，科技竞争力显著提高。

　　2005年，国家标准委员会正式发文批准成立全国纳米技术标准化技术委员会。自成立以来，该委员会立足我国纳米科技的产业优势，深入企业开展标准化的提升与行动，打造基础科研到全产业链的标准化桥梁。

　　2013年，中国科学院启动纳米先导专项，助推协同创新，支持科学家将实验室小试技术推向中试，吸引更多的社会资本投入到纳米成果的转化之中。资料显示，2013—2018年，该专项便与70多家企业开展了合作，在长续航动力锂电池、纳米绿色印刷、纳米催化、健康诊疗及饮用水处理等产业领域形成了一系列纳米核心技术创新，吸引和带动社会资本投入超过50亿元，取得了显著的经济社会效益。

　　2022年，经国务院学位委员会正式批准，纳米科学与工程被列入交叉学科门类下新的一级学科。此举成为我国纳米科技领域人才培养的一个重要里程碑。

　　从无到有，从弱到强，从跟跑到领跑，经过数十年的不懈努力，我国纳米科技总体水平已进入世界第一梯队，获得了丰硕成果。数据最有说服力。据白春礼近日参加公开活动时介绍，在研究机构方面，2019年，全球纳米科学研究产出的前20名机构中我国占有11席；纳米领域产学研合作方面，世界前20名机构中我国占有6席；在纳米催化、纳米安全等领域，我国也已走在世界前列，纳米科技的专利申请和授权均位居世界前列。另外，自2008年以来，我国发表的国际纳米科技论文总量居世界第一；过去20年，申请的纳米专利总量占全球总量的45%；2000年至2020年，纳米科技共获得国家自然科学奖146项，占比20%，其中包括4项一等奖。

　　与此同时，我国纳米产业也在迅速发展，形成了苏州工业园区、广州纳米谷等代表性的纳米产业集聚区。数据显示，2022年，仅苏州便聚集了纳米产业相关企业1128家，产值规模达1460亿元。

　　让“科研之花”结出“产业硕果”

　　纳米科技不仅带来了量子加密材料、行星探测传感器、柔性电子材料、新型半导体加工技术和可穿戴人工肾脏等颠覆性技术创新，新冠疫情以来，新型纳米材料和技术还在防护口罩、防护服、检测试剂等研发中实现了重要应用。可以说，不论是推动产业发展，还是改变人们生活，纳米科技都表现出巨大的潜力。

　　然而，挑战与机遇并存。

　　“‘十四五’期间，我国纳米科技发展的指导思想是‘三突出三重视’，即突出前瞻性、战略性大方向，超前布局，突出重大前沿技术研究；突出关键新材料、新原理、新技术研究；突出采用核心纳米技术集中解决重大挑战和瓶颈技术问题。重视由纳米单一技术向全链条技术综合创新研究；重视纳米科技转化，推进基础研究—应用研究—技术转移的交叉融合创新研究；重视基础研究和应用前沿的衔接。”白春礼强调，经过多年来在纳米科技方面的投入和发展，我国已崛起为纳米科学大国。但同时也需清醒认识到，虽然现在论文发表多，质量也比较高，但纳米科技领域由跟踪、并行向领跑的过程中，我们领跑的工作还不够。

　　对此，白春礼建议，第一，加强基础研究，弄清楚纳米科学中的基础理论问题，提出原创性的新理论、新方法。第二，加强学科间的交叉合作，互相促进融合发展。第三，重视纳米毒理学的研究，把它纳入到上游研究和决策当中，实现纳米科技的可持续发展。第四，加强人才培养，推动我国纳米科技人才更多走向国际舞台。第五，加强成果转化，助力未来新兴产业的高质量发展。

　　“到2020年，我国纳米科技累计申请专利已超过30万件，论文发表数量和质量也排在全球第一，这些研究成果却很少被应用。” 中国科学院院士、国家纳米科学中心研究员赵宇亮同样在关注纳米科技成果转化的问题。他强调，在纳米科学研究领域，科研成果落地应用仍是我们的一个短板。

　　主要堵点在哪里？据赵宇亮分析，问题主要在于，目前国内科技创新链并不是很完整。“科技创新链通常分为9级，1至3级是基础科学研究，4至6级是成果转移转化，7至9级是企业研发的产品和商品。1至3级是科研人员的事情，7至9级是企业界的事情，而4至6级很少有人在做。推动研究成果的应用，需要在‘论文’和‘产品’之间建立‘桥梁’，这就是创新链4至6级的研发平台。”

　　如何加强纳米科研成果的应用被认为是我国纳米科学发展所面临的最大挑战之一。目前，产业部门在一定程度上参与进来，许多纳米科研人员也在频繁与企业开展合作，也有越来越多的企业愿意与大学或研究机构的科学家合作，为他们提供科研资金并一起研发新的技术或产品，甚至有些企业还大力投资研发，建立了自己的研究部门。然而，这还不够。以产业需求和市场需求为导向,探索产学研用协同创新新机制，是破解困局的应有之义。

　　TIPS：纳米科技优先发展十大领域

　　1. 新材料领域。经过几十年的长足发展，我国在纳米新材料领域已形成一系列有典型代表性的材料体系，如石墨炔新型碳材料、单原子催化剂、无机二维材料、稀土功能材料、限域催化材料等。制备决定未来，纳米新材料的发现必须依靠纳米尺度结构的精准设计与可控合成。随着合成化学、纳米测量技术的快速发展，纳米新材料的精准设计与合成及其性能探索已成为当今新材料研究领域的重中之重。

　　2. 跨尺度领域。纳米科学技术的发展始于尺寸效应的研究。近年来，随着亚纳米尺度材料等新兴方向和冷冻电镜等技术的发展，已具备了开展跨尺度研究的条件。我国科学家在纳米团簇控制合成及表征、亚纳米尺度材料概念及合成方法等方向拥有良好的研究基础。

　　3. 自组装与仿生领域。我国在纳米结构单元的可控合成、自限制组装和图案化设计等方面的研究成为优势方向。未来有望实现大规模自组装体的制备，并在微纳电子器件、能源和生命科学等广阔领域获得应用。此外，在仿生材料构筑方面，我国的产出规模在世界上占有领导地位，但实现仿生材料的可控构筑并获得宏观尺度的材料性能仍然面临很大挑战。

　　4. 纳米催化领域。我国的纳米催化研究基本与国际同步，在单原子催化、限域催化、一碳化学品转化等领域居于领先水平，在催化剂产业方面则比较落后。

　　5. 表界面研究。我国的纳米材料表界面研究有很好的积累，在超浸润纳米界面、高指数晶面纳米晶体、界面限域催化、表面增强光谱技术、纳米表面配位化学等方面取得国际公认的研究成果，正在国际上形成重要特色。

　　6. 纳米器件与传感领域。纳米器件方面，我国面临着巨大的挑战。我国集成光电子器件及芯片进口额巨大，是我国第一大进口商品。我国在基础单元器件方面积累了一定的经验与技术，但是，综合技术十分薄弱。传感技术方面，纳米传感器集超高灵敏度、小型化、集成化和可视性等优异性能于一体而备受重视。近年来，我国在公共安全、环境监测、生物安全、工矿企业安全等方面的传感检测需求快速增长。

　　7. 极限测量领域。纳米极限测量研究在纳米科学领域还没有发挥应有的作用。我国对先进透射电子显微术的研究和应用十分重视，在仪器规模、技术研发、物质结构研究及人才培养等方面取得了令人瞩目的成就，有力地推动了我国纳米科学的发展，但是在高端电镜研发、基础理论研究、新表征技术的探索和应用方面仍与发达国家有相当的差距。

　　8. 纳米理论研究。近年来，我国在纳米理论方面发展迅速，发展了一些在国际上有影响力的理论与计算方法，如非绝热动力学方法、线性标度的基态电子结构计算方法等；揭示了纳米结构催化机理，提出了一些纳米电子学、光电与光催化材料新概念。

　　9. 纳米生物医学。近年来，纳米技术在医药领域的应用越来越广泛，相关纳米生物技术的研究突飞猛进，取得了大量突破性进展。药物输送和疾病的精准治疗是近年来纳米生物医学研究中的核心内容和主要应用，表现出强劲的发展势头。

　　10. 纳米能源。我国在硅基光伏面板、LED 照明与显示、锂离子电池等方面，具有庞大的市场和完善的产业链，产业规模均居于世界前列，有着重要的国际地位，但同时也存在原创技术少，高端制造所需的材料、电子元件与设备“卡脖子”等问题。

　　（注：资料来源为《中国纳米科学2035发展战略》）

　　TIPS：十大前沿纳米科技难题

　　1. 是否可以构建涵盖量子和宏观物理特性的纳米理论，进而能可靠地预测材料在纳米尺度的特性？

　　2. 纳米材料的安全性与哪些特性有关？在不同的环境中如何实现对其安全性的有效调节？

　　3. 纳米科学如何助力生物学发展？

　　4. 纳米技术将为医疗技术带来怎样的变革？

　　5. 如何借助可视化技术研究纳米材料的表面和界面？

　　6. 纳米技术如何影响不同类型催化剂的制备？

　　7. 如何实现原子精度制造的大尺寸化？