我国纳米科学技术发展现状及战略思考

2015年第60卷第1期：30~37引用格式:闫金定.我国纳米科学技术发展现状及战略思考.科学通报,2015,60:30–37YanJD.StrategicconsiderationofnanotechnologydevelopmentinChina(inChinese).ChinSciBull,2015,60:30–37,doi:10.1360/N972014-01088《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS观点我国纳米科学技术发展现状及战略思考闫金定科学技术部基础研究管理中心,北京100862E-mail:[e-mail]2014-10-14收稿,2014-11-10接受,2014-12-16网络版发表摘要概述了纳米科学技术在我国的发展现状和重要进展,以及国外纳米科技的发展趋势,深入分析和探讨了制约我国纳米科技发展的瓶颈问题及其成因.研究表明总体投入偏低,领域发展不均衡;创新链上下游之间缺乏有机互动;战略布局不够,原创性重大成果偏少;标准方面工作滞后等是我国纳米科技发展面临的主要问题.文章从落实创新驱动发展战略、增强自主创新能力、鼓励跨学科交叉融合和产学研结合、培育产业发展、强化国际合作等战略层面对我国纳米科技的发展提出具体建议.关键词纳米科技瓶颈问题战略思考在纳米尺度(通常指1~100nm)下,物质具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点,展现出与宏观尺度下物质的物理、化学、光学、力学、生物学等不同或宏观不具备的特性.纳米科学技术是20世纪80年代末期崛起并正在迅猛发展的新兴交叉学科,它的基本内涵是在纳米尺度上研究和利用物质的特性(包括原子、分子的操纵)、相互作用和纳米效应.纳米科技涉及诸多学科领域,包括物理、化学、生物学、医学、材料科学、信息科学、能源科学、先进制造科学等,是高度交叉的综合性学科,也体现了前沿科学和高技术的融合,对很多基础学科和应用领域都将产生重要的影响.纳米科技的发展加深了人们对物质构成和性能的认识,使人类的微观感知和操控能力达到了空前的水平.通过纳米科技,人们可以在分子、原子水平上设计并制造具有全新性质和功能的材料及器件,将给材料、制造业、信息、生物和医学等领域带来革命性的变化.经过多年的发展,纳米科技已经对世界产生了深远影响,形成了大量的科技和产业成果,促使材料、能源、环境、微电子、生物和医药等产业领域发生了重大变革,推动了传统产业的升级换代和战略性新兴产业的建立.据美国推测,2014年世界纳米科技产业市场规模将达到2.6万亿美元[1,2].纳米科技日新月异的发展正在展现其强大的生命力和对社会经济发展的推动作用,连同其他新兴科技的发展,正在成为提升国家未来核心竞争力的重要手段和推动世界各国经济发展的主要驱动力.1我国纳米科技发展现状1.1纳米科技总体布局我国纳米科技的布局较早,在纳米科技发展的开始阶段就同国际发展保持同步.“八五”期间,“纳米材料科学”列入国家攀登计划项目.20世纪90年代以来,纳米材料的应用研究成果涌现,地方政府和企业的介入,使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的崭新局面.2001年7月,科学技术部会同有关部委成立了“国家纳米科学技术指导协调委员会”,并与前国家发展计划委员会、中国科学院和国家自然基金委员会联合制定了《国家纳米科学技术发展纲要》.在《国家纳米科学技术发展纲要》框架指导下,各部门围绕纳米科学技术相关的材料、信息、能源、环境、医学及纳米安全等领域进一步强化了项目部署.31观点2006年国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》(以下简称《规划纲要》)[3],指出“纳米科技是我国有望实现跨越式发展的领域之一”.为贯彻落实《规划纲要》,科学技术部于2006年启动实施了我国纳米科学技术的旗帜性研究计划——纳米研究国家重大科学研究计划,连同国家高技术研究发展计划(863计划)、科技支撑计划,进一步强化了我国纳米科技的投入.国家自然科学基金委员会也启动了一系列纳米科技及纳米制造基础研究等重大研究计划.中国科学院组织了一批能充分发挥综合优势、多学科系统集成的大型纳米科技项目,2013年7月启动了“变革性纳米产业制造技术聚焦”的战略性先导科技专项,将在纳米绿色印刷、纳米动力锂电池、纳米医药、纳米催化以及能源环境相关的纳米技术等方面进行重点攻关,进一步推动纳米技术的产业化应用.我国还建成了一批国家级纳米科技基地:在北京建立了国家纳米科学中心;在上海建立了纳米技术及应用国家工程研究中心;在天津建立了国家纳米技术与工程研究院;在杭州建立了浙江加州国际纳米技术研究院;在苏州建立了国家纳米技术国际创新园.此外,还相继建立了40余个各具特色的地区性或行业性的纳米研究中心,逐步形成了我国纳米科学技术研发平台体系.1.2重要成果在各方面的共同努力下,我国纳米科学技术得到了较快速的发展,在前沿基础研究、应用技术与成果转化等方面均取得重要进展,跻身世界纳米科技大国,部分研究跃居国际领先水平.在基础研究方面,目前我国发表纳米科技SCI论文总量和论文总被引用次数已跃居世界第2位,部分研究成果在国际上引起了较大影响,标志性的成果主要包括:中国科学技术大学侯建国领衔的单分子科学团队[4]在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像,将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到前所未有的0.5nm.审稿人盛赞这项工作“是该领域迄今质量昀高的顶级工作,开辟了该领域的一片新天地”,研究成果在Nature发表.北京大学李彦团队[5]发展了一类钨基合金高效催化剂,这种纳米催化剂粒子具有非常高的熔点,能够生长出具有特定结构的单壁碳纳米管,并在高温环境下保持其晶态结构和形貌,相关成果发表在Nature.中国科学院大连化学物理研究所包信和团队[6]基于“纳米限域催化”的新概念,创造性地构建了硅化物晶格限域的单铁中心催化剂,成功地实现了甲烷在无氧条件下选择活化,一步高效生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品,相关成果发表在Science.厦门大学郑南峰团队[7]在铂纳米复合催化剂的制备、表征及催化反应的过程机理方面取得重要研究进展,制备出实用的高活性、高稳定性贵金属纳米催化剂,能在室温下实现CO的100%转化,相关研究成果在Science发表.中国科学院金属研究所卢柯研究团队[8]利用自主设计的表面机械研磨处理技术,在金属镍表层突破晶粒尺寸极限,获得纳米级厚度并具有小角晶界的层片结构.这种纳米层片结构兼具超高硬度和热稳定性,研究成果在Science发表.国家纳米科学中心裘晓辉团队[9]利用改进的非接触原子力显微镜在实空间观测到分子间氢键和配位键的相互作用,在国际上首次实现了对分子间局域作用的直接成像,中国学者首次“看见”氢键引起国际同行高度关注,相关成果发表在Science.中国科学院高能物理研究所和国家纳米科学中心赵宇亮团队[10~19]在国际上较早开展了人造纳米材料的毒理学研究,建立了较为系统的研究方法,尤其是体内纳米颗粒的定量探测方法;系统研究了不同尺寸不同表面的纳米材料的毒理学效应和共性规律,揭示了纳米颗粒穿越生物屏障的能力,提出了将纳米毒理学现象反向应用于肿瘤治疗的新思路.在国际著名学术刊物上连续发表了一系列的研究成果,连续9年入选毒理学和药理学领域的世界顶尖25篇热点论文,在纳米材料健康效应方面形成很强的国际影响力.在应用技术方面,我国在纳米科技领域发明专利申请数量显著增长,跃居世界第2,部分成果已经走向产业化,取得了良好的社会经济效益.标志性的成果包括:中国科学院化学研究所宋延林团队[20~23]发明了具有亲(疏)水、亲(疏)油特性的纳米材料绿色印刷制版技术,实现直接制版印刷,从根本上解决了印刷制版行业的环境污染问题并降低了生产成本,为印刷产业实现绿色化、数字化做出了重要贡献.范守善团队[24~28]领导的、富士康纳米科技中心研发的超顺排透明碳纳米管导电模,可用于制造碳纳米管触摸屏手机,2012年实现了全球首个碳纳米管触摸屏的产业化,现拥有多个系列品牌,在产业领域产生重2015年1月第60卷第1期32要影响,产品销售海内外.中国科学院福建物质结构研究所洪茂椿团队[29~33],通过纳米催化技术攻克了用煤代替石油生产乙二醇的难题,可缓解我国目前石油、乙烯和乙二醇供不应求的局面.已建立以煤为原料、采用纳米催化剂的万吨级乙二醇生产装置,相关产品更大规模的生产线在陆续建造中.我国微电子加工技术近几年实现了质的飞跃.我国学者研制出阻变存储器(RRAM)/相变存储器(PCRAM)/纳米晶的存储单元器件,有效提升了我国在存储器领域的核心竞争力.继45nm之后,22nm尺度的集成电路芯片已开始生产,促进了我国半导体产业的发展.此外,我国学者还发明了荧光聚合物纳米膜传感技术,研制出荧光聚合物纳米膜痕量爆炸物探测器,可检测三硝基甲苯(TNT)、三亚甲基三硝胺(RDX)、奥克托今(HMX)、硝铵和黑火药等多种常见重要炸药,检测下限达到0.1ppt(1ppt=10–15g/mL),分析时间为6.5s,误报率小于1％,已获市场准入并实现了产业化.产品曾在北京奥运会和上海世博会等场所使用.2国外纳米科技发展趋势分析探索介观世界物质奇异性质,发展未来高新技术,纳米科学技术的迅猛发展必将对经济、社会发展及国防安全产生重大影响.纳米科学技术在提升国家未来核心竞争力、培育战略性新兴产业等方面逐渐展现出战略引领带动作用.全球主要经济体纷纷制定纳米科学技术发展规划,加大对纳米科学技术的投入,推进纳米科学技术快速发展.据不完全统计,全球超过50个国家发布了国家级纳米科技发展规划.国际纳米科技发展正呈现出如下趋势.2.1纳米科技是全球科技发展的聚焦点美国国家科技委员会早在2000年就率先制定了“国家纳米技术计划(NNI)”,其宗旨是整合联邦各机构的力量,加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调.参与计划实施的机构包括美国国家科学基金会、美国国防部、美国能源部、美国国立卫生研究院等多部门.为保持美国纳米科技的国际领先地位,NNI计划一直保持高投入,并且不受经济危机影响而持续增加.迄今为止,根据美国政府官方公布的数据,如果包含2014财年的预算在内,NNI的总投入达到了200亿美元.近3年来,NNI投资显示:基础研究部分保持了昀大份额,纳米技术设备与系统、纳米制造、环境、健康和安全研究方面的投入大幅增加[34,35].欧盟2006年推出了第7框架计划,纳米科技列为九大研究主题之一,欧盟投入34.75亿欧元以增强纳米科技的国际地位.在欧盟框架计划以外,欧盟各国纷纷制定了本国的纳米科技发展计划.以德国为例,德国政府2011年启动了“纳米技术行动计划2015(NanotechnologyActionPlan2015)”,并陆续成立了9个全国性的纳米技术研发网,成员来自纳米技术产业链的各个环节,以加强产业链上中下游的动态合作、集约技术、资金优势,加速创新过程和成果转化.德国目前已开始建立在纳米技术领域的经济与科学的五大创新联盟:有机发光二极管、有机光伏电池、创新型纳米碳管、分子成像以及锂离子电池,拟通过联盟的方式推动上述领域的应用市场.日本政府支持纳米技术起始于2001年,在第2个科学与技术基本计划STBP中提及了纳米领域,并持续保持较高的投入.日本在第3期科技基本计划(2006~2010年)中继续将“纳米技术和材料”作为重点领域给予资助,突出强调了纳米技术在信息技术、生命科学、环境/能源以及基础技术等方面发挥的作用,研发投入达333.16亿日元.俄罗斯投资2000亿卢布发展纳米技术,使其成为国家“科技战略的火车头”.法国设立了若干科技竞争园区专门研发尖端纳米技术,如昀受全球瞩目的Grenoble的Minalogic全球微纳米技术竞争园区,重点研究新一代半导体和生产流程.以色列也已将纳米技术列为国家重点研究领域,并由政府、企业界和学术界联合提出了“以色列国家纳米技术倡议”.印度联邦政府2007年启