1、Reporter:Qiang ZhangTime:2010-06-21Tutor:Su Chen材料化学工程国家重点实验室材料化学工程国家重点实验室State Key Laboratory ofMaterials-Oriented Chemical Engineering Nanjing University of Technology 40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作的题为底部还有很大空间的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源。纳米科技的基本思想是在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构。纳米结构材料首次合成纳米结构材料首次合成1 9 8 4 年，德 国 萨 尔 大 学 的G
2、leiter教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模纳米材料界面结构模型型，制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd,Fe,Cu等块状材料。随后发现TiO2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。一、纳米材料的研究和发展历程一、纳米材料的研究和发展历程A 1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在时代周刊上，被称为当年最了不起的公司广告，轰动全球。从此开创了一个崭新的纳米世界。每
3、个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近 Xe原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。1991年元旦前夕，日本日立电年元旦前夕，日本日立电子公司向公众展示了一个原子子公司向公众展示了一个原子大小的新年祝词大小的新年祝词“peace91”（和平（和平91）。每个字母的高度）。每个字母的高度均小于均小于1.5纳米，它是把硫原子纳米，它是把硫原子一个一个地从二硫化钼晶体上一个一个地从二硫化钼晶体上轰击出来写成的。美国商业机轰击出来写成的。美国商业机器公司的
4、器公司的“IBM”是在是在-263下下拼出的，而日立公司的祝词则拼出的，而日立公司的祝词则是在是在室温下室温下完成的。该成就表完成的。该成就表明，明，纳米技术从此步入了实用纳米技术从此步入了实用阶段阶段。1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了（线宽2 nm）硅原子的“毛泽东”。在石墨表面刻出线宽10 nm的“中国”字符。汉字的大小只有几个纳米白春礼院士白春礼院士1988年年4月月12日，日，中国第一台计算机中国第一台计算机控制的控制的STM研制成功。研制成功。纳米科技的发展大致可以划分为纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段：个
5、阶段：第一阶段第一阶段(1990年以前年以前)主要是在实验室探索主要是在实验室探索 用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。第二阶段第二阶段(1994年前年前)人们关注的热点是根据人们关注的热点是根据奇特奇特物理、化学和力学性能，物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料：设计纳米复合材料：纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，复合纳米薄膜(0-2复合)。第三阶段第三阶段(从从1994年到现在年到现在)纳米组装研究。纳米组装研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构
6、的体系的研究。小结：小结：光电材料环境和能源生物医学航天和航空军事FROM:www.nanoforum.org碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。据预测，到2010年，就可以生产出氢气汽车，只需携带1.5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。光电材料光电材料 一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有许多的沟槽，这张片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。CPUSRAM静态随即存储器 肉眼看激光唱片(Compact Disk,CD)，表面十分光滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和
7、突起。上图：Millipede-第一个应用于数据存储的纳米技术下图：Millipede存储芯片的实验室原型。英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计芯片厂商英特尔正指望用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线。这种转变总有一天会消除芯片厂商面临的一些大问题。芯片连线已经成为半导体厂商面临的一个头疼的问题。根据摩尔定律，芯片厂商每两年就要缩小一次半导体芯片内部的元件。然而，缩小连线会增加电阻，降低芯片的性能。芯片厂商在90年代从把连线从铝线转变为铜线从而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的缩小，这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇到的大问题。碳纳米管导电性比金属要
8、好，有可能成为替代金属连线的解决方案。2008年2月1日亚利桑那州立大学David K.Ferry提出利用纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高计算机的运行速度。利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magnetoresistance)和很大的隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存
9、贮密度可达400Gbin-2。碳纳米管场发射显示器 含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。在化工领域中的应用在化工领域中的应用特种半导体纳米材料使海水淡化；纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染整废水，降解石油 利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体
10、系中只需含纳米二氧化钛0.51%，即可充分屏蔽紫外线。目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。纳米服装它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气。血液形态图血液形态图 在生物医学领域的应用在生物医学领域的应用诺贝尔奖得主斯莫利的预言；美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米
11、药包的微型芯片；在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时，DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞；瑞典科学家制作的微型医用机器人，可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠。用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动，培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀，甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位；果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性，右侧为雄性 成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离。用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施
12、特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。小型摄像机小型摄像机：用于检测消化系统疾病。：用于检测消化系统疾病。Molecular-scale machines could one day have medical applications such as removing cancerous cells.Nature 451,770-771(14 February 2008)|“纳米机器人”的研制是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体 可注入人体血管内，
13、进行健康检查和疾病治疗。还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，把正常的安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人（清洁工），专门负责清扫血管壁上的胆固醇、凝血等沉积物，以预防脑血栓等心血管病；同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人。纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用进行危险的开颅、开
14、胸手术。吸波：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。第一届纳米科学技术会议第一届纳米科学技术会议1990年7月，在美国巴尔德摩召开了国际第一届纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。Nanostructured Materials,Nanobiology,Nanotechnology1992年9月，在墨西哥CauCan城召开了第一届纳米结构材料会议。张志焜和崔作林参加8
15、0年代以来，各国已投入大量人力，物力开展纳米超微粒的研究，如美国、日本。三、各国纳米技术发展现状三、各国纳米技术发展现状1 美国的纳米科技美国的纳米科技美国发展纳米科技的历史回顾美国发展纳米科技的历史回顾1991年，美国正式将纳米技术列入年，美国正式将纳米技术列入“国家国家22项关键技术项关键技术”和和“2005年的战略技术年的战略技术”1997年，美国国防部将纳米技术提高到战略研究领域的高度年，美国国防部将纳米技术提高到战略研究领域的高度1996-1998年年，纳米技术发展情况调查研究，纳米技术发展情况调查研究 2000年年2月，月，“国家纳米技术计划国家纳米技术计划”(NNI)微米科技纳米
16、科技占中心地位，发挥革命的作用美国总统科学顾美国总统科学顾问委员会由此认问委员会由此认为：纳米技术是为：纳米技术是自二战以来美国自二战以来美国将要经历的第一将要经历的第一场不具备绝对领场不具备绝对领先优势的具有重先优势的具有重要经济意义的科要经济意义的科技革命，如果美技革命，如果美国要在国要在21世纪继世纪继续保持其经济上续保持其经济上的领导地位和保的领导地位和保证其国家安全，证其国家安全，则需要在未来的则需要在未来的10至至20年中显著年中显著地、稳定地增加地、稳定地增加对纳米科技研究对纳米科技研究开发的投入。开发的投入。2000年年8月，美国国家科学技术委员会专门成立了月，美国国家科学技术
17、委员会专门成立了“纳米科学、工程与技术分会（纳米科学、工程与技术分会（NSET）”我们的某些目标可能需要花费20年或者更长时间才能达到，这也正是联邦政府在其中处于重要角色的原因所在。-美国前总统克林顿 美国联邦政府目前正努力在纳米科技长期和高风险投资中发挥作用，将政府对纳米科技的投资重点放在刺激合作和支持基础科学方面，帮助建立未来十年所需的纳米技术基础设施和研究支持，培养为未来纳米产业发展所需的人才储备，鼓励跨学科的网络与合作，确保信息的传播，鼓励新兴公司开发纳米技术。纳米科技研发投入策略（联邦政府、国会高官）：目前纳米技术研发的投入应以联邦政府为主以联邦政府为主，并且在相当长的一个时期内，联
18、邦政府需要保持其投入的稳定性。资料来源：Small Wonders,Endless Frontiers:A Review of the National Nanotechnology Initiative部部 门门1999年年2000年年2001年年 2002年（估计值）年（估计值）2003年（预算值）年（预算值）国家科学基金会国家科学基金会8597150199221国防部国防部7070123180201能源部能源部58588891139国家航空航天局国家航空航天局55224651商务部商务部168333844国家健康研究所国家健康研究所2132404143司法部司法部11.41.4环保署环保
19、署555农业部农业部21.52.5交通部交通部22总计总计255270464604.9709.9（1 1）长期、基础性的纳米科学和工程研究。这一发展主题旨在长）长期、基础性的纳米科学和工程研究。这一发展主题旨在长期扶持从事基础性、创新性研究的单个研究人员和小型组织，并期扶持从事基础性、创新性研究的单个研究人员和小型组织，并促进促进大学大学产业界产业界联邦实验室和各机构间的合作伙伴关系联邦实验室和各机构间的合作伙伴关系（2 2）重大挑战。这一发展主题瞄准了）重大挑战。这一发展主题瞄准了纳米科技的应用开发纳米科技的应用开发。美国。美国确定了总计确定了总计十二项重大的挑战十二项重大的挑战，这些挑战将
20、奠定美国纳米科技发，这些挑战将奠定美国纳米科技发展的基础，诸如：展的基础，诸如：纳米级微电子产品的低成本制造方法；更有效纳米级微电子产品的低成本制造方法；更有效的能源储存装置；运用于保健和生化恐怖威胁的生物传感器的能源储存装置；运用于保健和生化恐怖威胁的生物传感器等。等。（3 3）优秀的中心和网络。这一发展主题是）优秀的中心和网络。这一发展主题是促进研究的网络化和共促进研究的网络化和共用学术界用户设施用学术界用户设施。优秀中心和网络的建立被认为是实施。优秀中心和网络的建立被认为是实施NNINNI计划计划的关键，它们将有力促进纳米科技在不同学科间的融合的关键，它们将有力促进纳米科技在不同学科间的
21、融合（4 4）研究基础设施。这一发展主题的）研究基础设施。这一发展主题的目标是建立一套能使新发明目标是建立一套能使新发明和新发现被产业界快速商业化的灵活、实用的基础设施。和新发现被产业界快速商业化的灵活、实用的基础设施。投资重投资重点主要在于度量衡、检测仪器、建模和仿真以及用户设施等方面。点主要在于度量衡、检测仪器、建模和仿真以及用户设施等方面。将建立拥有新的测试设备的研究中心，并保证各研究机构都可以将建立拥有新的测试设备的研究中心，并保证各研究机构都可以利用这些测试设备利用这些测试设备（5 5）道德、法律、社会影响及劳动力教育和培训。这一发展主题）道德、法律、社会影响及劳动力教育和培训。这一
22、发展主题主要主要在于培养纳米技术所需的新一代跨学科技术人才在于培养纳米技术所需的新一代跨学科技术人才。同时对纳。同时对纳米技术在法律、道德、社会、经济和劳动力准备等方面对社会所米技术在法律、道德、社会、经济和劳动力准备等方面对社会所产生的影响加以研究产生的影响加以研究。年份年份基础基础研究研究重大重大挑战挑战优秀的优秀的中心和中心和网络网络研究研究基础基础设施设施道德、法律道德、法律和社会影响和社会影响及劳动力及劳动力总计总计2000877147501527020011441497876174642002201180969730604200323220411912035710资料来源：Nati
23、onal Nanotechnology Initiative:The Initiative and Its Implementation Plan 和Small Wonders,Endless Frontiers:A Review of the National Nanotechnology Initiative两个报告中相关数据汇总纳米科技的一个最显著的特点是它的跨学科特性，它涉及到化学、纳米科技的一个最显著的特点是它的跨学科特性，它涉及到化学、物理、生物学、分子生物学、工程和材料科学等众多学科。不过物理、生物学、分子生物学、工程和材料科学等众多学科。不过,在在今年今年6 6月份发布的月份发
24、布的Small Wonders,Endless Frontiers:A Review Small Wonders,Endless Frontiers:A Review of the National Nanotechnology Initiativeof the National Nanotechnology Initiative报告中报告中,特别指出：特别指出：纳米研发的重点领域是考虑到纳米科学发展的需要，而不仅仅严格局纳米研发的重点领域是考虑到纳米科学发展的需要，而不仅仅严格局限于纳米范围，因为很明显，微技术对于纳米科学的发展是非常重要限于纳米范围，因为很明显，微技术对于纳米科学的发展是非
25、常重要的。的。在基础研究方面，目前美国正在进行的研究重点领域包括：（在基础研究方面，目前美国正在进行的研究重点领域包括：（1 1）纳）纳米生物系统；（米生物系统；（2 2）纳米结构与量子控制；（）纳米结构与量子控制；（3 3）纳米元器件与系统结）纳米元器件与系统结构；（构；（4 4）纳米过程与环境；（）纳米过程与环境；（5 5）多现象模型与模拟。）多现象模型与模拟。在应用研究和产品开发方面，目前美国正在进行的研究重点领域包括：在应用研究和产品开发方面，目前美国正在进行的研究重点领域包括：（1 1）纳米结构材料的设计；（）纳米结构材料的设计；（2 2）纳米电子、光电子与磁性材料；）纳米电子、光电
26、子与磁性材料；（3 3）用于保健、治疗和诊断的纳米技术和装置；（）用于保健、治疗和诊断的纳米技术和装置；（4 4）纳米过程与环）纳米过程与环境改良；（境改良；（5 5）高效能源转化与储存；（）高效能源转化与储存；（6 6）微型航天飞机与太空探测；）微型航天飞机与太空探测；（7 7）用于监测传染性疾病和生物威胁的生物传感器装置；（）用于监测传染性疾病和生物威胁的生物传感器装置；（8 8）纳米）纳米技术与经济、安全的交通；（技术与经济、安全的交通；（9 9）纳米技术与国家安全）纳米技术与国家安全。美国纳米技术的应用研究目前正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等四大热点领域快速发展，其
27、中在芯片和癌症诊断领域的应用可望在年内出现划时代的突破。2.1 日本纳米科技发展回顾日本纳米科技发展回顾2.2 日本政府在推动纳米科技发展中的重日本政府在推动纳米科技发展中的重要作用要作用 2.3 日本企业界在纳米科技方面的作为日本企业界在纳米科技方面的作为 2.4 日本未来纳米科技的发展动向日本未来纳米科技的发展动向 1981年，日本科学技术厅（现改为文部科学省）就推出了年，日本科学技术厅（现改为文部科学省）就推出了“先进技术的探索研究计划先进技术的探索研究计划”（Exploratory Research for Advanced Technology,ERATO）每年启动4个ERATO基础
28、研究项目，每个项目实施5年，研究内容绝大部分是纳米技术的前沿课题，如纳米电子学、纳米材料学、纳米分子学、纳米加工和纳米结构等研究领域的课题。19911991年开始，日本通产省年开始，日本通产省 （2001.1.62001.1.6更名为经济产业省）更名为经济产业省）先后实施了数个有关纳米技术的大型先后实施了数个有关纳米技术的大型1010年研究计划年研究计划 原子技术研究计划原子技术研究计划（1991-2001，1.85亿美元）亿美元）,量子功能器件研究计划量子功能器件研究计划（1991-2001，4千万美元千万美元)原子分子极限操纵研究计划原子分子极限操纵研究计划(1992-2002，250亿日
29、元亿日元)1992年，国家先进跨学科研究所（年，国家先进跨学科研究所（NAIR）和）和日本及美国的日本及美国的20余家大型企业余家大型企业联合成立联合成立“原子技术联合研究中心原子技术联合研究中心”(JRCAT）20012001年实施了年实施了材料纳米技术材料纳米技术7 7年计划年计划 20022002年建立国家级纳米技术研究所年建立国家级纳米技术研究所,10,10个纳米技术研究中心个纳米技术研究中心 1.制定计划(1)由于日本纳米技术研究起步早，目前在许多方面处于世界领先的地位;(2)日本政府在新的“科技基本计划”中把纳米技术作为今后5年科技发展的战略重点之一;(3)2001年实施了材料纳米
30、技术7年计划;(4)实施“纳米技术综合支援计划”，该计划旨在最大限度地发挥各科研机构的潜在能力。主要内容是，搜集和提供信息、促进交流、组织联合攻关、建设特殊研究设施等措施，向有关科研机构提供各种支援活动，推动纳米技术研发。2.成立组织 2002年建立了国家级纳米技术研究所；并建立了10个纳米技术研究中心。3.投入巨资 资料来源：日本科学技术政策委员会（CSTP）日本企业界是发展纳米技术的主力军。80家大企业中，有大约40设置了专门机构，已经或者即将着手发展纳米科技。（1）集中科研力量加强纳米技术开发。日立集团设立了“纳米技术管理推进中心”,由日立制作所、日立化成、日立金属、日立电线、日立超LS
31、I系统组成，集中各家技术优势，共同攻克各产业领域相关的纳米技术难关；东丽公司投资50亿日元建立专门的纳米技术研究所。（2）建立专门从事纳米技术研究或专门生产纳米材料的分厂、分公司。三菱集团建立了专门批量生产巴基球的分厂；富士通公司设立了纳米技术研究中心。（3）企业开始和大学、科研院所广泛合作研究开发纳米技术。日本昭和电工公司+产业技术综合研究所；富士通公司+德国慕尼黑工科大学等4家科研机构；松下电器产业+武田药品工业+京都大学+大阪大学；三菱化学公司也与京都大学等。日本政府负责制定科技政策的综合科学技术会议在2001年召开的“推进重点领域战略专家调查会”上，确定了未来日本纳米技术发展的重点方向
32、。1.确定的纳米技术重点领域：应用纳米技术制成的信息通信元件，具有环境适应性的高增值材料和微量影响环境因素的管理技术，对体内病灶进行诊断和治疗的微小系统，仿生材料，观察各种生物现象及应用生物机制的纳米生物技术，纳米级的测量、评估及加工等基础技术，具有新的物理性能的材料。2.引进竞争机制，促进不同学科的相互融合和人员交流，加速科研成果产业化的进程，加强政府、大学和企业之间的联合攻关，培养和确保人才。天安门广场飘扬的纳米国旗（2002.10.1）京工红旗厂中商纳米公司 成本增加20%3.1 国内纳米科技发展进展3.2 存在问题国家纳米技术产业化基地于国家纳米技术产业化基地于2000年年12月月6日
33、正式日正式批准成立，坐落在天津经济技术开发区，占地批准成立，坐落在天津经济技术开发区，占地2平方公里。平方公里。中国科学技术部2003.8.26组织召开国家纳米科技工作会议，并具体提出2010年中国纳米科技发展的三大目标：1 纳米科学前沿领域，要以纳米电子学、纳米尺度的加工及组装技术、纳米生物和医学、纳米材料学等前沿理论和方法为重点，建立、完善国际先进的国家纳米科技发展公用平台和重点实验室系统，加强纳米科技信息网络和科研开发网络建设，构筑国家纳米科技创新体系。2 纳米技术开发及其应用方面，要在纳米材料的制备、纳米器件制造工艺及装备、微型计算机和信息系统、环境和能源、医疗与卫生、生物和农业、航天
34、和航空以及国防建设领域，攻克一批重大关键技术，取得一批对未来产业有重大影响的知识产权，为纳米科技成果的应用与产业化奠定技术基础。3 形成纳米科技骨干队伍方面，吸引多学科专家参与纳米科技的研究与开发，培养和引进懂科技、懂经营、懂管理的复合型人才，为纳米科技的产业化提供力量。政府重视 我国已经将发展纳米技术载入十五届五中全会的报告 列入十五规划 列入“863”、“973”计划。科研投入 我国对纳米科技的资金投入虽呈逐年上升的趋势。但因基数太小，根本不能和美、日、欧盟等技术大国相比。主要研发力量 我国纳米技术研发力量表面相对集中，实际上仍很分散，难以形成规模优势。研发力量主要集中在高等院校和科研院所
35、。企业介入纳米技术的研发领域占5%，力量薄弱且层次不高。80%的研发力量集中于金属和无机物非金属纳米材料，高分子和化学合成材料等方面。但在较低层次的纳米材料领域，就集中了一半以上的研发力量，在纳米核心技术纳米电子、纳米机械、纳米生物、医药、纳米检测等重要领域，力量薄弱。科研成果 尽管我国对纳米技术研究投入严重不足，但在过去10年中我国科学家还是取得了非凡的成绩。在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文2400篇，其中多篇发表在自然和科学等世界顶级学术杂志上。技术人才 国内有50多所高等学校、科研院所、名纳米科研人员。产业化状况 据调查，全国共有纳米企业323家，其中以“纳米”注册的
36、企业共57家。但大多数企业尚处初创期，技术尚不成熟，处在微利或亏损的状态。空有计划 虚有组织 虽然有关部门制定了我国纳米技术发展的十年规划，并成立了国家纳米技术指导小组，但因种种原因使我国纳米技术发展几乎空有计划、虚有组织，发挥不了应有的强大作用。科研投入严重不足，迄今为止，尚无有关纳米技术的国家预算规划出台。项目重复投资 由于我国传统的科研体制和社会分工的不合理，造成在科研经费严重不足的情况下，有相当一部分科研项目属于重复投资。例如纳米隐身涂料，需求的领 域专业性很强，但全国就有40多家科研单位在搞。根本原因在于：传统科研体制的条块分割；后计划经济的弊端，信息不对称；尚未形成跨学科、跨领域的
37、联合研发体制 传统的科研体制和教育体制决定了科研工作往往表现为各自为战，单打独斗，不能形成科研领域的强强联合。而纳米技术的跨学科、跨领域等特点恰恰要 求建立联合研发体制，这严重制约了纳米技术的进一步发展。没有纳米技术权威检测机构 造成市场上狂炒“纳米”热的主要原因，就是国家没有建立一个权威的纳米技术及材料的检测机构。不能对纳米技术及其产品进行检测、鉴别，客观真实 地评价纳米技术对新产品、新材料所带来的性能等方面根本性的提升和改变。缺乏专业人才尽管我国有4500多人的纳米技术研究队伍，但以传统分门别类的教育体制培养的“专业人才”，不适合也远远不适应纳米技术发展需要；据初步测算，为推动我国纳米技术
38、的发展，近期就至少需要1万名复合型的纳米科研人员，而目前我国从事纳米技术研究的科研人员大都是从其它领域转到或延伸到纳米领域的，在知识结构和知识面上存在着一定缺陷，人才缺口非常明显，但每年还有大量的人才流失。原创性成果少文章数量多，高档次少，专利少；已经转化的技术中，还有很多是不成熟的。这不仅造成了企业的损失，而且也给纳米技术的发展造成了严重的影响。我国与世界各技术大国在纳米技术上的差距不仅仅在技术本身，更重要的是机制和体制上以及政府部门的支持力度上。因此，政府有必要支持建立一个强大的、跨学科的、开放的、流动的、市场化的、综合的研发平台，推动研发工作在联合中竞争，在竞争中联合，并以此作为研究机构
39、与企业之间的纽带。4.1 英国1.成立组织 为促进大学、产业界和国家纳米技术发展，英国政府早在1997年就建立了英国纳米技术研究院，主要负责：组织国内各研发机构共同从事纳米技术研发；提供教育及培训；为企业提供可供产业化的纳米技术；组织英国与其他国家的在纳米技术领域的联合攻关。最近英国与韩国共同签署了在纳米技术方面的合作协议，该协议涉及八个方面，组织了英国和韩国的多家大学和科研机构共同完成。2.制定计划 英国1998年创立纳米技术联系计划（LINK）。3.投入巨资 除了LINK计划每年的资助外，政府投入逐年增加：（亿美元）1999年2000年2001年0.310.353.81.德国科学技术部曾经
40、对纳米技术未来市场潜力作过预测：他们认为到2010年，并预测市场的突破口在信息、通讯、环境和医药等领域。2.制定计划 德国纳米技术的开发研究和产业化发展一直得到德国政府的大力资助。1991年2000年实施BMBF计划，从事微纳系统的研发。3.成立组织 领域 市场容量（亿美元）世界纳米结构器件 6375纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料 5457纳米加工技术 442纳米材料的评价技术 27.2 德国在全国范围内建立了六大纳米研究中心。形成全国纳米科技研究协作网。建立这些中心的目的是使德国的纳米技术迅速处于国际领先水平，同时使德国纳米技术尽快被工业界所利用。这些研究中心的成立，一方面可以向
41、社会开放，另一方面，除了协调研究与开发以外，研究中心本身还承担着各种纳米研究项目。同时，中心也培养纳米技术方面人才，创造一个具有浓郁产业化开发氛围的环境，此外还向企业界提供咨询服务。4.投入巨资 5.加快行动 尽管如此，德国认为自己的科技成果转化能力与美、日存在着差距。为此，德国将重心放在了产、学、研联合攻关，发展具有市场潜力的纳米技术，加速推进纳米技术产业化发展。6.领先的技术 由于联合了大学和工业界的力量，德国已在纳米分析和测量技术方面占有十分重要的地位；在超薄膜的基础研究领域处于世界领先水平；在解决纳米材料的分散方面居于领先地位。德国纳米技术研发投入（亿美元）1.制定了计划 1999年以
42、来，欧盟国家都大大加强了对纳米技术领域的争夺。制定了一系列跨世纪的新计划。微电子先进研究计划，支持纳米集成电路的研究；纳米技术信息设备计划，开发纳米级设备的信息处理系统、器件及生产技术和工具。2.投入了巨资 2002年开始的五年计划中，欧盟为了追赶美国和日本，加大了对纳米技术的经费投入，达到11.55亿美元。欧盟共同为纳米技术研究提供资金，并呈逐年增长的势头。从总体来看，欧盟委员会对纳米技术的投入占欧洲公共资助的15%。欧盟国家主要依靠欧盟委员会的财政支持。尽管如此，美、日、欧等技术大国都明显感受到了来自对方的竞争压力，都力争在纳米技术所涉及到的科技领域尽可能的独领风骚，日本和西欧1997年在
43、这个领域的支出就超过了美国，而日本、德国、欧盟都在具体的纳米技术领域创造了各自优势。可以说，美、日、德、欧盟在纳米技术的研究方面已经形成了争锋的局面。特别值得注意的是，近年来在韩国、新加坡、中国台湾等国家和地区政府也对纳米技术迅速加大了投资力度。1 该数字为联邦政府对国家级研究所和大学等专业单位的投入。受限于预算制度，美国没有长期预算计划。国际纳米科技发展态势和特点国际纳米科技发展态势和特点 2002-2006 一、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划(一)发达国家和地区雄心勃勃 为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划，其宗旨是开展纳米尺度的科学、工程和技术开
44、发工作。2003年11月，通过了21世纪纳米技术研究开发法案，标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。(三)发展中大国奋力赶超中国政府在2001年7月就发布了国家纳米科技发展纲要，并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。二、世界各国纳米科技发展各有千秋(一)在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下 200020
45、02年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10 000篇，几乎占全部论文产出的30%。日 本(12.76%)、德国(11.28%)、中国(10.64%)和法国(7.89%)列在其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国三年累计论文总数都超过了1000篇。(二)申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头美国专利商标局20002002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国(1454项)，日本(368项)和德国(118项)。60%、16.46%和5.28%列在第二位和第三位。英国、韩
46、国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。专利反映了研究成果实用化的能力。在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日 本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。(三)就整体而言纳米科技大国各有所长 美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种
47、癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项癌症纳米技术计划，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来510年有望商业化。虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望
48、突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术未来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日 本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构
49、套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。在制造方法上，日 本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1/10，两三年内即可进入批量生产阶段。日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材
50、料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段。欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器
