我国纳米科学与技术发展研究.docVIP

我国纳米科学与技术发展研究一、纳米科技的基本认识纳米是物理学中一个长度计量单位，即纳米是1米的10亿分之一。纳米科技是在现代物理学和新兴的高新工程技术相互融合的基础上逐步兴起的新兴学科，与生物技术、信息技术并称为引领21世纪的三大高新技术。它主要是运用先进技术在纳米尺度(1nm到100nm之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用（主要是量子特性），其最终目的是能够按照人类自己的意愿直接操纵单个原子、分子，设计和制造具有特定功能的产品，以实现生产方式的重大变革。纳米科学与技术主要包括物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科以及纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征等三个重点研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。扫描隧道显微镜(STM)在纳米科技中占有重要的地位，并贯穿于纳米科技各大分支领域中，其分析和加工手段占纳米科技工作一半以上。由于纳米科学技术将在材料科学、机械制造、微电子学、计算机技术、生物技术、医学与健康、环境与能源、高分子化学、航空航天以及国家安全等领域有着广阔的应用前景，必将引发一场新的工业技术变革。与此同时，纳米科技还将推动产品的微型化、高性能化和环境友好化，极大地节约资源和能源，减少人类对资源的过分依赖，并促进生态环境的改善，将在新的层次为人类可持续发展提供物质和技术保证。世界范围内围绕纳米技术的世界性激烈竞争已经悄然开始。二、纳米科技发展现状（一）国外纳米科技产业化发展现状20世纪末开始，纳米技术作为一种新技术逐渐成为世界关注热点。很多国家把纳米科技看成是最有可能取得突破的科学和工程领域。全世界大约有35个国家已经加入了“纳米”创新竞赛中。每年用于纳米科学和纳米技术的公共或私人研究项目预算能达到90亿美元。目前每年全球市场对纳米技术产品的需求已经达到几千亿美元，到2015年，纳米技术商品和服务据测甚至有可能高达1万亿美元。2000年美国正式发布了“国家纳米技术计划”(NNI)，将纳米技术列入21世纪前10年关键领域之一，确保美国在这一新兴领域拥有主导地位。目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础理论等多方面处于世界领先地位。日本是开展纳米技术基础和应用研究最早的国家。早在1981年，日本科学技术厅推出了“先进技术的探索研究计划”(ERATO)。同时日本通产省先后实施了数个有关纳米技术的大型10年研究计划。日本80家大企业中，有大约40的企业设置了专门的纳米科研机构。20世纪90年代以来，欧盟制定了科技研发第4框架计划和第5框架计划。同时在“尤里卡计划”中就将纳米技术研究纳入其中。目前，欧洲在纳米微电子、纳米器件、纳米生物科技、纳米粒子以及纳米涂层和新仪器等应用方面取得了巨大成就。（二）我国纳米科技产业化发展现状我国是世界上少数几个从上世纪90年代就开始重视纳米材料研究的国家之一，在纳米材料及其应用、隧道显微镜分析和单原子操纵等方面和国际水平相接近，在某些领域内达到了世界先进水平。在过去的十年里，我国政府加强对纳米科技的支持，基础研究和应用研究方面的国家投入每年上升100。从90年代开始，我国就“纳米科技的发展与对策”、“纳米材料学”、“扫描探针显微学”、“微米纳米技术”等方面，召开了数十个全国性的会议。我国科学院还在北京主持承办了第7届国际扫描隧道显微学会议(STM93)和第4届国际纳米科技会议(NanoIV)。我国的有关科技管理部门对纳米科技的重要性已有较高的认识，并给予了一定的支持。中国科学院(CAS)和国家自然科学基金委员会(NSFC)从80年代中期即开始支持扫描探针显微镜(SPM)的研制及其在纳米尺度上的科学问题研究)。国家科委(SSTC)通过“攀登计划”项目，连续10年支持纳米材料专项研究。1999年，科技部又启动了国家重点基础研究发展规划项目(“973”计划)-“纳米材料与纳米结构”，继续支持纳米碳管等纳米材料的基础研究。国家“863”高技术计划，亦设立一些纳米材料的应用研究项目。目前，国内有50多所高校、20多个中科院研究所开展了纳米科技领域的研究工作。现有与纳米科技相关的企业已达300余家。国家科研机构和高等院校从事纳米科技的研究开发人员大约有5000人。整体上国内的纳米科技研究涉及领域比较宽、点多分散，尚未形成集中的优势。国内已有中国科学院、清华大学、北京大学、复旦大学、南京大学、华东理工大学等单位成立了与纳米科技有关的研究开发中心。其中，中科院、北京大学、清华大学、复旦大学等研究单位占有优势。我国的纳米科技研究与国外几乎同时起步，在某些方面较有优势。从近期美国科学引文索引核心期刊查询，中国纳米科技论文总数位居世界前列。例如，有关纳米碳管方面的学术论文排在美、日之后位居世界第三。在过去的十年间，国家通过研究计划对纳米科技领域资助的总经费大约相当于700万美元，社会资金对纳米材料产业化亦有一定投入。但与发达国家相比，投入经费相差很大。由于条件所限，研究工作只能集中在硬件条件要求不太高的领域。尽管这样，我国的纳米科技研究近些年取得了重大进展，在以下方面具有自己的优势：1、纳米材料我国对纳米材料的研究一直给予高度重视，取得了很多成果，尤其是在以碳纳米管为代表的准一维纳米材料及其阵列方面、非水热合成制备纳米材料方面在取得突破；在纳米块体金属合金和纳米陶瓷体材料制备和力学性能的研究、介孔组装体系、纳米复合功能材料、二元协同纳米界面材料的设计与研究等方面都取得了重要进展。2、纳米器件在量子电子器件的研究方面，我国科学家研究了室温单电子隧穿效应，单原子单电子隧道结，超高真空STM室温库仑阻塞效应和高性能光电探测器以及原子夹层型超微量子器件。清华大学研制出100纳米(0.1um)级MOS、硅微集成传感器、硅微麦克风、硅微马达、集成微型泵等器件，以及基于微纳米三维加工的新技术与新方法的微系统。中国科学院半导体所研制了量子阱红外探测器(13-15um)和半导体量子点激光器。中科院物理所研制出可在室温下工作的单电子原型器件。西安交通大学制作了碳纳米管场致发射显示器样机，可连续工作3800小时。3、纳米结构的检测与表征中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室在90年代开始运用STM进行纳米级乃至原子级表面加工，在晶体表面先后刻写出“CAS”、“中国”和“中国地图”等文字和图案。中国科学院化学所先后研制了STM、AFM、BEEM、LT-STM、UHV-STM、SNOM等纳米区域表征的仪器设备，具有知识产权。开发了表面纳米加工技术，为纳米科技的研究起到了先导和促进作用。最近化学所在单分子科学与技术及有机分子有序组装方面有了很大的进展，并开始对分子器件进行探索性研究。中国科技大学进行了硅表面C60单分子状态检测，为分子器件的研制提供了一些基本数据。综上所述，我国的纳米科技工作取得了一定的成绩，尤其是在以碳纳米管为代表的纳米材料的研究方面，已经步入世界先进行列。但纳米科技的很多领域研究工作才刚刚起步，受条件所限，研究力量比较薄弱，还应建立国家公用技术平台，提高纳米加工能力，并加强协调，组织力量进行多学科攻关。在纳米科技的研究工作中，应加强原创性工作，应用性研究、工程化研究应加大投入力度，使纳米科技尽快产业化，成为国民经济新的经济增长点。三、纳米科技前景展望纳米科技产业化对未来人类经济社会发展将有着重大的影响，其前景展望主要表现以下七个相关领域：（一）纳米材料和制备在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成份来合成材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料，生物材料和仿生材料，实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。（二）微电子和计算机技术纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器(提高1000倍)；研究集成纳米传感器系统，使计算能力得到提高，人们可以从理论上对纳米结构材料的性质和设计进行模拟。（三）环境和能源在环境领域，它可以去除水和空气中极小颗粒的污染物质(分别为200nm及20nm)。孔径l nm的纳孔材料可作为催化剂的载体；在能源领域，利用纳米合成和组装方法，可开发出更加节能的照明技术；制造出强度更大的轻质材料，以提高运输率，节省能耗；使用低耗能的化学过程来破坏有毒物质，从而保护环境；利用纳米技术还可大大降低太阳能电池的制造成本。（四）医学和健康纳米技术将给医学界带来变革，纳米级粒子将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斥反应；研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。（五）生物技术在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等，在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其它功能，生物仿生化学药品和生物可降解材料；动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。（六）航天和航空纳米器件在航天领域的应用，不仅增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。其研究内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高性能计算机，微型航天器用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备，抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料（七）国家安全由于纳米技术对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应；通过纳米机械学，微小机器人的应用，将提高部队的灵活性和增强战斗的有效性；用纳米和微米机械设备控制，国家核心防卫系统的性能将大幅度提高；通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀性、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。四、我国纳米科技发展存在的问题（一）投资严重不足，且分布不平衡我国纳米技术的基础研发起步较早，与国外比基本上保持同步，国家财政给予大力扶持，但与美日欧等发达国家和地区相比相差甚远。由于我国纳米技术投资不足，以致我国产业部门的研究院所除个别单位，很少涉足纳米技术，更谈不上纳米技术工程化研发方面的投资。同时也导致了底层（企业）热于上层（科研院所及高校），上层热于中层（产业化工程研究）即：上下两头热，中间层次冷的局面。（二）研发设施薄弱，应用开发不足我国纳米技术基础研究和发达国家相比，在某些方面还处于领先地位，但大部分领域还存在差距。主要表现在以下三个方面：一是在纳米材料研究方面，基础设施相对薄弱，纳米材料的设计等创新能力不强，自主知识产权不多。纳米科学的工程化研究和纳米材料的应用研究力量相对薄弱；二是在纳米器件和纳米结构研究方面，主要集中在条件比较好的中科院系统的一些研究所和少数几个大学，而且大部分研究工作还停留在纳米器件用材料的制备和选择及其新物理现象的研究等前期探索阶段上。在纳米器件结构研究等基础工作方面力量相当薄弱，纳米器件的创新能力不强。纳米材料的应用开发研究瓶颈还一时难于突破；三是在纳米技术研究的基本仪器设备及检测表征工具方面，遇到我国精密仪器制造业落后的致命伤，其产业化步履艰难。（三）技术人才紧缺，研究层次较低我国在纳米技术总体投资不足的情况下，隐藏着纳米技术工程化、系统化方面的人才奇缺和课题项目的匮乏。在各产业部门研究院所中，也有少数研究院所比较早地关注纳米技术，并有一定的成果，但表现比较积极的是建材行业和纺织行业，其次是化工行业。从侧面反映出我国纳米技术工程化研发集中于某些领域，范围较小,层次较低。（四）应用严重不足，市场壁垒难逾越当前我国纳米科技生产企业不少，但纳米科技在传统行业中的应用严重不足，市场开拓困难。纳米技术工程化系统研究是纳米科技产业化的基础，但有待后续相关行业的广泛应用做市场支撑，是当前我国纳米技术发展过程中急需解决的紧迫问题。另外，纳米材料在传统产业中的应用刚起步，对传统产品的完全创新式的应用少，开辟传统产品的全新市场能力不足，不能形成真正的优势，突破传统产品认知度、品牌认同度等市场壁垒难度较大。（五）市场化机制待健全，体制尚需创新我国纳米科技成果的产业化率比较纸，不到20%。造成这种现象的主要原因，一是技术成果本身不具备产业化条件，二是由于信息不通，造成科研成果转化渠道不畅，缺少资金的有力支持。据一份调查资料表明，如果将我国纳米技术的纳米材料产品的成熟程度，按小试中试批量生产规模化生产来分，明显呈剧烈递减态势。从研究开发到规模化生产存在着很大距离，在实验室小试已经完成，但实验室成果最终能够转化为规模生产的大约只占5%。总之，在纳米技术产业化过程中，存在一系列中介空缺，这些中介空缺有待于体制创新和机制创新来填补。五、我国纳米科技发展重点（一）纳米科技的基础科学研究围绕重要应用，开展基本科学问题、关键技术研究，设计、制备新型纳米材料等。特别鼓励原始性创新研究方向，探索纳米新科技、新过程和新原理。（二）纳米材料的宏量可控制备和应用研究多功能纳米材料和结构，如轻质高强纳米材料、生物医用纳米材料、光电纳米材料、电磁纳米材料、能源和环境纳米材料等，发展可控、宏量和低成本制备技术，研究应用过程中的关键科学与技术问题。（三）纳米材料的新型表征方法与技术发展高时间分辨、高空间分辨、原位动态的表征方法与技术，建立基于新原理的纳米表征技术和测试方法；制定相应的检测标准。（四）新型纳米器件探索新型纳米加工方法和集成技术，探索基于新原理、新结构的纳米器件和集成电路；研究应用目标明确的高灵敏度、高选择性纳米传感器，高性能纳米电子和光电子器件。（五）重大疾病检测技术与生物医用纳米科技发展重大疾病早期检测的纳米技术和纳米生物器件的原理和创新方法；研究具有重要应用前景的纳米生物医用材料及其在生物体内药效与生物学过程。（六）新型纳米药物治疗重大疾病的新型纳米药物，重点研究纳米技术提高候选药物的成药性，提高药效、降低毒性的原理和方法。（七）能源纳米科技利用纳米科学与技术提高能源使用效率，发展基于纳米结构与纳米技术的安全节能新材料和新技术，探索纳米技术及材料在能源转换与存储等方面的重要应用。（八）环境纳米科技研究纳米科技在农业、工业生物技术、食品工业中的应用，发展成本低、性能稳定、寿命长并无次生污染的实用纳米材料与技术。研究纳米材料的环境效应和安全性。（九）改造提升传统产业的纳米科技面向化工、纺织、能源、交通、冶金等传统产业，应用纳米科技提高资源利用率和产品附加值，开发过程高效节能、清洁生产用纳米材料与技术等。（十）培育和发展战略性新兴产业的纳米材料与器件围绕新一代信息技术、新能源、生物医用等战略性新兴产业，研究纳米光电材料、器件集成和互联关键技术，开发高效能量转换、储存与节能的纳米材料与应用技术，研究实用化高性能生物医用材料与制品。（十一）纳米科技工业化制造技术及检测装备开发面向工业应用的纳米材料规模化制备及精密加工技术，研发纳米材料关键表征仪器成套批量化制造技术；研究纳米材料与器件的制备、服役与安全评价技术。（十二）建设纳米科技基础设施研究开发基地在现有国家重点实验室和有关研究基地中选定若干个并给予较大强度的支持，使其成为我国发展纳米科技的核心实验室。组建国家纳米科学中心，待条件成熟时，成立纳米技术及应用国家工程研究中心，加速纳米技术创新和纳米科技成果的产业化。鼓励有条件的省市部门和企业以各种形式参与纳米科技发展，和国家联合共建实验室、工程研究中心等研发基地。六、我国加快纳米科技发展的对策及措施（一）政府需加强领导和组织好纳米科技的应用开发和产业化。从目前看，我国纳米材料的科研和开发起步不算太晚，差距不是太大，尚属世界前列。从现在起，应抓紧制定好我国新纳米科技发展计划，兼顾基础研究、应用研究和开发研究的协调发展，加大科技投入，进一步抓紧组织攻关，推动科技成果产业化，协助有关部门尽快制定与纳米科技相关的产品技术标准。（二）分清层次，突出重点，发挥优势，形成特色。要加强研究基地建设，改善基础设施条件，增加科技专项的投入。目前我国的纳米研究应主要集中在创造和制备优异性能的纳米材料，设计制备各种纳米器件和装置，探测和分析纳米区域的性质和现象等领域。纳米材料是纳米科技的基础，我国已有相当的实力。这方面的布局应更注重与产业化的结合，尤其是与传统产业结合，积极吸纳企业的参与和投入;纳米区域性质的探测、表征是纳米材料和纳米器件研究与发展的实验基础和必要条件，应在重视基础和应用研究的同时，兼顾与产业化的结合，推进纳米材料应用技术的开发和产业化。目前，国内从事纳米材料应用技术开发的单位很多，但是由于缺乏全面系统的深入细致的规划和计划，缺乏信息的交流和沟通，因此必须建立国家纳米信息网络，加强信息的交流和沟通，避免在同一水平上的重复研究现象，集中精兵强将迅速攻克一些技术难点，加快产业化速度。（三）采用科学的科研组织方法，实行“产学研”的联合攻关。大学的科研力量强，理论基础扎实，科研手段比较先进，科研水平较高，但工程开发和工业化试验力量不如科研院所。目前，我国一部分中小企业包括上市公司，具有一定的经济实力，高新技术的产业化愿望较强，但科研开发力量较弱。因此，学校、科研院所和企业的合作是一种理想的合作方式。合作成败的关键是技术经济权益的合理分配，需要政府部门从中发挥强有力的协调作用。（四）建立国家检测机构，确保纳米改性材料质量。纳米粒子的表面处理和复配混合，以及使用的分散剂等，都是确保纳米材料质量的关键技术，确保纳米粒子在100nm以下。为了验证和检测纳米材料是否具备其特意性能，还需要建立国家纳米粒子检测机构，保证纳米改性材料的质量。（五）完善政策支持和资源