作者:记者 倪伟波综合报道 来源: 发布时间:2017-10-12 18:28:7
纳米科技:毫末间改变世界

 
2017年8月29日,北京。
 
这是两年一度的盛事,也是全世界纳米科学技术领域最杰出的学者们期盼已久的再聚首。
 
继2005年首届中国国际纳米科学技术会议(ChinaNANO)之后,这是第7次召开的中国国际纳米科学技术盛会,在国内外学术界引起了较大的反响。ChinaNANO已经发展成为纳米科学技术领域的品牌会议,成为中国科学家与国际学术界交流沟通的桥梁。
 
在这个夏天,来自全球30多个国家和地区的2000多名代表汇聚北京,共同见证了纳米科学技术的最新进展,展望纳米科学技术的美好未来。
 
ChinaNANO 2017
 
本次大会由国家纳米科学技术指导协调委员会主办,国家纳米科学中心承办。在重点开展高水平的学术交流和思想碰撞的同时,还有来自产业界的50余家企业带来的最新实验设备和技术展示,以及来自中国科学院战略先导专项(A类)“变革性纳米产业制造技术聚焦”的重大进展成果展示。
 
与此同时,诺贝尔奖获得者、石墨烯的共同发现者、英国曼彻斯特大学Kostya Novoselov,德国马普学会胶体与界面研究所Markus Antonietti,美国哈佛大学Xiaowei Zhuang,美国密歇根大学安娜堡分校Sharon Glotzer,美国西北大学Chad Mirkin应邀作大会特邀报告。
 
200多位科学家在18个分会场分别作了邀请报告,相关学术研讨交流活动亦同步进行。这些活动为学术界、产业界的交流与讨论及未来的合作提供了一个绝佳的机会。
 
8月29日下午,国家纳米科学中心与中国科学院科技战略咨询研究院联合召开了《纳米研究前沿分析报告》发布会暨专家研讨会。
 
来自国内外参加2017中国国际纳米科技大会的200余位从事纳米前沿领域研究的科学家及相关科研管理人员出席,共同就当前和未来中国与世界科学研究前沿的发展趋势和未来方向等相关的热点议题进行了探讨和分享。
 
中国科学院科技战略咨询研究院院长潘教峰作了《〈纳米研究前沿分析报告〉特点及其主要研究结果》的报告,香港科技大学唐本忠院士作了《纳米光革命前沿进展及其发展趋势分析》的报告,中国科学院理化技术研究所江雷院士作了题为《纳米仿生研究前沿进展及其发展趋势分析》的报告。
 
此外,施普林格·自然集团、国家纳米科学中心和中国科学院文献情报中心联合发布了《国之大器 始于毫末——中国纳米科学与技术发展状况概览》中英文白皮书。
 
白皮书回顾了中国纳米科研如何飞速发展成为当今的全球领导者,揭示了中国的优势和面临的挑战,并为如何进一步繁荣发展提出了建议。
 
该报告认为,中国投入进行纳米科研已有数十年时间,已经成为当今世界纳米科学与技术进步重要的贡献者,部分基础研究居国际领先水平,中国纳米科技应用研究与成果转化的成效也已初具规模,这些都与中国在纳米科技领域的持续投入密切相关。中国纳米科技研究正在向原创性突破转变,并更加关注纳米科技的产业化应用。
 
神奇的纳米
 
1974年,当日本科学家谷口纪男提出“纳米技术”一词时,科学家们对其未来并不看好。在他们看来,尽管这是一种“奇妙的科学工具”,但预计未来25年内不会对主流电子技术产生任何影响。
 
然而,时至今日,纳米科技已作为最具突破性的战略性前沿技术之一,在材料、医疗、环境等领域引起了颠覆性的改变,这是当时的科学家们始料未及的。
 
纳米,这个人们常用“秋毫之末”来形容的极其微小的尺度怎么会有如此大的威力?它究竟是什么?带着这样的疑问,让我们一起走进神秘的纳米世界。
 
与米、厘米一样,纳米是一个长度单位,只是纳米小到肉眼根本看不见。具体来说,1纳米是10-9米。形象地说,把一个高尔夫球放大109倍,它的体积刚好相当于地球的大小,而1纳米与1米之间的差别,就相当于高尔夫球与地球的差别。
 
在如此小的尺度上,材料的物理、化学和生物学特性跟宏观尺度的物体相比,通常有巨大的差异。比如,低强度或脆性合金会获得高强度、高延展性,化学活性低的化合物会变成强力催化剂,不能受激发光的半导体会变得能够发射强光。纳米尺度级的处理能够改变物质属性,这对大多数的科学、技术、工程和医学领域都具有实用意义。
 
在1~100纳米的范围内研究物质的特性和相互作用,包括对原子、分子的操作叫做纳米科技。纳米科技听起来常常让人感到遥不可及,但事实上它离我们并不遥远。生活中的化妆品、涂料、材料甚至食品,都可能应用了纳米技术。
 
例如,普通的电吹风机或直发器就有可能使用纳米材料降低重量或延长使用寿命;防晒霜已使用了从皮肤表面上看不到的纳米二氧化钛或氧化锌等防晒成分;纳米工程制备的纤维被用于制造防皱、防沾污的衣物,不仅质量轻,还能防止细菌的滋生。
 
不仅如此,纳米材料还被应用于各类产品中,从轻便、刚性好的网球拍、自行车和箱包,到汽车零件和可充电电池等。
 
纳米的前世今生
 
实际上,纳米科学和技术作为一个独立的研究领域,是最近才发展起来的。而在提及纳米时,大家通常都会老生常谈地引用美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主Richard Feynman去世后才出名的演讲作为该领域的开端。
 
1959年,Feynman在加州理工学院作了题为“(微观)之下还有充足的空间”的演讲。在演讲中,Feynman指出,如果可以控制单一原子,理论上可以在大头针的针头上写下整套大英百科全书的内容。
 
但是这次演讲在随后几十年,仅有少数几次的引用。“纳米技术”这个术语直到1974年才出现,由谷口纪男在论文《关于“纳米技术”的基本概念》里首次提出。在这篇文章中,他介绍了如何运用离子溅射在硬质表面蚀刻形成纳米结构。
 
然而,纳米材料的使用则可追溯到几个世纪前,例如其在陶瓷釉和有色窗玻璃染色剂中的使用。领先Feynman控制单一原子的设想大约一个世纪,英国物理学家、电磁学先驱Michael Faraday已阐述了光的波长相关散射(丁达尔现象),其研究对象是通过化学方法制备的金胶体悬浮液。他注意到金的胶体悬浮液颜色会随着金纳米颗粒的大小发生变化,并意识到极小黄金颗粒的存在。
 
意识到通过控制原子来改造世界的可能性是一回事,如何实现却完全是另一回事。从这个意义上说,开发用于观察和控制物质的工具一直决定着纳米科学与技术发展的时间表。
 
最先被开发出来的工具是1931年由Ernst Ruska和Max Knoll发明的电子显微镜——尽管历经几十年的发展这些设备才达到原子级别的分辨率。不过,真正宣告纳米时代到来并进入公众视野的是1990年Don Eigler及其同事展示了在镍表面通过摆放单个氙原子能够拼写出“IBM”3个字母,当时他们使用的是Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在9年前发明的扫描隧道显微镜。
 
同样在20世纪80和90年代,科研人员开始将光学仪器分辨率的极限推进到纳米领域。可见光的波长起点大约在400纳米,按照传统的理解,可见光并不适用于观测与纳米技术相关的100纳米以下的结构。
 
1928年,Edward Hutchinson Synge提出了“近场”显微镜的构造,用以突破所谓的“阿贝衍射极限”,即制约传统显微镜分辨约250纳米以下结构的限制。但直到1994年,Stefan Hell和Jan Wichmann才提出第一个可实施的方案,即超分辨率荧光显微镜(STED显微镜),实现远小于前述250纳米尺寸限制的分子尺度光学成像。
 
起初,纳米尺度研究能力的提升让人们发现了许多天然形成的纳米结构。1981年,俄国物理学家Alexei Ekimov和Alexander Efros在研究掺杂半导体的玻璃时,发现了内嵌的纳米级结晶体,后被称为半导体量子点。仅仅几年后,贝尔实验室的Louis Brus就展示了在溶液中合成这种颗粒的方法。
 
1985年,美国莱斯大学的Harold Kroto、Sean O’Brien、Robert Curl和Richard Smalley发现了富勒烯(C60),这打破了碳只有石墨和金刚石两种同素异形体的传统认知,并开启了化学家的想象力,令他们开始思考合成比之前设想要大得多的一系列新型分子结构的可能性。1991 年,饭岛澄男报告合成了碳纳米管——一种具有特殊电子、热学、机械性能的材料,为这种管状纳米结构的广泛应用铺平了道路。
 
随后不久,Charles Kresge及其同事发明了可过滤分子的介孔纳米材料MCM-41和MCM-48,现已广泛应用于石油炼化、污水处理及药物输送。1990年代后半期,Charles Lieber、Lars Samuelsson和Kenji Hiruma领导的团队开发了合成晶状半导体纳米线的技术——为推动纳米技术进入光子学和光电学领域迈出至关重要的一步。
 
2004年,Andre Geim和Konstantin Novoselov实现了单层石墨烯的分离,获得单原子厚度的二维碳原子结构,开启了通向不可限量的未来技术的大门。
 
上世纪90年代末和本世纪初,纳米技术更多地投入应用,1998年电子墨水的发明就是一例。这是一种类似纸张的显示技术,墨水由极小的胶囊组成,现已广泛应用于Kindle等电子阅读器产品。
 
另一个例子是1988年Albert Fert和Peter Grünberg发现的巨磁阻效应,据此开发的磁性读出头大幅缩小了电脑硬盘的尺寸,并提高了存储容量。Ekimov、Efros、Brus(及其他众人)发现并开发的量子点也得到了广泛的实际应用,这包括平板电视背光源,以及用于活体细胞和组织内最小结构成像的染色剂。
 
纳米革命 改变世界
 
很久以来,人类一直梦想有一天能够通过控制分子、原子来改造世界,正是纳米科技的出现使这一切成为可能。
 
在纳米科技中,科学家们发现物质在纳米尺度下具有三大效应:比表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
 
比表面效应是指当我们将立方体切割到纳米尺度的时候,它的比表面积急剧增大。比如,1克5纳米氧化铝的总表面积相当于一个标准篮球场面积那么大。常见的金子是黄灿灿的颜色,俗称“金色”,而在纳米尺度下,不同纳米尺度的“金”则显示为不同颜色,这就是小尺寸效应的表现。而宏观量子隧道效应则有如崂山道士穿墙术一样,物质在纳米尺度下表现出隧道效应,可穿透平常物质不能穿透的壁垒。
 
正由于具有这样的效应,使得纳米微粒在催化、传感、存储等方面有着广阔的应用前景。
 
2004年,科学家们发现了一种特殊的材料——石墨烯,它是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质材料,厚度仅为一个碳原子直径。超轻、高柔性、高强度、高导电性等特点使得石墨烯被誉为一种新的神奇材料。
 
石墨烯应用广泛,作为一种电极材料近期被广泛研究。据媒体报道,西班牙研制出了首例石墨烯聚合材料电池,在储电量和寿命上都优于传统锂电池,电动车充电8分钟,行驶距离可达1000公里。
 
把单层或者多层的石墨烯卷成同轴圆管,就构成了一种高强度的纳米材料——碳纳米管,它的强度比钢大100倍,重量很轻,弹性极高。未来,若人们想到其他星球上探索宇宙奥秘,可以用碳纳米管做一部太空天梯送我们上去。
 
另一个和碳纳米管一样的中空结构——富勒烯,是由60个碳原子组成,从外形看像一只镂空的足球,也叫足球烯。这只特殊的足球,在科学家手中如同一个百变魔方,通过内嵌入元素或外接元素,就可以组合成不同结构和功能的富勒烯衍生物。例如,中科院科学家在富勒烯中内嵌钆元素,外修饰官能团,则可成为低毒的抗肿瘤药物,将肿瘤组织囚禁,实现治疗目的。
 
目前,纳米技术在生物医药、新能源、新材料、电子信息等多个领域得到了应用,这其中,纳米绿色制版技术的出现更是掀起了印刷业的革命。
 
北宋时期,毕发明了活字印刷术。20世纪80年代,中科院院士王选发明了汉字激光照排技术,而今,中科院科学家将纳米材料的最新研究成果和印刷术相结合,发明了绿色制版技术,不需要感光成像,不会污染环境,印刷流程还大大缩短,这一发明成为目前世界最前沿的印刷制版技术。
 
而这仅仅是纳米科技时代的开始。未来,汽车充电比加油还快;打游戏敲击键盘可以发电;足不出户可以看病,癌症变得不再可怕;沙漠旅游不用带水……太多的不可思议将会变成现实。
 
纳米科技在中国
 
早在20世纪80年代中期,中国就意识到了纳米科技对国家科技和经济发展的潜在推动力,积极参与促进纳米科学的基础研究和应用研究。
 
在国际纳米科技研究热潮展开的同时,中国高度关注纳米科技发展,积极进行布局。2000年成立了国家纳米科技指导协调委员会,2003年中科院和教育部共同成立了国家纳米科学中心,中科院、清华大学、北京大学等中国最优秀的研究机构都参与其中。
 
不仅在国家中长期发展规划中部署了纳米科技研究计划,与此同时,国家自然科学基金委和中科院也都部署了纳米科技相关研究。这些措施极大地推动了中国纳米科技的发展。
 
经过近30年的发展,中国科学家在纳米科技领域取得了一系列重要的科研成果,纳米科技研究的整体实力已走在世界前列。
 
根据第七届中国国际纳米科学技术会议上发布的《国之大器 始于毫末——中国纳米科学与技术发展状况概览》中英文白皮书显示,1997年~2016年间,中国纳米方面的论文产出由820篇增长至5.2万余篇,复合年均增长率达24%。1997 年,与纳米相关的SCI论文中只有6%涉及中国作者;到 2010 年,中国已与美国旗鼓相当。目前,中国贡献了全球超过1/3的纳米科研论文,几乎是美国的2倍。
 
不仅如此,自2007年以来,中国在纳米领域的高被引论文占比更高,逐年增长率甚至超过了该领域总产出占比的增长,达到了22%的复合年均增长率,是全球增长率的3倍多。
 
中国在专利产出方面的表现同样不俗。过去20年,中国的纳米专利申请量累计达209344件,占全球总量的45%。自2008年起,中国的年度专利申请量即已超过美国,成为世界第一,其增长速度远高于世界平均水平。
 
一系列数据和成果显示,中国已成为当今世界纳米科学与技术进步的重要贡献者,是世界纳米科技研发大国,部分基础研究居国际领先水平,纳米科技应用研究与成果转化的成效也已初具规模。
 
“我们相信,纳米科技正在深入到科技与社会的变革领域,向绿色、健康等国际前沿和国家需求的大方向发展,中国在世界竞争格局中逐渐占据优势地位,并具有改变未来发展秩序的潜力。”潘教峰表示。
 
中国纳米科技的卓越表现也博得了其他国家的喝彩和称赞。
 
“中国纳米科研起步于20多年前,与整个中国科研一样,迈出了前所未有的发展步伐,这不仅仅是数量,更重要的体现在质量上。因此,我认为纳米科学是观察中国科研,并分析其飞速发展原因的一个窗口。并且,中国发展纳米科学和相关技术的经验值得其它国家及不同的科研领域加以深入了解和借鉴。”施普林格·自然集团大中华区总裁安诺杰说。
 
尽管在纳米技术方面,中国走在世界前沿,然而还有不少问题有待解决。“我国纳米科技投入虽然总量很大,但投入较为分散,具体到每个项目的投入力度并不大。此外,我国纳米技术领域的‘跟风’现象较为严重,哪个概念热就一拥而上,研发人员还需在原创研究上下功夫。”北京大学纳米科学与技术研究中心主任刘忠范表示。
 
对此,中国科学院院长、党组书记白春礼也认为:“虽然我国在纳米领域发表的论文数量多、质量较高,但与国际水平相比,我国在由跟踪、并行向领跑转变的过程中,领跑技术还是太少。”
 
此外,不少专家也指出纳米技术转化还亟待加强。
 
“纳米技术的一大难点就是大规模应用,我国纳米技术的产业影响力仍旧有限。”国家纳米科学中心副主任赵宇亮表示。纳米技术是我国跨越式发展的一个机遇,能够帮助很多产业实现转型升级。他希望越来越多的企业能够加入纳米技术开发和应用领域,在应用研究上多下功夫,促进纳米技术更加顺畅地向产业转化,只有这样,我国纳米行业才能在激烈的国际竞争中获得更多领先优势。
 
当下,世界主要国家和地区都将纳米技术列入促进国家经济发展和解决重要问题的关键技术领域,因此,未来的纳米科技领域的竞争必将更加激烈。
 
面对竞争激烈的纳米科技,中国科学家必须要时刻保持冷静和清醒,团结协作,在打破基础研究部门与产业部门隔阂的基础上,加强国际合作、跨学科合作,着力在原创性研究和领跑技术方面下功夫,实现更多从0到1的突破,才能更加有力地推动中国纳米科技稳步向前发展。■
 
《科学新闻》 (科学新闻2017年9月刊 封面)
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