納米材料的發(fā)展歷程以及各國納米技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1、Reporter: Qiang ZhangTime: 2010-06-21Tutor: Su Chen材料化學(xué)工程國家重點實驗室材料化學(xué)工程國家重點實驗室State Key Laboratory ofMaterials-Oriented Chemical Engineering Nanjing University of Technology 40年前，諾貝爾物理獎得主、量子物理學(xué)家費曼所作的題為底部還有很大空間的演講，被公認(rèn)為是納米技術(shù)思想的來源。納米科技的基本思想是在分子水平上，通過操縱原子來控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 納米結(jié)構(gòu)材料首次合成納米結(jié)構(gòu)材料首次合成 1 9 8 4 年 ， 德 國 薩 爾

2、 大 學(xué) 的Gleiter教授等人首次采用惰性氣體冷凝法制備了具有清潔表面的納米金屬粉末，然后在真空室中原位加壓成納米固體，并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模納米材料界面結(jié)構(gòu)模型型，制備了具有清潔表面的納米晶體Pd, Fe, Cu等塊狀材料。隨后發(fā)現(xiàn)TiO2納米陶瓷在室溫下出現(xiàn)良好韌性，使人們看到了改善陶瓷脆性的希望。一、納米材料的研究和發(fā)展歷程一、納米材料的研究和發(fā)展歷程 A 1990年，美國加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中，在Ni的表面上將35個氙原子排布成最小的IBM商標(biāo)。這張放大了的照片登在時代周刊上，被稱為當(dāng)年最了不起的公司廣告，轟動全球。從此開創(chuàng)了一

3、個嶄新的納米世界。每個字母高5nm。Xe原子間最短距離約為1nm。這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對準(zhǔn)選中的Xe原子、使針尖接近 Xe原子、使原子間作用力達到讓Xe原子跟隨針尖移動到指定位置而不脫離Ni的表面。用這種方法可以排列密集的Xe原子鏈。 1991年元旦前夕，日本日立電年元旦前夕，日本日立電子公司向公眾展示了一個原子子公司向公眾展示了一個原子大小的新年祝詞大小的新年祝詞“peace91”（和平和平91）。每個字母的高度）。每個字母的高度均小于均小于1.5納米，它是把硫原子納米，它是把硫原子一個一個地從二硫化鉬晶體上一個一個地從二硫化鉬晶體上轟擊出來寫成的。美國商業(yè)機轟擊出來寫成的

4、。美國商業(yè)機器公司的器公司的“IBM”是在是在-263下下拼出的，而日立公司的祝詞則拼出的，而日立公司的祝詞則是在是在室溫下室溫下完成的。該成就表完成的。該成就表明，明，納米技術(shù)從此步入了實用納米技術(shù)從此步入了實用階段階段。 1994年，中國科學(xué)院化學(xué)所和中國科學(xué)院北京真空物理室利用STM在單晶硅表面上通過提走硅原子的方法，獲得了（線寬2 nm）硅原子的“毛澤東”。在石墨表面刻出線寬10 nm的“中國”字符。漢字的大小只有幾個納米 白春禮院士白春禮院士 1988年年4月月12日，日， 中國第一臺計算機中國第一臺計算機 控制的控制的STM研制成功。研制成功。納米科技的發(fā)展大致可以劃分為納米科技的

5、發(fā)展大致可以劃分為3個階段：個階段：第一階段第一階段 (1990年以前年以前)主要是在實驗室探索主要是在實驗室探索 用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評估表征的方法。第二階段第二階段 (1994年前年前)人們關(guān)注的熱點是根據(jù)人們關(guān)注的熱點是根據(jù)奇特奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料：設(shè)計納米復(fù)合材料： 納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0復(fù)合)， 納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合)， 復(fù)合納米薄膜(0-2復(fù)合)。第三階段第三階段 (從從1994年到現(xiàn)在年到現(xiàn)在)納米組裝研究。納米組裝研究。 它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲、管為基本單元

6、在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究。小結(jié)：小結(jié)： 光電材料 環(huán)境和能源 生物醫(yī)學(xué) 航天和航空 軍事FROM: 碳納米管是直徑非常細(xì)的中空管狀納米材料，它能夠大量地吸附氫氣，成為許多個“納米鋼瓶” 。研究表明，約2/3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來。據(jù)預(yù)測，到2010年，就可以生產(chǎn)出氫氣汽車，只需攜帶1.5升左右的儲氫納米碳管，即可行駛500km。光電材料光電材料 一塊用來制作大規(guī)模集成電路的芯片，上面有許多的溝槽，這張片能夠清晰的顯示出溝槽的深淺和走向。CPUSRAM靜態(tài)隨即存儲器 肉眼看激光唱片(Compact Disk,

7、CD)，表面十分光滑。從微觀上看，光盤上面有凹凸不平的凹痕和突起。 上圖：Millipede - 第一個應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲的納米技術(shù) 下圖：Millipede存儲芯片的實驗室原型。 英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來芯片設(shè)計英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來芯片設(shè)計 芯片廠商英特爾正指望用碳納米管取代半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的銅連線。這種轉(zhuǎn)變總有一天會消除芯片廠商面臨的一些大問題。 芯片連線已經(jīng)成為半導(dǎo)體廠商面臨的一個頭疼的問題。根據(jù)摩爾定律，芯片廠商每兩年就要縮小一次半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的元件。然而，縮小連線會增加電阻，降低芯片的性能。 芯片廠商在90年代從把連線從鋁線轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線從而繞過了這個問題。遺憾的是，隨著芯片尺寸的

8、縮小，這個電阻問題將成為英特爾等芯片廠商遇到的大問題。碳納米管導(dǎo)電性比金屬要好，有可能成為替代金屬連線的解決方案。 2008年2月1日 亞利桑那州立大學(xué)David K. Ferry提出利用納米線連接電路建立三維堆砌芯片的構(gòu)想，將大大提高計算機的運行速度。 利用納米磁學(xué)中顯著的巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance)和很大的隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance)現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍。 1997年，明尼蘇達大學(xué)電子工程系納米結(jié)構(gòu)實驗室采用納米平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)的磁盤，長度為40納米的Co棒按周期性排列成的量子棒

9、陣列。由于納米磁性單元是彼此分離的，因而稱為量子磁盤。它利用磁納米線陣列的存儲特性，存貯密度可達400Gbin-2。 碳納米管場發(fā)射顯示器 含鉛汽油中的鉛很容易通過血液長期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中，從而導(dǎo)致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果。汽車尾氣的處理：加入納米級的復(fù)合稀土氧化物后，對尾氣的凈化特別明顯，尾氣中的CO、NOx幾乎完全轉(zhuǎn)化。在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化；納米TiO2可以用來降解有機磷，降解毛紡染整廢水，降解石油 利用具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有較高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽

10、作用。 將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。一般認(rèn)為，其體系中只需含納米二氧化鈦0.51%，即可充分屏蔽紫外線。 目前，日本等國已有部分納米二氧化鈦的化妝品問世。 納米TiO2：在光照條件下，會產(chǎn)生具有非常強的氧化能力的空穴，從而將附在表面上的有機物、細(xì)菌及其它灰塵分解掉，直至生成CO2和H2O。 殺菌、除味：由于納米ZnO具有大的比表面積，可以很快地吸收并分解臭氣，同時還能有效地殺菌。對黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率高達95%以上。納米服裝 它比體內(nèi)血液中的紅細(xì)胞要多攜帶200多倍的氧氣。血液形態(tài)圖血液形態(tài)圖 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 諾貝爾獎

11、得主斯莫利的預(yù)言 ； 美國麻省理工學(xué)院的研究人員正在研究一種只有20nm的藥物炸彈和包含了1000個納米藥包的微型芯片； 在固定的DNA鏈上連接上殺癌的藥物膠囊，放到病人血液和組織內(nèi)，一遇上癌細(xì)胞的DNA時，DNA鏈就與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，這時藥物開關(guān)受觸發(fā)而開放，藥物便釋放出來，殺滅癌細(xì)胞； 瑞典科學(xué)家制作的微型醫(yī)用機器人，可移動并撿起肉眼看不見的玻璃珠。 用這種微型機器手將果蠅的染色體基因進行信號移動，培育出的果蠅多長了一個胸脯和翅膀，甚至把果蠅的眼睛和翅膀挪位；果蠅：遺傳學(xué)和分子發(fā)育生物學(xué)的國王圖中左側(cè)為雌性，右側(cè)為雄性 成功利用納米SiO2微粒進行了細(xì)胞分離。 用金的納米粒子進行定位病

12、變治療，以減少副作用。 科學(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。 小型攝像機小型攝像機 ：用于檢測消化系統(tǒng)疾病。：用于檢測消化系統(tǒng)疾病。Molecular-scale machines could one day have medical applications such as removing cancerous cells.Nature 451, 770-771 (14 February 2008) | “納米機器人”的研制是根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為

13、設(shè)計原型，設(shè)計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。 第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體 可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療。還可進行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的，把正常的安裝在基因中，使機體正常運行。 第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置 第三代納米機器人是包含納米計算機，可以進行人機對話的裝置。一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?科學(xué)家設(shè)想制造出負(fù)責(zé)清掃血管的納米機器人（清潔工），專門負(fù)責(zé)清掃血管壁上的膽固醇、凝血等沉積物，以預(yù)防腦血栓等心血管??；同時也可以制作出清掃體內(nèi)癌細(xì)胞的機器人。 納米機器人在

14、清理血管中的有害堆積物。納米機器人小到可在人的血管中自由地游動，對于腦血栓、動脈硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用進行危險的開顱、開胸手術(shù)。 吸波：納米ZnO對雷達電磁波具有很強的吸收能力，所以可以做隱形飛機的重要涂料。 因納米碳管既輕又強度極高，是鋼的10100倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵御強大的子彈的沖擊力。 第一屆納米科學(xué)技術(shù)會議第一屆納米科學(xué)技術(shù)會議 1990年7月，在美國巴爾德摩召開了國際第一屆納米科學(xué)技術(shù)會議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個新分支。它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。 Nanostructured Materia

15、ls, Nanobiology, Nanotechnology 1992年9月，在墨西哥CauCan城召開了第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會議。張志焜和崔作林參加 80年代以來，各國已投入大量人力，物力開展納米超微粒的研究，如美國、日本。三、各國納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀三、各國納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1 美國的納米科技美國的納米科技美國發(fā)展納米科技的歷史回顧美國發(fā)展納米科技的歷史回顧1991年，美國正式將納米技術(shù)列入年，美國正式將納米技術(shù)列入“國家國家22項關(guān)鍵技術(shù)項關(guān)鍵技術(shù)”和和“2005年的戰(zhàn)略技術(shù)年的戰(zhàn)略技術(shù)”1997年，美國國防部將納米技術(shù)提高到戰(zhàn)略研究領(lǐng)域的高度年，美國國防部將納米技術(shù)提高到戰(zhàn)略研究領(lǐng)域的高度1

16、996-1998年年 ，納米技術(shù)發(fā)展情況調(diào)查研究，納米技術(shù)發(fā)展情況調(diào)查研究 2000年年2月，月， “國家納米技術(shù)計劃國家納米技術(shù)計劃”(NNI) 微米科技納米科技占中心地位，發(fā)揮革命的作用美國總統(tǒng)科學(xué)顧美國總統(tǒng)科學(xué)顧問委員會由此認(rèn)問委員會由此認(rèn)為：納米技術(shù)是為：納米技術(shù)是自二戰(zhàn)以來美國自二戰(zhàn)以來美國將要經(jīng)歷的第一將要經(jīng)歷的第一場不具備絕對領(lǐng)場不具備絕對領(lǐng)先優(yōu)勢的具有重先優(yōu)勢的具有重要經(jīng)濟意義的科要經(jīng)濟意義的科技革命，如果美技革命，如果美國要在國要在21世紀(jì)繼世紀(jì)繼續(xù)保持其經(jīng)濟上續(xù)保持其經(jīng)濟上的領(lǐng)導(dǎo)地位和保的領(lǐng)導(dǎo)地位和保證其國家安全，證其國家安全，則需要在未來的則需要在未來的10至至20年中顯

17、著年中顯著地、穩(wěn)定地增加地、穩(wěn)定地增加對納米科技研究對納米科技研究開發(fā)的投入。開發(fā)的投入。 2000年年8月，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會專門成立了月，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會專門成立了“納米科學(xué)、工程與技術(shù)分會（納米科學(xué)、工程與技術(shù)分會（NSET）” 我們的某些目標(biāo)可能需要花費20年或者更長時間才能達到，這也正是聯(lián)邦政府在其中處于重要角色的原因所在。 -美國前總統(tǒng)克林頓 美國聯(lián)邦政府目前正努力在納米科技長期和高風(fēng)險投資中發(fā)揮作用，將政府對納米科技的投資重點放在刺激合作和支持基礎(chǔ)科學(xué)方面，幫助建立未來十年所需的納米技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和研究支持，培養(yǎng)為未來納米產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的人才儲備，鼓勵跨學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)與合作，確

18、保信息的傳播，鼓勵新興公司開發(fā)納米技術(shù)。 納米科技研發(fā)投入策略（聯(lián)邦政府、國會高官）：目前納米技術(shù)研發(fā)的投入應(yīng)以聯(lián)邦政府為主以聯(lián)邦政府為主，并且在相當(dāng)長的一個時期內(nèi)，聯(lián)邦政府需要保持其投入的穩(wěn)定性。 資料來源： Small Wonders, Endless Frontiers :A Review of the National Nanotechnology Initiative部部 門門1999年年2000年年2001年年 2002年（估計值）年（估計值） 2003年（預(yù)算值）年（預(yù)算值）國家科學(xué)基金會國家科學(xué)基金會8597150199221國防部國防部7070123180201能源部能源部5

19、8588891139國家航空航天局國家航空航天局55224651商務(wù)部商務(wù)部168333844國家健康研究所國家健康研究所2132404143司法部司法部11.41.4環(huán)保署環(huán)保署555農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)部21.52.5交通部交通部22總計總計255270464604.9709.9 （1 1）長期、基礎(chǔ)性的納米科學(xué)和工程研究。這一發(fā)展主題旨在長）長期、基礎(chǔ)性的納米科學(xué)和工程研究。這一發(fā)展主題旨在長期扶持從事基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性研究的單個研究人員和小型組織，并期扶持從事基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性研究的單個研究人員和小型組織，并促進促進大學(xué)大學(xué)產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)業(yè)界聯(lián)邦實驗室和各機構(gòu)間的合作伙伴關(guān)系聯(lián)邦實驗室和各機構(gòu)間的合作伙伴關(guān)系

20、 （2 2）重大挑戰(zhàn)。這一發(fā)展主題瞄準(zhǔn)了）重大挑戰(zhàn)。這一發(fā)展主題瞄準(zhǔn)了納米科技的應(yīng)用開發(fā)納米科技的應(yīng)用開發(fā)。美國。美國確定了總計確定了總計十二項重大的挑戰(zhàn)十二項重大的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)將奠定美國納米科技發(fā)，這些挑戰(zhàn)將奠定美國納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)，諸如：展的基礎(chǔ)，諸如：納米級微電子產(chǎn)品的低成本制造方法；更有效納米級微電子產(chǎn)品的低成本制造方法；更有效的能源儲存裝置；運用于保健和生化恐怖威脅的生物傳感器的能源儲存裝置；運用于保健和生化恐怖威脅的生物傳感器等。等。 （3 3）優(yōu)秀的中心和網(wǎng)絡(luò)。這一發(fā)展主題是）優(yōu)秀的中心和網(wǎng)絡(luò)。這一發(fā)展主題是促進研究的網(wǎng)絡(luò)化和共促進研究的網(wǎng)絡(luò)化和共用學(xué)術(shù)界用戶設(shè)施用學(xué)術(shù)界用戶

21、設(shè)施。優(yōu)秀中心和網(wǎng)絡(luò)的建立被認(rèn)為是實施。優(yōu)秀中心和網(wǎng)絡(luò)的建立被認(rèn)為是實施NNINNI計劃計劃的關(guān)鍵，它們將有力促進納米科技在不同學(xué)科間的融合的關(guān)鍵，它們將有力促進納米科技在不同學(xué)科間的融合 （4 4）研究基礎(chǔ)設(shè)施。這一發(fā)展主題的）研究基礎(chǔ)設(shè)施。這一發(fā)展主題的目標(biāo)是建立一套能使新發(fā)明目標(biāo)是建立一套能使新發(fā)明和新發(fā)現(xiàn)被產(chǎn)業(yè)界快速商業(yè)化的靈活、實用的基礎(chǔ)設(shè)施。和新發(fā)現(xiàn)被產(chǎn)業(yè)界快速商業(yè)化的靈活、實用的基礎(chǔ)設(shè)施。投資重投資重點主要在于度量衡、檢測儀器、建模和仿真以及用戶設(shè)施等方面。點主要在于度量衡、檢測儀器、建模和仿真以及用戶設(shè)施等方面。將建立擁有新的測試設(shè)備的研究中心，并保證各研究機構(gòu)都可以將建立擁有

22、新的測試設(shè)備的研究中心，并保證各研究機構(gòu)都可以利用這些測試設(shè)備利用這些測試設(shè)備 （5 5）道德、法律、社會影響及勞動力教育和培訓(xùn)。這一發(fā)展主題）道德、法律、社會影響及勞動力教育和培訓(xùn)。這一發(fā)展主題主要主要在于培養(yǎng)納米技術(shù)所需的新一代跨學(xué)科技術(shù)人才在于培養(yǎng)納米技術(shù)所需的新一代跨學(xué)科技術(shù)人才。同時對納。同時對納米技術(shù)在法律、道德、社會、經(jīng)濟和勞動力準(zhǔn)備等方面對社會所米技術(shù)在法律、道德、社會、經(jīng)濟和勞動力準(zhǔn)備等方面對社會所產(chǎn)生的影響加以研究產(chǎn)生的影響加以研究。 年份年份基礎(chǔ)基礎(chǔ)研究研究重大重大挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)優(yōu)秀的優(yōu)秀的中心和中心和網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)研究研究基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)施道德、法律道德、法律和社會影響和社會影響及勞

23、動力及勞動力總計總計2000877147501527020011441497876174642002201180969730604200323220411912035710資料來源：National Nanotechnology Initiative:The Initiative and Its Implementation Plan 和Small Wonders, Endless Frontiers :A Review of the National Nanotechnology Initiative兩個報告中相關(guān)數(shù)據(jù)匯總 納米科技的一個最顯著的特點是它的跨學(xué)科特性，它涉及到化學(xué)、納米科技的

24、一個最顯著的特點是它的跨學(xué)科特性，它涉及到化學(xué)、物理、生物學(xué)、分子生物學(xué)、工程和材料科學(xué)等眾多學(xué)科。不過物理、生物學(xué)、分子生物學(xué)、工程和材料科學(xué)等眾多學(xué)科。不過, ,在在今年今年6 6月份發(fā)布的月份發(fā)布的Small Wonders, Endless Frontiers :A Review Small Wonders, Endless Frontiers :A Review of the National Nanotechnology Initiativeof the National Nanotechnology Initiative報告中報告中, ,特別指出：特別指出：納米研發(fā)的重點領(lǐng)域是考

25、慮到納米科學(xué)發(fā)展的需要，而不僅僅嚴(yán)格局納米研發(fā)的重點領(lǐng)域是考慮到納米科學(xué)發(fā)展的需要，而不僅僅嚴(yán)格局限于納米范圍，因為很明顯，微技術(shù)對于納米科學(xué)的發(fā)展是非常重要限于納米范圍，因為很明顯，微技術(shù)對于納米科學(xué)的發(fā)展是非常重要的。的。在基礎(chǔ)研究方面，目前美國正在進行的研究重點領(lǐng)域包括：（在基礎(chǔ)研究方面，目前美國正在進行的研究重點領(lǐng)域包括：（1 1）納）納米生物系統(tǒng)；（米生物系統(tǒng)；（2 2）納米結(jié)構(gòu)與量子控制；（）納米結(jié)構(gòu)與量子控制；（3 3）納米元器件與系統(tǒng)結(jié)）納米元器件與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（構(gòu)；（4 4）納米過程與環(huán)境；（）納米過程與環(huán)境；（5 5）多現(xiàn)象模型與模擬。）多現(xiàn)象模型與模擬。在應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)

26、方面，目前美國正在進行的研究重點領(lǐng)域包括：在應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)方面，目前美國正在進行的研究重點領(lǐng)域包括：（1 1）納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計；（）納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計；（2 2）納米電子、光電子與磁性材料；）納米電子、光電子與磁性材料；（3 3）用于保健、治療和診斷的納米技術(shù)和裝置；（）用于保健、治療和診斷的納米技術(shù)和裝置；（4 4）納米過程與環(huán)）納米過程與環(huán)境改良；（境改良；（5 5）高效能源轉(zhuǎn)化與儲存；（）高效能源轉(zhuǎn)化與儲存；（6 6）微型航天飛機與太空探測；）微型航天飛機與太空探測；（7 7）用于監(jiān)測傳染性疾病和生物威脅的生物傳感器裝置；（）用于監(jiān)測傳染性疾病和生物威脅的生物傳感器裝置；（8 8）

27、納米）納米技術(shù)與經(jīng)濟、安全的交通；（技術(shù)與經(jīng)濟、安全的交通；（9 9）納米技術(shù)與國家安全）納米技術(shù)與國家安全。 美國納米技術(shù)的應(yīng)用研究目前正在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤等四大熱點領(lǐng)域快速發(fā)展，其中在芯片和癌癥診斷領(lǐng)域的應(yīng)用可望在年內(nèi)出現(xiàn)劃時代的突破。 2.1 日本納米科技發(fā)展回顧日本納米科技發(fā)展回顧 2.2 日本政府在推動納米科技發(fā)展中的重日本政府在推動納米科技發(fā)展中的重要作用要作用 2.3 日本企業(yè)界在納米科技方面的作為日本企業(yè)界在納米科技方面的作為 2.4 日本未來納米科技的發(fā)展動向日本未來納米科技的發(fā)展動向 1981年，日本科學(xué)技術(shù)廳（現(xiàn)改為文部科學(xué)省）就推出了年，日

28、本科學(xué)技術(shù)廳（現(xiàn)改為文部科學(xué)省）就推出了“先進技術(shù)的探索研究計劃先進技術(shù)的探索研究計劃”（Exploratory Research for Advanced Technology, ERATO） 每年啟動4個ERATO基礎(chǔ)研究項目，每個項目實施5年，研究內(nèi)容絕大部分是納米技術(shù)的前沿課題，如納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米分子學(xué)、納米加工和納米結(jié)構(gòu)等研究領(lǐng)域的課題。19911991年開始，日本通產(chǎn)省年開始，日本通產(chǎn)省 （2001.1.62001.1.6更名為經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)?。└麨榻?jīng)濟產(chǎn)業(yè)?。┫群髮嵤┝藬?shù)個有關(guān)納米技術(shù)的大型先后實施了數(shù)個有關(guān)納米技術(shù)的大型1010年研究計劃年研究計劃 原子技術(shù)研究計劃原子

29、技術(shù)研究計劃（1991-2001，1.85億美元）億美元）,量子功能器件研究計劃量子功能器件研究計劃（1991-2001，4千萬美元千萬美元)原子分子極限操縱研究計劃原子分子極限操縱研究計劃(1992-2002，250億日元億日元)1992年，國家先進跨學(xué)科研究所（年，國家先進跨學(xué)科研究所（NAIR）和）和日本及美國的日本及美國的20余家大型企業(yè)余家大型企業(yè)聯(lián)合成立聯(lián)合成立“原子技術(shù)聯(lián)合研究中心原子技術(shù)聯(lián)合研究中心”(JRCAT） 20012001年實施了年實施了材料納米技術(shù)材料納米技術(shù)7 7年計劃年計劃 20022002年建立國家級納米技術(shù)研究所年建立國家級納米技術(shù)研究所,10,10個納米技

30、術(shù)研究中心個納米技術(shù)研究中心 1. 制定計劃 (1) 由于日本納米技術(shù)研究起步早，目前在許多方面處于世界領(lǐng)先的地位; (2) 日本政府在新的“科技基本計劃”中把納米技術(shù)作為今后5年科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點之一; (3) 2001年實施了材料納米技術(shù)7年計劃; (4) 實施“納米技術(shù)綜合支援計劃”，該計劃旨在最大限度地發(fā)揮各科研機構(gòu)的潛在能力。主要內(nèi)容是，搜集和提供信息、促進交流、組織聯(lián)合攻關(guān)、建設(shè)特殊研究設(shè)施等措施，向有關(guān)科研機構(gòu)提供各種支援活動，推動納米技術(shù)研發(fā)。 2. 成立組織 2002年建立了國家級納米技術(shù)研究所；并建立了10個納米技術(shù)研究中心。 3. 投入巨資 資料來源：日本科學(xué)技術(shù)政策委員

31、會（CSTP） 日本企業(yè)界是發(fā)展納米技術(shù)的主力軍。80家大企業(yè)中，有大約40設(shè)置了專門機構(gòu)，已經(jīng)或者即將著手發(fā)展納米科技。（1）集中科研力量加強納米技術(shù)開發(fā)。 日立集團設(shè)立了“納米技術(shù)管理推進中心”, 由日立制作所、日立化成、日立金屬、日立電線、日立超LSI系統(tǒng)組成，集中各家技術(shù)優(yōu)勢，共同攻克各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的納米技術(shù)難關(guān)；東麗公司投資50億日元建立專門的納米技術(shù)研究所。（2）建立專門從事納米技術(shù)研究或?qū)ｉT生產(chǎn)納米材料的分廠、分公司。 三菱集團建立了專門批量生產(chǎn)巴基球的分廠 ；富士通公司設(shè)立了納米技術(shù)研究中心 。（3）企業(yè)開始和大學(xué)、科研院所廣泛合作研究開發(fā)納米技術(shù)。 日本昭和電工公司+產(chǎn)業(yè)技術(shù)

32、綜合研究所；富士通公司+德國慕尼黑工科大學(xué)等4家科研機構(gòu)；松下電器產(chǎn)業(yè)+武田藥品工業(yè)+京都大學(xué)+大阪大學(xué)；三菱化學(xué)公司也與京都大學(xué)等。 日本政府負(fù)責(zé)制定科技政策的綜合科學(xué)技術(shù)會議在2001年召開的“推進重點領(lǐng)域戰(zhàn)略專家調(diào)查會”上，確定了未來日本納米技術(shù)發(fā)展的重點方向。 1. 確定的納米技術(shù)重點領(lǐng)域：應(yīng)用納米技術(shù)制成的信息通信元件，具有環(huán)境適應(yīng)性的高增值材料和微量影響環(huán)境因素的管理技術(shù)，對體內(nèi)病灶進行診斷和治療的微小系統(tǒng)，仿生材料，觀察各種生物現(xiàn)象及應(yīng)用生物機制的納米生物技術(shù)，納米級的測量、評估及加工等基礎(chǔ)技術(shù)，具有新的物理性能的材料。 2.引進競爭機制，促進不同學(xué)科的相互融合和人員交流，加速科

33、研成果產(chǎn)業(yè)化的進程，加強政府、大學(xué)和企業(yè)之間的聯(lián)合攻關(guān)，培養(yǎng)和確保人才。 天安門廣場飄揚的納米國旗（2002.10.1）京工紅旗廠中商納米公司 成本增加20% 3.1 國內(nèi)納米科技發(fā)展進展3.2 存在問題國家納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地于國家納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地于2000年年12月月6日正式日正式批準(zhǔn)成立，坐落在天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，占地批準(zhǔn)成立，坐落在天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，占地2平方公里。平方公里。 中國科學(xué)技術(shù)部2003.8.26組織召開國家納米科技工作會議，并具體提出2010年中國納米科技發(fā)展的三大目標(biāo)： 1 納米科學(xué)前沿領(lǐng)域，要以納米電子學(xué)、納米尺度的加工及組裝技術(shù)、納米生物和醫(yī)學(xué)、納米材料學(xué)等前沿理

34、論和方法為重點，建立、完善國際先進的國家納米科技發(fā)展公用平臺和重點實驗室系統(tǒng)，加強納米科技信息網(wǎng)絡(luò)和科研開發(fā)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，構(gòu)筑國家納米科技創(chuàng)新體系。 2 納米技術(shù)開發(fā)及其應(yīng)用方面，要在納米材料的制備、納米器件制造工藝及裝備、微型計算機和信息系統(tǒng)、環(huán)境和能源、醫(yī)療與衛(wèi)生、生物和農(nóng)業(yè)、航天和航空以及國防建設(shè)領(lǐng)域，攻克一批重大關(guān)鍵技術(shù)，取得一批對未來產(chǎn)業(yè)有重大影響的知識產(chǎn)權(quán)，為納米科技成果的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。 3 形成納米科技骨干隊伍方面，吸引多學(xué)科專家參與納米科技的研究與開發(fā)，培養(yǎng)和引進懂科技、懂經(jīng)營、懂管理的復(fù)合型人才，為納米科技的產(chǎn)業(yè)化提供力量。 政府重視 我國已經(jīng)將發(fā)展納米技術(shù)載入十五屆

35、五中全會的報告 列入十五規(guī)劃 列入“863”、“973”計劃。 科研投入 我國對納米科技的資金投入雖呈逐年上升的趨勢。但因基數(shù)太小，根本不能和美、日、歐盟等技術(shù)大國相比。 主要研發(fā)力量 我國納米技術(shù)研發(fā)力量表面相對集中，實際上仍很分散，難以形成規(guī)模優(yōu)勢。研發(fā)力量主要集中在高等院校和科研院所。企業(yè)介入納米技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域占5%，力量薄弱且層次不高。80%的研發(fā)力量集中于金屬和無機物非金屬納米材料，高分子和化學(xué)合成材料等方面。但在較低層次的納米材料領(lǐng)域，就集中了一半以上的研發(fā)力量，在納米核心技術(shù)納米電子、納米機械、納米生物、醫(yī)藥、納米檢測等重要領(lǐng)域，力量薄弱。 科研成果 盡管我國對納米技術(shù)研究投入嚴(yán)

36、重不足，但在過去10年中我國科學(xué)家還是取得了非凡的成績。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上共發(fā)表有關(guān)納米材料和納米結(jié)構(gòu)的論文2400篇，其中多篇發(fā)表在自然和科學(xué)等世界頂級學(xué)術(shù)雜志上。 技術(shù)人才 國內(nèi)有50多所高等學(xué)校、科研院所、名納米科研人員。 產(chǎn)業(yè)化狀況 據(jù)調(diào)查，全國共有納米企業(yè)323家，其中以“納米”注冊的企業(yè)共57家。但大多數(shù)企業(yè)尚處初創(chuàng)期，技術(shù)尚不成熟，處在微利或虧損的狀態(tài)。 空有計劃 虛有組織 雖然有關(guān)部門制定了我國納米技術(shù)發(fā)展的十年規(guī)劃，并成立了國家納米技術(shù)指導(dǎo)小組，但因種種原因使我國納米技術(shù)發(fā)展幾乎空有計劃、虛有組織，發(fā)揮不了應(yīng)有的強大作用。 科研投入嚴(yán)重不足，迄今為止，尚無有關(guān)納米技術(shù)的國家預(yù)

37、算規(guī)劃出臺。 項目重復(fù)投資 由于我國傳統(tǒng)的科研體制和社會分工的不合理，造成在科研經(jīng)費嚴(yán)重不足的情況下，有相當(dāng)一部分科研項目屬于重復(fù)投資。例如納米隱身涂料，需求的領(lǐng) 域?qū)I(yè)性很強，但全國就有40多家科研單位在搞。根本原因在于： 傳統(tǒng)科研體制的條塊分割； 后計劃經(jīng)濟的弊端，信息不對稱；尚未形成跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的聯(lián)合研發(fā)體制 傳統(tǒng)的科研體制和教育體制決定了科研工作往往表現(xiàn)為各自為戰(zhàn)，單打獨斗，不能形成科研領(lǐng)域的強強聯(lián)合。而納米技術(shù)的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域等特點恰恰要 求建立聯(lián)合研發(fā)體制，這嚴(yán)重制約了納米技術(shù)的進一步發(fā)展。 沒有納米技術(shù)權(quán)威檢測機構(gòu) 造成市場上狂炒“納米”熱的主要原因，就是國家沒有建立一個權(quán)威的

38、納米技術(shù)及材料的檢測機構(gòu)。不能對納米技術(shù)及其產(chǎn)品進行檢測、鑒別，客觀真實 地評價納米技術(shù)對新產(chǎn)品、新材料所帶來的性能等方面根本性的提升和改變。 缺乏專業(yè)人才 盡管我國有4500多人的納米技術(shù)研究隊伍，但以傳統(tǒng)分門別類的教育體制培養(yǎng)的“專業(yè)人才”，不適合也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)納米技術(shù)發(fā)展需要； 據(jù)初步測算，為推動我國納米技術(shù)的發(fā)展，近期就至少需要1萬名復(fù)合型的納米科研人員，而目前我國從事納米技術(shù)研究的科研人員大都是從其它領(lǐng)域轉(zhuǎn)到或延伸到納米領(lǐng)域的，在知識結(jié)構(gòu)和知識面上存在著一定缺陷，人才缺口非常明顯，但每年還有大量的人才流失。 原創(chuàng)性成果少 文章數(shù)量多，高檔次少，專利少； 已經(jīng)轉(zhuǎn)化的技術(shù)中，還有很多是不成

39、熟的。這不僅造成了企業(yè)的損失，而且也給納米技術(shù)的發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響。 我國與世界各技術(shù)大國在納米技術(shù)上的差距不僅僅在技術(shù)本身，更重要的是機制和體制上以及政府部門的支持力度上。 因此，政府有必要支持建立一個強大的、跨學(xué)科的、開放的、流動的、市場化的、綜合的研發(fā)平臺，推動研發(fā)工作在聯(lián)合中競爭，在競爭中聯(lián)合，并以此作為研究機構(gòu)與企業(yè)之間的紐帶。 4.1 英國 1. 成立組織 為促進大學(xué)、產(chǎn)業(yè)界和國家納米技術(shù)發(fā)展，英國政府早在1997年就建立了英國納米技術(shù)研究院，主要負(fù)責(zé)：組織國內(nèi)各研發(fā)機構(gòu)共同從事納米技術(shù)研發(fā)； 提供教育及培訓(xùn)； 為企業(yè)提供可供產(chǎn)業(yè)化的納米技術(shù)； 組織英國與其他國家的在納米技術(shù)領(lǐng)域

40、的聯(lián)合攻關(guān)。最近英國與韓國共同簽署了在納米技術(shù)方面的合作協(xié)議，該協(xié)議涉及八個方面，組織了英國和韓國的多家大學(xué)和科研機構(gòu)共同完成。 2. 制定計劃 英國1998年創(chuàng)立納米技術(shù)聯(lián)系計劃（LINK）。 3. 投入巨資 除了LINK計劃每年的資助外，政府投入逐年增加：（億美元） 1999年2000年2001年0.310.353.81. 德國科學(xué)技術(shù)部曾經(jīng)對納米技術(shù)未來市場潛力作過預(yù)測：他們認(rèn)為到2010年， 并預(yù)測市場的突破口在信息、通訊、環(huán)境和醫(yī)藥等領(lǐng)域。 2. 制定計劃 德國納米技術(shù)的開發(fā)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展一直得到德國政府的大力資助。1991年2000年實施BMBF計劃，從事微納系統(tǒng)的研發(fā)。3. 成

41、立組織 領(lǐng)域 市場容量（億美元） 世界納米結(jié)構(gòu)器件 6375納米粉體、納米復(fù)合陶瓷以及其它納米復(fù)合材料 5457納米加工技術(shù) 442納米材料的評價技術(shù) 27.2 德國在全國范圍內(nèi)建立了六大納米研究中心。形成全國納米科技研究協(xié)作網(wǎng)。建立這些中心的目的是使德國的納米技術(shù)迅速處于國際領(lǐng)先水平，同時使德國納米技術(shù)盡快被工業(yè)界所利用。這些研究中心的成立，一方面可以向社會開放，另一方面，除了協(xié)調(diào)研究與開發(fā)以外，研究中心本身還承擔(dān)著各種納米研究項目。同時，中心也培養(yǎng)納米技術(shù)方面人才，創(chuàng)造一個具有濃郁產(chǎn)業(yè)化開發(fā)氛圍的環(huán)境，此外還向企業(yè)界提供咨詢服務(wù)。 4. 投入巨資 5. 加快行動 盡管如此，德國認(rèn)為自己的科

42、技成果轉(zhuǎn)化能力與美、日存在著差距。為此，德國將重心放在了產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)展具有市場潛力的納米技術(shù)，加速推進納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。 6. 領(lǐng)先的技術(shù) 由于聯(lián)合了大學(xué)和工業(yè)界的力量，德國已在納米分析和測量技術(shù)方面占有十分重要的地位；在超薄膜的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平；在解決納米材料的分散方面居于領(lǐng)先地位。 德國納米技術(shù)研發(fā)投入（億美元） 1. 制定了計劃 1999年以來，歐盟國家都大大加強了對納米技術(shù)領(lǐng)域的爭奪。制定了一系列跨世紀(jì)的新計劃。 微電子先進研究計劃，支持納米集成電路的研究； 納米技術(shù)信息設(shè)備計劃，開發(fā)納米級設(shè)備的信息處理系統(tǒng)、器件及生產(chǎn)技術(shù)和工具。 2. 投入了巨資 2002年

43、開始的五年計劃中，歐盟為了追趕美國和日本，加大了對納米技術(shù)的經(jīng)費投入，達到11.55億美元。 歐盟共同為納米技術(shù)研究提供資金，并呈逐年增長的勢頭。從總體來看，歐盟委員會對納米技術(shù)的投入占?xì)W洲公共資助的15%。歐盟國家主要依靠歐盟委員會的財政支持。 盡管如此，美、日、歐等技術(shù)大國都明顯感受到了來自對方的競爭壓力，都力爭在納米技術(shù)所涉及到的科技領(lǐng)域盡可能的獨領(lǐng)風(fēng)騷，日本和西歐1997年在這個領(lǐng)域的支出就超過了美國，而日本、德國、歐盟都在具體的納米技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)造了各自優(yōu)勢?？梢哉f，美、日、德、歐盟在納米技術(shù)的研究方面已經(jīng)形成了爭鋒的局面。 特別值得注意的是，近年來在韓國、新加坡、中國臺灣等國家和地區(qū)政

44、府也對納米技術(shù)迅速加大了投資力度。 1 該數(shù)字為聯(lián)邦政府對國家級研究所和大學(xué)等專業(yè)單位的投入。受限于預(yù)算制度，美國沒有長期預(yù)算計劃。 國際納米科技發(fā)展態(tài)勢和特點國際納米科技發(fā)展態(tài)勢和特點 2002-2006 一、各國競相出臺納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計劃 (一) 發(fā)達國家和地區(qū)雄心勃勃 為了搶占納米科技的先機，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術(shù)計劃，其宗旨是開展納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)開發(fā)工作。 2003年11月，通過了21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案，標(biāo)志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計劃，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。 (三) 發(fā)展中大國奮力趕超

45、 中國政府在2001年7月就發(fā)布了國家納米科技發(fā)展綱要，并先后建立了國家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會、國家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專門委員會。 南非科技部正在制定一項國家納米技術(shù)戰(zhàn)略，在2005年度執(zhí)行。 印度政府也通過加大對從事材料科學(xué)研究的科研機構(gòu)和項目的支持力度，加強材料科學(xué)中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開發(fā)。 二、世界各國納米科技發(fā)展各有千秋 (一) 在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下 20002002年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領(lǐng)先于其他國家，3年累計論文數(shù)超過10 000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日 本(12.76%)、德國(11.28%)、中國(10.64%)和法國(7.89%)列在其后，它們各自的論文總數(shù)都超過了3000篇。 在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國三年累計論文總數(shù)都超過了1000篇。 (二) 申請納米技術(shù)發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭 美國專利商標(biāo)局20002002年共受理2236項關(guān)于納米技術(shù)的專利。其中最多的國家是美國(1454項)，日本(368項)和德國(118項)。60%、16.46%和5.28%列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的