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王琛,是国家纳米科学中心主任。
纳米科学及其相关技术对大众而言是一个相当年轻的学科。科学家们1980年代才开始逐步建立纳米科学严格的公理化体系,但与许多其他科学领域的发展轨迹一样,人们在多年前就有意无意地接触到与纳米结构相关的技术了。事实上,纳米技术在某种意义上可以称为“经典”技术,例如在我国古代的冶金技术和陶瓷技术中就可见到纳米结构和效应。纳米科学和技术是在继承传统科学思想和生产方式的基础上产生的,不是无本之木,无源之水,其发展和进步是必然的,也是值得期待的。
从科学角度,“纳米”一词具有两层涵义,一是度量单位,即微米的千分之一;另一层则是指纳米科学及相关技术,其核心科学问题主要是纳米尺度下的物理、化学和生物现象。纳米科学和纳米技术诠释了在这一精细尺度上的基础科学研究以及高技术能力。纳米科学是对物质结构和性质进行调控和观察的重要环节,通过深入了解纳米尺度下材料的生长、组装、演变等基本过程,形成以原子、分子为起点的纳米材料的研究、纳米结构的设计和制备,以及令人兴奋的新功能的发现,从而促进纳米技术在通讯、能源、制造、健康和环境等领域的应用。
经过20多年的广泛探索,纳米科学的研究取得了许多重要进展。1982年以来,由Binnig等人发明的扫描探针显微镜是国际上纳米表征和检测技术中最具代表性的成果,这一工作在1986年被授予诺贝尔物理学奖。1984年Gleiter首次采用纳米粒子制备出纳米块体材料,观察并提出了纳米晶界面结构模型;1983年Brus率先开展了量子点的制备及性质研究,发现了纳米尺度颗粒中的量子效应;1991年Iijima首次用高分辨电镜观察到碳纳米管结构这些纳米科学领域的重大研究成果,推动了低维纳米材料制备、性能及其应用的研究。
在相关纳米技术的研发方面也出现了许多重要成果,如获得2007年诺贝尔物理学奖的巨磁阻效应研究中的纳米薄膜效应。近年来我国研究人员也多有成就,如基于碳纳米管的多用途纳米材料和器件,高强度、疲劳寿命且耐磨损和腐蚀的纳米化金属,高密度磁存储纳米材料和结构,成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器,以及高能量转化效率的纳米结构太阳能电池等。
纳米科技是多学科交叉融合形成的前沿领域,其发展将深刻影响现代科技的发展,已成为世界高新技术战略竞争的前沿。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并广泛应用这些技术的国家,在经济和国防安全方面将处于有利地位。近年来,很多国家均加大对纳米科技的投资力度和制定相应的纳米科技研究计划,2005年以来,主要发达国家对纳米科技研究的安排在重视基础研究的同时,都突出了以满足国家重大需求为目标的基础及应用研究,希望以纳米科技的研究成果为依托,在未来的20—30年内产生新技术和催生新产业的诞生。经济发达国家希望通过纳米研究整合其基础研究、应用研究和产业化开发,引领下一次产业革命,而对后发国家来说,它也提供了在技术上获得跨越发展的机遇。
中国作为参与推动纳米科技全球性发展的主要国家之一,国家自然科学基金委、科技部、中科院、教育部等国家机构的投入为我国纳米科技研究提供了主要动力。从1980年代末起的“八五”期间,“纳米材料科学”就被列入国家攀登项目。1996年以后,地方政府和部分企业纷纷介入,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新局面。2001年,科技部、国家计委、教育部、中科院和基金委等单位成立了“全国纳米科技指导协调委员会”,并联合下发《国家纳米科技发展纲要》。根据美国科学引文数据库的统计,1998—2007年期间我国纳米科技论文数量和总被引频次位于世界前列。
在纳米技术开发与产业化的衔接方面,中国也不断取得重要进展,如2009年,系列纳米催化剂的研制成功使我国建成了国际上首套具有自主知识产权的以煤为原料生产乙二醇的万吨级大化工装置,该技术的推广应用将有效缓解我国乙二醇产品供需矛盾;基于纳米技术的制版路线为环境友好的直接印刷提供了广阔前景;新型电力防污闪纳米复合室温硫化硅橡 胶材料的研制成功,也为缓解电力设备安全中的污闪问题提供了可能。
诺贝尔物理学奖获得者罗雷尔博士曾指出:“150年前,微米成为新的精度标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和使用它的国家。”实事求是地讲,纳米技术目前尚未像微米技术一样广泛走进公众生活,也还没有支撑起一个或多个重要产业,但是它已经在如纳米复合材料、纳米催化材料、新型药物制剂、环境治理材料等许多应用领域表现出了非常出色的前景。
从历史上许多重要科学技术领域的发展进程来看,从最初发现和发明到广泛应用需要经过数十年乃至上百年的不懈探索。在纳米科技的发展过程中人们不断给出各种预期,甚至给出了各种时间表。比如1980年代IT产业曾预期2010年纳米技术会有重大产业突破,而根据纳米技术进展的实际情况这项目标已被修正。尽管纳米科技的发展道路上会有许多挑战和困难(哪一项重大科学研究、重大发明又不是如此呢?),我个人仍然乐观地认为纳米技术未来将对重要的工业技术(包括IT技术)产生深远而重大的影响,造福人类社会。
展望未来,全球纳米科技的发展会呈现出以下趋势:一是纳米科技的投入逐步由主要集中在基础研究向基础研究、应用研究及产业化并举转变;二是由单一学科向多学科交叉和融合的方向发展;三是由独立工作向集成化和国际化方向发展;四是更加重视关键装备的研发;五是以材料为基础向生物和器件方面的应用发展。
为了实现纳米科技的可持续发展,保持并加强我国在纳米科技领域的国际竞争能力,迫切需要开展面向国家重大需求的战略性基础研究,在纳米材料、器件和系统、测量表征、生物医学等方面开展原创性的基础研究,在这一重大交叉学科领域形成系统的基础研究成果,促进纳米技术在通讯、能源、制造、健康和环境等领域的应用。相信纳米技术在重要和关键技术领域的普及和广泛应用会不断有进展。
纳米科学及其相关技术对大众而言是一个相当年轻的学科。科学家们1980年代才开始逐步建立纳米科学严格的公理化体系,但与许多其他科学领域的发展轨迹一样,人们在多年前就有意无意地接触到与纳米结构相关的技术了。事实上,纳米技术在某种意义上可以称为“经典”技术,例如在我国古代的冶金技术和陶瓷技术中就可见到纳米结构和效应。纳米科学和技术是在继承传统科学思想和生产方式的基础上产生的,不是无本之木,无源之水,其发展和进步是必然的,也是值得期待的。
从科学角度,“纳米”一词具有两层涵义,一是度量单位,即微米的千分之一;另一层则是指纳米科学及相关技术,其核心科学问题主要是纳米尺度下的物理、化学和生物现象。纳米科学和纳米技术诠释了在这一精细尺度上的基础科学研究以及高技术能力。纳米科学是对物质结构和性质进行调控和观察的重要环节,通过深入了解纳米尺度下材料的生长、组装、演变等基本过程,形成以原子、分子为起点的纳米材料的研究、纳米结构的设计和制备,以及令人兴奋的新功能的发现,从而促进纳米技术在通讯、能源、制造、健康和环境等领域的应用。
经过20多年的广泛探索,纳米科学的研究取得了许多重要进展。1982年以来,由Binnig等人发明的扫描探针显微镜是国际上纳米表征和检测技术中最具代表性的成果,这一工作在1986年被授予诺贝尔物理学奖。1984年Gleiter首次采用纳米粒子制备出纳米块体材料,观察并提出了纳米晶界面结构模型;1983年Brus率先开展了量子点的制备及性质研究,发现了纳米尺度颗粒中的量子效应;1991年Iijima首次用高分辨电镜观察到碳纳米管结构这些纳米科学领域的重大研究成果,推动了低维纳米材料制备、性能及其应用的研究。
在相关纳米技术的研发方面也出现了许多重要成果,如获得2007年诺贝尔物理学奖的巨磁阻效应研究中的纳米薄膜效应。近年来我国研究人员也多有成就,如基于碳纳米管的多用途纳米材料和器件,高强度、疲劳寿命且耐磨损和腐蚀的纳米化金属,高密度磁存储纳米材料和结构,成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器,以及高能量转化效率的纳米结构太阳能电池等。
纳米科技是多学科交叉融合形成的前沿领域,其发展将深刻影响现代科技的发展,已成为世界高新技术战略竞争的前沿。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并广泛应用这些技术的国家,在经济和国防安全方面将处于有利地位。近年来,很多国家均加大对纳米科技的投资力度和制定相应的纳米科技研究计划,2005年以来,主要发达国家对纳米科技研究的安排在重视基础研究的同时,都突出了以满足国家重大需求为目标的基础及应用研究,希望以纳米科技的研究成果为依托,在未来的20—30年内产生新技术和催生新产业的诞生。经济发达国家希望通过纳米研究整合其基础研究、应用研究和产业化开发,引领下一次产业革命,而对后发国家来说,它也提供了在技术上获得跨越发展的机遇。
中国作为参与推动纳米科技全球性发展的主要国家之一,国家自然科学基金委、科技部、中科院、教育部等国家机构的投入为我国纳米科技研究提供了主要动力。从1980年代末起的“八五”期间,“纳米材料科学”就被列入国家攀登项目。1996年以后,地方政府和部分企业纷纷介入,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新局面。2001年,科技部、国家计委、教育部、中科院和基金委等单位成立了“全国纳米科技指导协调委员会”,并联合下发《国家纳米科技发展纲要》。根据美国科学引文数据库的统计,1998—2007年期间我国纳米科技论文数量和总被引频次位于世界前列。
在纳米技术开发与产业化的衔接方面,中国也不断取得重要进展,如2009年,系列纳米催化剂的研制成功使我国建成了国际上首套具有自主知识产权的以煤为原料生产乙二醇的万吨级大化工装置,该技术的推广应用将有效缓解我国乙二醇产品供需矛盾;基于纳米技术的制版路线为环境友好的直接印刷提供了广阔前景;新型电力防污闪纳米复合室温硫化硅橡 胶材料的研制成功,也为缓解电力设备安全中的污闪问题提供了可能。
诺贝尔物理学奖获得者罗雷尔博士曾指出:“150年前,微米成为新的精度标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和使用它的国家。”实事求是地讲,纳米技术目前尚未像微米技术一样广泛走进公众生活,也还没有支撑起一个或多个重要产业,但是它已经在如纳米复合材料、纳米催化材料、新型药物制剂、环境治理材料等许多应用领域表现出了非常出色的前景。
从历史上许多重要科学技术领域的发展进程来看,从最初发现和发明到广泛应用需要经过数十年乃至上百年的不懈探索。在纳米科技的发展过程中人们不断给出各种预期,甚至给出了各种时间表。比如1980年代IT产业曾预期2010年纳米技术会有重大产业突破,而根据纳米技术进展的实际情况这项目标已被修正。尽管纳米科技的发展道路上会有许多挑战和困难(哪一项重大科学研究、重大发明又不是如此呢?),我个人仍然乐观地认为纳米技术未来将对重要的工业技术(包括IT技术)产生深远而重大的影响,造福人类社会。
展望未来,全球纳米科技的发展会呈现出以下趋势:一是纳米科技的投入逐步由主要集中在基础研究向基础研究、应用研究及产业化并举转变;二是由单一学科向多学科交叉和融合的方向发展;三是由独立工作向集成化和国际化方向发展;四是更加重视关键装备的研发;五是以材料为基础向生物和器件方面的应用发展。
为了实现纳米科技的可持续发展,保持并加强我国在纳米科技领域的国际竞争能力,迫切需要开展面向国家重大需求的战略性基础研究,在纳米材料、器件和系统、测量表征、生物医学等方面开展原创性的基础研究,在这一重大交叉学科领域形成系统的基础研究成果,促进纳米技术在通讯、能源、制造、健康和环境等领域的应用。相信纳米技术在重要和关键技术领域的普及和广泛应用会不断有进展。