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中国纳米白皮书：国之大器，始于毫末

中国物理学会期刊网 · 公众号 · 物理 · 2017-09-05 10:38

正文

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（后修改为每两年翻倍）。彼时，纳米技术还在发展的初期。由于纳米技术的进步，集成芯片和晶体管已如摩尔所预测的那样，变得越来越小，计算速度却日趋提高，尽管摩尔定律近年来正在逐渐失效。 2016年诞生了世界上首个1纳米的晶体管。该晶体管由碳纳米管和二硫化钼，而不是硅制备而成，展示了进一步缩小电子器件尺寸的潜力，使得摩尔定律至少能在一段时间里继续有效。

人们对纳米材料物理特性的深入理解推动了量子器件的发展，其应用遍及光感应、激光和晶体管，实现了更低能耗下的高速数据传输。元器件如采用了纳米级的半导体量子点，就可以感应或发射单个光子，器件在应用到加密系统中之后，就可以提升信息系统的性能和安全性。量子点或无机半导体纳米晶体的另一个应用领域是显示屏产业。由于纳米技术，电视、计算机和移动设备的显示屏就可实现超高清、节能、甚至可弯曲，并产生更加逼真的图像。人们在设计新型透明导电材料时采用了碳纳米管或银纳米线，这为开发各种使用柔性屏幕的电子设备开启了大门。

能源和环境

纳米技术可促进可替代能源的发展，提高能源使用效率，并为环境治理提供新的解决方案，因此有助于环境保护事业。在传统的能源领域，基于纳米技术的方法或新型催化剂使得石油和天然气的开采以及燃料的燃烧变得更加高效，这减少了发电厂、交通工具及其他重型设备的污染和能耗。

多年以来，科研人员通过在底层材料和结构上应用纳米工程，来提高光伏发电设备（将太阳能转化为电能）的性能并降低成本。例如，他们在这些设备里导入量子点，以吸收更多的阳光。另外，他们使用低温条件下能在低成本的衬底材料上生长的材料，如钙钛矿型金属 - 有机化合物和导电聚合物，为包括硅在内的传统光伏材料提供低成本的替代物。

除了有助于提高阳光采集效率，纳米材料还可用于废热转化，如将汽车尾气转化为有用的能量。再如，人们开发了可将二氧化碳转化为清洁燃料甲烷的纳米颗粒，以及能提高氢气制备产能的纳米光催化剂，这都提升了发展新的可再生能源的前景。

在能源存储方面，由于纳米结构的电极材料能够支持更多不同的电化学反应，因此可用来提高可充电电池的容量和性能。这不但能增加新一代电池的存储容量，还能减轻电池重量，从而提高电动汽车这类交通工具的效能和续航距离。

纳米技术还可用于水处理和污染物的清理。例如，二硫化钼（MoS2）薄膜等纳米材料能以更高效的过滤性促进盐水淡化，而多孔质的纳米材料可以像海绵一样吸收水中的重金属和浮油等有毒物质。纳米颗粒还可通过化学反应清除工业用水中的污染物。此外，纳米纤维能够吸附空气中的微小颗粒，因此可用作净化空气的滤网。

纳米技术在环境治理中的应用还包括空气、水和土壤中污染物的检测。由于其独特的化学和物理特性，纳米颗粒对化学或生物试剂的灵敏度更高，因此可用在传感器中鉴别有毒物质，这要比传统的现场测试方法更加简单快捷，甚至能在检测的同时去除污染物。

医疗和健康

可以说纳米技术最成熟的形式就是生命本身所表现出来的形式。从细胞器一直到底层的核糖体、 DNA、ATP，这些生物系统为纳米科学家提供了源源不断的灵感源泉。或者，正如合成生物学家Tom Knight曾说过的那样， “生物学就是在发挥作用的纳米技术！”正因如此，纳米技术对医疗和健康产业的影响日趋显著，并在药物输送、生物材料、造影、诊断、活性植入及其他医疗应用中得到了稳步发展。

纳米技术在生物医学方面最引人瞩目的应用或许是被称为纳米孔基因测序技术的出现。其工作原理是利用电场驱动每个 DNA单链穿过薄膜上纳米尺寸的孔，即纳米孔。当DNA单链通过纳米孔时，记录孔上产生的电流变化，从而识别出单链上的基因编码序列。该技术有望大幅降低基因测序成本并提高测序速度。

纳米技术另外一个富有前景的医学应用是药物输送。纳米技术能让药物突破化学、解剖和生理学阻碍，抵达病变组织，提高药物在病灶位置的聚集量，减小对健康组织的损害，较之传统药物具有显著优势。例如，经过精心设计的纳米药物可以经血管渗漏点渗入癌变组织，并在靶点位置积聚，从而提高癌症靶向治疗的精准度。其他的应用还包括用纳米颗粒封装诸如抗体之类的生物活性分子，以促进特定靶向的药物输送。

纳米颗粒因其尺寸微小和特殊的化学性质，在医学造影方面也有独特的应用前景。传统的荧光染色剂是用有机化合物制备的，通常寿命短，其光学性能也很难调制以适应任意的工作波长。利用无机量子点，其工作波长可根据尺寸调制，上述两个不足都能得到了克服。而且，设计起来也更加方便，可以形成在特定组织和肿瘤位置的积聚，从而实现更便捷、更准确的诊断，并提高治疗效果。

纳米科技还应用于生物组织工程。石墨烯、纳米管、二硫化钼等纳米材料可用来制造支架，帮助修复或重塑受损的组织。纳米结构支架能够模仿组织特有的微观环境，促进细胞的附着、繁殖和长成，并诱导正常细胞机能及组织生长。

伦理和安全问题

新技术就像双刃剑一样，带来利益的同时也可能带来风险。纳米技术也不例外。人们在欢呼其快速发展之际，也应小心它所带来的意料之外的环境、健康和社会影响。

当前人们最大的担忧是纳米颗粒对健康的威胁，因为纳米颗粒很容易经肺或皮肤进入人体系统。例如，人们已发现碳纳米管内的金属污染物和柴油的纳米颗粒对健康有不良影响。生产作业中暴露于纳米污染物的工人会有较高的健康风险，基于纳米技术的产品也会让消费者面临风险。纳米药物虽然前景光明，但因为尚不清楚其在人体内是否参与代谢以及如何代谢，所以也有可能带来意料之外的后果。而且，纳米药物的长期使用效果仍不明朗。

此外，纳米材料制造过程中所产生的工业排放，以及纳米产品用后的回收，也会带来污染环境的风险。纳米颗粒活性高、尺寸微小，有可能对生态系统产生不利影响，对动植物生存构成威胁。由于纳米技术会给产品生产方式带来翻天覆地的变化，分子制造即是一个例子，并让很多商品的尺寸发生改变，人们尚不清楚这会带来怎样的经济影响和社会巨变，这要求我们对该技术应用的伦理问题进行审慎的判断。

为应对这些担忧，全球许多国家都已采取行动。美国出台了“国家纳米技术计划（National Nanotechnology Initiative） ”，其主要目标之一是支持以负责任的方式发展纳米技术。此外，美国还组织了若干工作组，探讨和应对纳米技术所带来的伦理、法律和社会问题。欧盟也与美国合作，建立了一个政策制定的平台，以应对纳米技术发展过程中所产生的问题。中国自 2001 年就已投入资金研究纳米安全问题，约有 7% 的纳米技术研究预算用于有关纳米技术潜在的环境、健康及安全问题的科学研究。这些研究也将支持制定标准的方法，以量化相关的环境及健康危害，同时有助于形成监控和管制纳米污染的指导方针。

通过仔细考量其潜在的风险，人们将能有效驾驭纳米技术，让我们的生活和环境变得更加美好。

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纳米科学的里程碑事件

1856: 观察到纳米粒子

Michael Faraday发现制备的金溶胶中颗粒的大小不同，就会呈现出不同颜色的丁达尔散射。

1928: 近场光学显微镜

Edward Hutchinson Synge提出以近场扫描光学显微镜获得超越衍射极限的图像。

1931: 电子显微镜

Ernst Ruska和Max Knoll展示了第一台电子显微镜。

1935: 单分子薄膜

Irving Langmuir和Katharine Blodgett发明了制备单层分子薄膜的技术。

1946: 分子自组装

Zisman、Bigelow和Pickett报告了有序单分子层在表面上的自组装。

1959: （微观）之下还有充足的空间

Richard Feynman在加州理工学院举办的美国物理学会会议上发表题为《（微观）底下还有充足的空间》的演讲，推测在原子级别上操控物质的可能性。

1968: 分子束外延

John Arthur Jr和Albert Cho研发出用于制备高质量单晶薄膜的分子束外延。

1974: “纳米技术”一词诞生

谷口纪男创造“纳米技术”一词。

1974: 表面增强拉曼光谱

Martin Fleischmann、Patrick Hendra和James McQuillan报告了拉曼散射的异常增强，随后Richard van Duyne和Alan Creighton将这种现象解释为纳米级金属结构形成的场增强所造成的。

1974: 分子电子学

Mark Ratner和Arieh Aviram提出分子二极管的想法。

1976: 原子层沉积

Tuomo Suntola发明原子层外延薄膜制备技术。

1980: 观察到自然形成的量子点

Alexei Ekimov和Alexander Efros报告了纳米晶体量子点的存在及其光学特性。

1981: 扫描隧道显微镜

Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明扫描隧道显微镜。

1982: DNA纳米技术

Nadrian Seeman提出DNA纳米技术的概念。

1983: 半导体量子点的生长

Louis Brus报告了胶体半导体量子点的合成。

1985: 发现富勒烯

Harold Kroto、Sean O’Brien、Robert Curl和Richard Smalley发现了C60富勒烯分子。

1986: 原子力显微镜

Gerd Binnig、Calvin Quate和Christoph Gerber发明了原子力显微镜。

1988: 巨磁电阻

Albert Fert和Peter Grünberg在多层膜中发现了巨磁电阻。

1990: 原子尺度的操控

Don Eigler和Erhard Schweizer使用扫描电子显微镜操控镍表面上的单个氙原子，写出字母“IBM”。

1991: 碳纳米管

饭岛澄男报告了碳纳米管的生长。一年之后，Millie Dresselhaus及同事提出一种可以准确预测金属与半导体纳米管比例的理论。

1992: 分子筛

Charles Kresge发明了介孔分子筛材料MCM-41和MCM-48。

1993: 量子围栏

Michael Crommie、Christopher Lutz和Don Eigler报告铁原子在铜表面形成的量子围栏囚禁了电子。

1994: 受激发射损耗显微技术

Stefan Hell和Jan Wichmann提出受激发射损耗显微术，打破了光学成像的衍射极限。

1994: 双稳态分子梭

Fraser Stoddart演示了一个可通过化学方法切换的双稳态分子梭。

1994: 模板纳米线

Martin Moskovits使用多孔阳极氧化铝作为模板，制备有序纳米线阵列。

1996: 纳米孔基因测序

John Kasianowicz、Eric Brandin、Daniel Branton和David Deamer将一个DNA单链穿过脂质双层膜内的纳米孔。

1997: 球差校正扫描隧道显微镜

Ondrej Krivanek校正了扫描隧道电镜的球差。

1998: 光异常透射

Ebbesen、Lezec、Ghaemi、Thio和Wolff观察到了金属薄膜上的亚波长孔阵的光异常透射现象。

1998: 电子墨水

Comiskey、Albert、Yoshizawa和Jacobson发明了电子墨水。

1998: 晶态纳米线

Charles Lieber、Lars Samuelsson和Kenji Hiruma独立开发出制备晶态半导体纳米线的技术。

1999: 分子马达

Ben Feringa和Ross Kelly分别报告了光驱分子马达和化学驱动分子马达。

2001: 纳米线激光器

杨培东展示了室温纳米线激光器。

2004: 石墨烯的分离

Andre Geim和Konstantin Novoselov发明了一种剥离单层石墨烯的技术。

2006: DNA折纸术

Paul Rothemund展示了一种将DNA单链折叠成复杂的二维形状的方法。

2013: 人造核糖体

David Leigh创造了一个相当于人工核糖体的分子机器，可将氨基酸按特定顺序连接起来。

不断崛起的中国纳米科研

过去二十年，中国的科研产出实现了人类有史以来前所未有的增长速度，这已不是什么秘密。1997年，中国的科研人员参与撰写的科研论文约占科学引文索引（简称 SCI，现由科睿唯安编制）期刊全球所发表的论文数量的2%。目前，中国几乎贡献了全球四分之一的原创论文。其中，最能突出展现这一发展趋势的研究领域几乎非纳米科学与技术莫属了。

为了更好地理解中国纳米科研的兴起，我们将分别从原创科研论文数量、自然科研最新推出的 Nano 数据库收录的科研贡献，以及专利产出情况这几个方面，将中国与世界其他主要科研国家的科研产出进行对比。

过去二十年的论文产出

为了开启这个有关中国纳米研究状况的调查，我们根据 SCI 的扩展数据库，使用与‘纳米科学与技术’相关的关键词进行检索，由此获得全球主要科研强国逐年的论文发表数量。计入的这些论文主题涵盖了诸如‘纳米管’、‘量子点’、‘原子力显微镜’等专业词（详细的研究方法见附录 1）。

1997 年，全球共发表了约 1.3 万篇与纳米科学相关的论文。到2016年，已增至15.4万篇，复合年均增长率达 14%，高于所有领域平均3.7%的论文复合年均增长率，几乎是其四倍。同期，中国纳米