序
白春禮 中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)
納米科學(xué)是在納米尺度（從原子、分子到亞微米尺度之間）上研究物質(zhì)的相互作用、組成、特性與制造方法的科學(xué)。它匯聚了現(xiàn)代多學(xué)科領(lǐng)域在納米尺度的焦點(diǎn)科學(xué)問題，促進(jìn)了多學(xué)科交叉融合，孕育著眾多的科技突破和原始創(chuàng)新機(jī)會(huì)。同時(shí)，納米科技對(duì)高技術(shù)的誕生，對(duì)我們的生產(chǎn)、生活也將產(chǎn)生巨大的影響。
從上世紀(jì)八十年代開始，納米科技引起了人們的廣泛關(guān)注。2000年美國(guó)率先發(fā)布了“國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃（NNI）”掀起了國(guó)際納米科技研究熱潮。中國(guó)高度關(guān)注納米科技發(fā)展，與國(guó)際同步進(jìn)行了布局，于2000年成立了國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)，2003年成立了國(guó)家納米科學(xué)中心，在國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中部署了納米科技研究計(jì)劃，同時(shí)，基金委和中國(guó)科學(xué)院也都部署了納米科技相關(guān)研究。這些措施極大地推動(dòng)了中國(guó)納米科技的發(fā)展。
施普林格 · 自然集團(tuán)、國(guó)家納米科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心共同合作，編制了中國(guó)納米白皮書，從高水平文獻(xiàn)發(fā)表、專利申請(qǐng)、重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域分布、國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)等視角，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析和可視化方法，綜合專家解讀和意見，科學(xué)詳實(shí)地揭示出近年來中國(guó)和世界納米科技的發(fā)展態(tài)勢(shì)。文章定性分析與定量分析相結(jié)合，主觀判斷與客觀數(shù)據(jù)相印證。該報(bào)告，一方面，讓我們看到了過去二十年，納米科技在世界范圍得到了很大的發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)生活進(jìn)步產(chǎn)生了巨大影響；另一方面，我們也看到相關(guān)領(lǐng)域的變遷和影響。納米科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)遍布材料與制造、電子與信息技術(shù)、能源與環(huán)境、以及醫(yī)學(xué)與健康領(lǐng)域。與此同時(shí)，納米技術(shù)的迅速發(fā)展給社會(huì)帶來的巨大影響也帶來了倫理和安全問題，潛在風(fēng)險(xiǎn)值得關(guān)注和研究。
報(bào)告顯示，中國(guó)在納米科學(xué)領(lǐng)域已成為當(dāng)今世界納米科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步重要的貢獻(xiàn)者，是世界納米科技研發(fā)大國(guó)，部分基礎(chǔ)研究躍居國(guó)際領(lǐng)先水平。中國(guó)納米科技應(yīng)用研究與成果轉(zhuǎn)化的成效也已初具規(guī)模。在專利申請(qǐng)量方面，中國(guó)位于世界前列。這些都與中國(guó)在納米科技領(lǐng)域的持續(xù)投入密切相關(guān)，同時(shí)也展示了中國(guó)納米科技研究正在實(shí)現(xiàn)從量的增加到原創(chuàng)以及質(zhì)的轉(zhuǎn)變，并更加關(guān)注納米科技的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
展望未來，納米科技面臨諸多機(jī)遇和多方挑戰(zhàn)。我們需要實(shí)現(xiàn)對(duì)于納米尺度基礎(chǔ)研究的突破，需要加快填補(bǔ)基礎(chǔ)與應(yīng)用之間的溝壑，更需要滿足更多來自于世界能源、環(huán)境與健康領(lǐng)域的重大需求。為此，我們將進(jìn)一步加大創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，加快構(gòu)建和培育價(jià)值鏈和創(chuàng)新鏈，開展更加廣泛和有效的全球合作。希望通過我們的共同努力，納米科技在基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域能實(shí)現(xiàn)更多原創(chuàng)性突破，更多應(yīng)用成果開花結(jié)果、落地生根，服務(wù)國(guó)家、造福人民，為中國(guó)早日建成世界科技強(qiáng)國(guó)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
從一顆小種子到參天大樹
25年前，《 自然》在東京召開了一次會(huì)議，匯集了當(dāng)時(shí)一個(gè)新興研究領(lǐng)域的世界頂尖專家。該領(lǐng)域研究的是從原子尺度上了解和操縱物質(zhì)1，他們稱之為“納米技術(shù)”。不過，不是所有人都喜歡這個(gè)名字。Don Eigler曾利用單獨(dú)排放的氙原子在鎳表面上拼出字母“IBM”，這成為該領(lǐng)域最具標(biāo)志性的圖像之一，但他對(duì)是否存在納米技術(shù)表示了懷疑。 來自IBM的另一位代表Paul Horn則認(rèn)為，盡管他們可使用的工具是“奇妙的科學(xué)工具”，但預(yù)計(jì)未來25年內(nèi)這不會(huì)對(duì)主流電子技術(shù)產(chǎn)生任何影響。
1992年，全球只有屈指可數(shù)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室，主要是物理或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在開展納米尺度的物體研究——將其描述為納米科學(xué)，或許要比納米技術(shù)更合適。當(dāng)時(shí)，并沒有專門針對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的期刊，而且勉強(qiáng)算起來也只有六家研究機(jī)構(gòu)在其名稱中使用了“納米”這個(gè)前綴。如今，在科睿唯安（Clarivate Analytics）發(fā)布的2016年度《期刊引用報(bào)告》中，“納米科學(xué)與納米技術(shù)”分類下已有86本期刊。在數(shù)碼科研（Digital Science）所維護(hù)的全球研究識(shí)別符數(shù)據(jù)庫（Global Research Identifier Database）當(dāng)前收錄的研究機(jī)構(gòu)中，已有192個(gè)研究機(jī)構(gòu)明確在其名稱中使用了納米科學(xué)或納米技術(shù)。
雖然我們掌握的技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)在原子尺度上建構(gòu)事物，但是事實(shí)證明，該領(lǐng)域許多奠基人所主張的謹(jǐn)慎是過于悲觀的。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)芯片常規(guī)制造尺寸僅有幾十個(gè)納米大小，IBM 最近宣布推出的商業(yè)化量產(chǎn)芯片，其晶體管大小僅為5納米。許多電視機(jī)的發(fā)光元件采用了被稱為量子點(diǎn)的納米級(jí)熒光粒子。目前使用了納米技術(shù)的產(chǎn)品還有涂料、防曬霜、藥物、太陽鏡、污染檢測(cè)器和基因測(cè)序儀等，林林總總，不勝枚舉。
中國(guó)早就意識(shí)到納米科學(xué)對(duì)其科學(xué)、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的潛在貢獻(xiàn)。2003年，中國(guó)科學(xué)院和教育部共同成立了國(guó)家納米科學(xué)中心。其成功的關(guān)鍵在于中國(guó)最優(yōu)秀研究機(jī)構(gòu)的代表——清華大學(xué)、北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院都參與其中。過去二十年，在國(guó)家納米科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院科研院所和國(guó)內(nèi)一流大學(xué)等機(jī)構(gòu)的共同推動(dòng)下，中國(guó)已成為當(dāng)今世界納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先國(guó)家。
在這份白皮書中，我們將首先概述中國(guó)納米科學(xué)與技術(shù)的現(xiàn)狀。然后，在第二部分中簡(jiǎn)要介紹該學(xué)科的發(fā)展歷史和迄今以來的里程碑事件。這包括納米科學(xué)如何改變構(gòu)成我們世界的各種材料，如何改變通訊方式，如何發(fā)展新能源及提高新能源的使用效率，以及如何幫助診斷和治療疾病等。
在第三部分，我們將通過實(shí)際的數(shù)字來展現(xiàn)納米科學(xué)這門學(xué)科的興起，以及中國(guó)快速發(fā)展成為該學(xué)科領(lǐng)導(dǎo)者的情況。我們將聚焦于相關(guān)的論文產(chǎn)出，特別是對(duì)該領(lǐng)域有最大影響力的論文。借助自然科研最新開發(fā)的納米科學(xué)研究平臺(tái)Nano（http://nano.nature.com），我們希望能提供一些定性的看法，展現(xiàn)中國(guó)在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)、不足和新興的研究領(lǐng)域。我們還將評(píng)述中國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的專利產(chǎn)出情況。
在第四部分，我們將呈現(xiàn)一些業(yè)內(nèi)專家在訪談中所表達(dá)的對(duì)于中國(guó)納米科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向的看法，以及研究機(jī)構(gòu)、資助機(jī)構(gòu)和決策者如何才能繼續(xù)推動(dòng)該領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。
納米科學(xué)與技術(shù)的過去、現(xiàn)在和未來
納米科學(xué)，簡(jiǎn)而言之，主要研究的是尺度在1到100個(gè)10億分之1米，即1-100納米之間的極小物體。在如此小的尺度上，材料的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性跟宏觀尺度的物體相比， 會(huì)大相徑庭——通常有巨大的差異。比如，低強(qiáng)度或脆性合金會(huì)獲得高強(qiáng)度、高延展性，化學(xué)活性低的化合物會(huì)變成強(qiáng)力催化劑，不能受激發(fā)光的半導(dǎo)體會(huì)變得能夠發(fā)射強(qiáng)光。納米尺度級(jí)的處理能夠改變物質(zhì)屬性，這對(duì)大多數(shù)的科學(xué)、技術(shù)、工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都具有實(shí)用意義。
納米技術(shù)發(fā)展的里程碑
納米科學(xué)和技術(shù)作為一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域， 是最近才發(fā)展起來的。大家通常都老生常談地引用費(fèi)曼（Richard Feynman）去世后才出名的演講作為該領(lǐng)域的開端 —— 即1959年他在加州理工學(xué)院的演講“（微觀）之下還有充足的空間（There’s plenty of room at the bottom）”。費(fèi)曼在演講中指出，如果可以控制單一原子，理論上可以在大頭針的針頭上寫下整套大英百科全書的內(nèi)容。但是這次演講在隨后幾十年，僅有少數(shù)幾次的引用。“納米技術(shù)”這個(gè)術(shù)語直到1974年才出現(xiàn)，由谷口紀(jì)男在論文“關(guān)于‘納米技術(shù)’的基本概念”里首次提出，他介紹了如何運(yùn)用離子濺射在硬質(zhì)表面蝕刻形成納米結(jié)構(gòu)。
不過，納米材料的使用可追溯到幾個(gè)世紀(jì)前，例如其在陶瓷釉和有色窗玻璃染色劑中的使用。領(lǐng)先費(fèi)曼控制單一原子的設(shè)想大約一個(gè)世紀(jì)，英國(guó)物理學(xué)家、電磁學(xué)先驅(qū)法拉第（Michael Faraday）已闡述了光的波長(zhǎng)相關(guān)散射（丁達(dá)爾現(xiàn)象），其研究對(duì)象是通過化學(xué)方法制備的金膠體懸浮液。他注意到金的膠體懸浮液顏色會(huì)隨著金納米顆粒的大小發(fā)生變化，并意識(shí)到極小黃金顆粒的存在。
意識(shí)到通過控制原子來改造世界的可能性是一回事，如何實(shí)現(xiàn)卻完全是另一回事。從這個(gè)意義上說，開發(fā)用于觀察和控制物質(zhì)的工具一直在決定著納米科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的時(shí)間表。最先被開發(fā)出來的工具是1931年由Ernst Ruska 和Max Knoll發(fā)明的電子顯微鏡——盡管歷經(jīng)幾十年的發(fā)展這些設(shè)備才達(dá)到原子級(jí)別的分辨率。但真正宣告納米時(shí)代到來并進(jìn)入公眾視野的是1990年Don Eigler及其同事展示了在鎳表面通過擺放單個(gè)氙原子能夠拼寫出‘IBM’三個(gè)字母， 當(dāng)時(shí)他們使用 的是Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在九年前發(fā)明的掃描隧道顯微鏡。
同樣在20世紀(jì)80和90年代，科研人員開始將光學(xué)儀器分辨率的極限推進(jìn)到納米領(lǐng)域。可見光的波長(zhǎng)起點(diǎn)大約在400納米，按照傳統(tǒng)的理解， 可見光并不適用于觀測(cè)與納米技術(shù)相關(guān)的100納米以下的結(jié)構(gòu)。1928年，Edward Hutchinson Synge提出了‘近場(chǎng)’顯微鏡的構(gòu)造，用以突破所謂的‘阿貝衍射極限’，即制約傳統(tǒng)顯微鏡分辨約250納米以下結(jié)構(gòu)的限制。但直到1994年，Stefan Hell和Jan Wichmann才提出第一個(gè)可實(shí)施的方案，即超分辨率熒光顯微鏡（stimulated-emission-depletion，STED顯微鏡），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)小于前述250納米尺寸限制的分子尺度光學(xué)成像。
納米尺度研究能力的提升起初讓人們發(fā)現(xiàn)了許多天然形成的納米結(jié)構(gòu)。1981年，俄國(guó)物理學(xué)家Alexei Ekimov和Alexander Efros在研究摻雜半導(dǎo)體的玻璃時(shí)，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)嵌的納米級(jí)結(jié)晶體，后被稱為半導(dǎo)體量子點(diǎn)。僅僅幾年后，貝爾實(shí) 驗(yàn)室的Louis Brus展示了在溶液中合成這種顆粒的方法。
1985 年， 美國(guó)萊斯大學(xué)的Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl和Richard Smalley發(fā)現(xiàn)了富勒烯（C60）——這是一種完全由碳原子組成的、形如足球并且異常穩(wěn)定的分子。這打破了碳只有石墨和金剛石兩種同素異形體的傳統(tǒng)認(rèn)知，并開啟了化學(xué)家的想象力，令他們開始思考合成比之前設(shè)想要大得多的一系列新型分子結(jié)構(gòu)的可能性。1991 年，飯島澄男報(bào)告合成了碳納米管——一種具有特殊電子、熱學(xué)、機(jī)械性能的材料，為這種管狀納米結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。
隨后不久，Charles Kresge及其同事發(fā)明了可過濾分子的介孔納米材料MCM-41和MCM-48，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油煉化、污水處理及藥物輸送。1990年代后半期，Charles Lieber, Lars Samuelsson和Kenji Hiruma領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了合成晶狀半導(dǎo)體納米線的技術(shù)——為推動(dòng)納米技術(shù)進(jìn)入光子學(xué)和光電學(xué)領(lǐng)域又邁出至關(guān)重要的一步。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov實(shí)現(xiàn)了單層石墨烯的分離，獲得單原子厚度的二維碳原子結(jié)構(gòu)，開啟了通向不可限量的未來技術(shù)的大門。超輕、高柔性、高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性等特點(diǎn)使得石墨烯被譽(yù)為一種新的神奇材料。
1990年代末和本世紀(jì)初，納米技術(shù)更多地投入應(yīng)用。1998年電子墨水的發(fā)明就是一例，這是一種類似紙張的顯示技術(shù)， 墨水由極小的膠囊組成，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于Kindle等電子閱讀器產(chǎn)品。另一個(gè)例子是1988年Albert Fert 和Peter Grünberg發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)，據(jù)此開發(fā)的磁性讀出頭大幅縮小了電腦硬盤的尺寸，并提高了存儲(chǔ)容量。Ekimov, Efros, Brus（及其他眾人）發(fā)現(xiàn)并開發(fā)的量子點(diǎn)也得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用，這包括平板電視背光源，以及用于活體細(xì)胞和組織內(nèi)最小結(jié)構(gòu)成像的染色劑。
納米技術(shù)的社會(huì)影響力
納米級(jí)材料的研究規(guī)模雖然比較小，但對(duì)我們生活方式的潛在影響卻很大。全球各地的科學(xué)家和工程師們都在對(duì)這個(gè)微觀世界展開新的探索，并將其科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為新的產(chǎn)品和技術(shù)，由此重塑了一系列的產(chǎn)業(yè)，主要是材料和制造業(yè)、電子和信息技術(shù)、能源與環(huán)境，以及醫(yī)療與健康產(chǎn)業(yè)。由于具有廣泛的社會(huì)影響力，納米技術(shù)的快速發(fā)展也隨之帶來倫理和安全問題，需要我們在享用納米技術(shù)預(yù)期的成果之前加以解決。
材料和制造
納米技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在通過控制原子級(jí)或分子級(jí)的物質(zhì)所創(chuàng)造的新材料上。由于具備理想的機(jī)械、化學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)或光學(xué)性能，這些新型納米材料被應(yīng)用于日常用品及工業(yè)制造之中。
威爾遜中心曾發(fā)起一個(gè)關(guān)于新興的納米技術(shù)的項(xiàng)目，根據(jù)其中的一份制造商清單估計(jì)2，市場(chǎng)上有 1600 多種基于納米技術(shù)的消費(fèi)產(chǎn)品。納米材料在健康和健身產(chǎn)品中的應(yīng)用最廣，例如化妝品、個(gè)人護(hù)理用品和服裝等。普通的電吹風(fēng)或直發(fā)器就有可能使用納米材料降低重量或延長(zhǎng)使用壽命。防曬霜已使用了從皮膚表面上看不到的納米二氧化鈦或氧化鋅等防曬成分。納米工程制備的纖維被用于制造防皺、防沾污的衣物，不僅質(zhì)輕，甚至還可能防止細(xì)菌的滋生。納米材料還被應(yīng)用于各類產(chǎn)品中，從輕便、剛性好的網(wǎng)球拍、自行車和箱包，到汽車零件和可充電電池等。
在制造業(yè)，納米結(jié)構(gòu)的材料被用于機(jī)器零件的表面涂層或潤(rùn)滑劑中，以減小磨損、延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命。具有納米結(jié)構(gòu)的合金，由于強(qiáng)度高、耐久、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，是制造飛機(jī)和航天航空零部件的理想高性能材料。它們被用于制造機(jī)身、過濾材料及其他零部件，帶來更強(qiáng)的耐蝕、抗震和防火性能，以及優(yōu)良的強(qiáng)度 - 重量比。金屬、氧化物、碳和其他化合物的納米顆粒也是很好的催化劑，在石油精煉、生物燃料等領(lǐng)域有著重要的工業(yè)應(yīng)用。由于出色的表面積 - 體積比、高催化活性及低能耗的特點(diǎn)，納米催化具有多種優(yōu)勢(shì)，如最優(yōu)的原料利用率、高能效、最低限度的化學(xué)廢料排放，以及更高的安全性等。
信息技術(shù)
納米技術(shù)作為促進(jìn)信息技術(shù)和數(shù)碼電子行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)一步提升了諸多電子產(chǎn)品的性能，如電腦、手機(jī)和電視等。
英特爾公司的共同創(chuàng)始人Gordon Moore在1965年提出了著名的摩爾定律——集成芯片上的晶體管數(shù)量每年就會(huì)翻倍（后修改為每?jī)赡攴叮?/span>。彼時(shí)，納米技術(shù)還在發(fā)展的初期。由于納米技術(shù)的進(jìn)步，集成芯片和晶體管已如摩爾所預(yù)測(cè)的那樣，變得越來越小，計(jì)算速度卻日趨提高，盡管摩爾定律近年來正在逐漸失效。2016年誕生了世界上首個(gè)1納米的晶體管。該晶體管由碳納米管和二硫化鉬，而不是硅制備而成，展示了進(jìn)一步縮小電子器件尺寸的潛力，使得摩爾定律至少能在一段時(shí)間里繼續(xù)有效。
人們對(duì)納米材料物理特性的深入理解推動(dòng)了量子器件的發(fā)展，其應(yīng)用遍及光感應(yīng)、激光和晶體管，實(shí)現(xiàn)了更低能耗下的高速數(shù)據(jù)傳輸。元器件如采用了納米級(jí)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，就可以感應(yīng)或發(fā)射單個(gè)光子，器件在應(yīng)用到加密系統(tǒng)中之后，就可以提升信息系統(tǒng)的性能和安全性。量子點(diǎn)或無機(jī)半導(dǎo)體納米晶體的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是顯示屏產(chǎn)業(yè)。由于納米技術(shù)，電視、計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備的顯示屏就可實(shí)現(xiàn)超高清、節(jié)能、甚至可彎曲，并產(chǎn)生更加逼真的圖像。人們?cè)谠O(shè)計(jì)新型透明導(dǎo)電材料時(shí)采用了碳納米管或銀納米線，這為開發(fā)各種使用柔性屏幕的電子設(shè)備開啟了大門。
能源和環(huán)境
納米技術(shù)可促進(jìn)可替代能源的發(fā)展，提高能源使用效率，并為環(huán)境治理提供新的解決方案，因此有助于環(huán)境保護(hù)事業(yè)。在傳統(tǒng)的能源領(lǐng)域，基于納米技術(shù)的方法或新型催化劑使得石油和天然氣的開采以及燃料的燃燒變得更加高效，這減少了發(fā)電廠、交通工具及其他重型設(shè)備的污染和能耗。
多年以來，科研人員通過在底層材料和結(jié)構(gòu)上應(yīng)用納米工程，來提高光伏發(fā)電設(shè)備（將太陽能轉(zhuǎn)化為電能）的性能并降低成本。例如，他們?cè)谶@些設(shè)備里導(dǎo)入量子點(diǎn)，以吸收更多的陽光。另外，他們使用低溫條件下能在低成本的襯底材料上生長(zhǎng)的材料，如鈣鈦礦型金屬 - 有機(jī)化合物和導(dǎo)電聚合物，為包括硅在內(nèi)的傳統(tǒng)光伏材料提供低成本的替代物。
除了有助于提高陽光采集效率，納米材料還可用于廢熱轉(zhuǎn)化，如將汽車尾氣轉(zhuǎn)化為有用的能量。再如，人們開發(fā)了可將二氧化碳轉(zhuǎn)化為清潔燃料甲烷的納米顆粒，以及能提高氫氣制備產(chǎn)能的納米光催化劑，這都提升了發(fā)展新的可再生能源的前景。
在能源存儲(chǔ)方面，由于納米結(jié)構(gòu)的電極材料能夠支持更多不同的電化學(xué)反應(yīng)，因此可用來提高可充電電池的容量和性能。這不但能增加新一代電池的存儲(chǔ)容量，還能減輕電池重量，從而提高電動(dòng)汽車這類交通工具的效能和續(xù)航距離。
納米技術(shù)還可用于水處理和污染物的清理。例如， 二硫化鉬（MoS2）薄膜等納米材料能以更高效的過濾性促進(jìn)鹽水淡化，而多孔質(zhì)的納米材料可以像海綿一樣吸收水中的重金屬和浮油等有毒物質(zhì)。納米顆粒還可通過化學(xué)反應(yīng)清除工業(yè)用水中的污染物。此外，納米纖維能夠吸附空氣中的微小顆粒，因此可用作凈化空氣的濾網(wǎng)。
納米技術(shù)在環(huán)境治理中的應(yīng)用還包括空氣、水和土壤中污染物的檢測(cè)。由于其獨(dú)特的化學(xué)和物理特性，納米顆粒對(duì)化學(xué)或生物試劑的靈敏度更高，因此可用在傳感器中鑒別有毒物質(zhì)，這要比傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法更加簡(jiǎn)單快捷，甚至能在檢測(cè)的同時(shí)去除污染物。
醫(yī)療和健康
可以說納米技術(shù)最成熟的形式就是生命本身所表現(xiàn)出來的形式。從細(xì)胞器一直到底層的核糖體、DNA、ATP，這些生物系統(tǒng)為納米科學(xué)家提供了源源不斷的靈感源泉。或者，正如合成生物學(xué)家Tom Knight曾說過的那樣，“生物學(xué)就是在發(fā)揮作用的納米技術(shù)！”正因如此，納米技術(shù)對(duì)醫(yī)療和健康產(chǎn)業(yè)的影響日趨顯著，并在藥物輸送、生物材料、造影、診斷、活性植入及其他醫(yī)療應(yīng)用中得到了穩(wěn)步發(fā)展。
納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面最引人矚目的應(yīng)用或許是被稱為納米孔基因測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)。其工作原理是利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)每個(gè)DNA單鏈穿過薄膜上納米尺寸的孔，即納米孔。當(dāng)DNA單鏈通過納米孔時(shí)，記錄孔上產(chǎn)生的電流變化，從而識(shí)別出單鏈上的基因編碼序列。該技術(shù)有望大幅降低基因測(cè)序成本并提高測(cè)序速度。
納米技術(shù)另外一個(gè)富有前景的醫(yī)學(xué)應(yīng)用是藥物輸送。納米技術(shù)能讓藥物突破化學(xué)、解剖和生理學(xué)阻礙，抵達(dá)病變組織，提高藥物在病灶位置的聚集量，減小對(duì)健康組織的損害，較之傳統(tǒng)藥物具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的納米藥物可以經(jīng)血管滲漏點(diǎn)滲入癌變組織，并在靶點(diǎn)位置積聚，從而提高癌癥靶向治療的精準(zhǔn)度。其他的應(yīng)用還包括用納米顆粒封裝諸如抗體之類的生物活性分子，以促進(jìn)特定靶向的藥物輸送。
納米顆粒因其尺寸微小和特殊的化學(xué)性質(zhì)，在醫(yī)學(xué)造影方面也有獨(dú)特的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的熒光染色劑是用有機(jī)化合物制備的，通常壽命短，其光學(xué)性能也很難調(diào)制以適應(yīng)任意的工作波長(zhǎng)。利用無機(jī)量子點(diǎn)，其工作波長(zhǎng)可根據(jù)尺寸調(diào)制，上述兩個(gè)不足都能得到了克服。而且，設(shè)計(jì)起來也更加方便，可以形成在特定組織和腫瘤位置的積聚，從而實(shí)現(xiàn)更便捷、更準(zhǔn)確的診斷，并提高治療效果。
納米科技還應(yīng)用于生物組織工程。石墨烯、納米管、二硫化鉬等納米材料可用來制造支架，幫助修復(fù)或重塑受損的組織。納米結(jié)構(gòu)支架能夠模仿組織特有的微觀環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞的附著、繁殖和長(zhǎng)成，并誘導(dǎo)正常細(xì)胞機(jī)能及組織生長(zhǎng)。
倫理和安全問題
新技術(shù)就像雙刃劍一樣，帶來利益的同時(shí)也可能帶來風(fēng)險(xiǎn)。納米技術(shù)也不例外。人們?cè)跉g呼其快速發(fā)展之際，也應(yīng)小心它所帶來的意料之外的環(huán)境、健康和社會(huì)影響。
當(dāng)前人們最大的擔(dān)憂是納米顆粒對(duì)健康的威脅，因?yàn)榧{米顆粒很容易經(jīng)肺或皮膚進(jìn)入人體系統(tǒng)。例如，人們已發(fā)現(xiàn)碳納米管內(nèi)的金屬污染物和柴油的納米顆粒對(duì)健康有不良影響。生產(chǎn)作業(yè)中暴露于納米污染物的工人會(huì)有較高的健康風(fēng)險(xiǎn)，基于納米技術(shù)的產(chǎn)品也會(huì)讓消費(fèi)者面臨風(fēng)險(xiǎn)。納米藥物雖然前景光明，但因?yàn)樯胁磺宄湓谌梭w內(nèi)是否參與代謝以及如何代謝，所以也有可能帶來意料之外的后果。而且，納米藥物的長(zhǎng)期使用效果仍不明朗。
此外，納米材料制造過程中所產(chǎn)生的工業(yè)排放，以及納米產(chǎn)品用后的回收，也會(huì)帶來污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。納米顆粒活性高、尺寸微小，有可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，對(duì)動(dòng)植物生存構(gòu)成威脅。由于納米技術(shù)會(huì)給產(chǎn)品生產(chǎn)方式帶來翻天覆地的變化，分子制造即是一個(gè)例子，并讓很多商品的尺寸發(fā)生改變，人們尚不清楚這會(huì)帶來怎樣的經(jīng)濟(jì)影響和社會(huì)巨變，這要求我們對(duì)該技術(shù)應(yīng)用的倫理問題進(jìn)行審慎的判斷。
為應(yīng)對(duì)這些擔(dān)憂，全球許多國(guó)家都已采取行動(dòng)。美國(guó)出臺(tái)了“國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃（National Nanotechnology Initiative）”，其主要目標(biāo)之一是支持以負(fù)責(zé)任的方式發(fā)展納米技術(shù)。此外，美國(guó)還組織了若干工作組，探討和應(yīng)對(duì)納米技術(shù)所帶來的倫理、法律和社會(huì)問題。歐盟也與美國(guó)合作，建立了一個(gè)政策制定的平臺(tái)，以應(yīng)對(duì)納米技術(shù)發(fā)展過程中所產(chǎn)生的問題。中國(guó)自 2001 年就已投入資金研究納米安全問題，約有 7% 的納米技術(shù)研究預(yù)算用于有關(guān)納米技術(shù)潛在的環(huán)境、健康及安全問題的科學(xué)研究。這些研究也將支持制定標(biāo)準(zhǔn)的方法，以量化相關(guān)的環(huán)境及健康危害，同時(shí)有助于形成監(jiān)控和管制納米污染的指導(dǎo)方針。
通過仔細(xì)考量其潛在的風(fēng)險(xiǎn)，人們將能有效駕馭納米技術(shù)，讓我們的生活和環(huán)境變得更加美好。
納米科學(xué)的里程碑事件
1856: 觀察到納米粒子
Michael Faraday發(fā)現(xiàn)制備的金溶膠中顆粒的大小不同，就會(huì)呈現(xiàn)出不同顏色的丁達(dá)爾散射。
1928: 近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡
Edward Hutchinson Synge提出以近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡獲得超越衍射極限的圖像。
1931: 電子顯微鏡
Ernst Ruska和Max Knoll展示了第一臺(tái)電子顯微鏡。
1935: 單分子薄膜
Irving Langmuir和Katharine Blodgett發(fā)明了制備單層分子薄膜的技術(shù)。
1946: 分子自組裝
Zisman、Bigelow和Pickett報(bào)告了有序單分子層在表面上的自組裝。
1959: （微觀）之下還有充足的空間
Richard Feynman在加州理工學(xué)院舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上發(fā)表題為《（微觀）底下還有充足的空間》的演講，推測(cè)在原子級(jí)別上操控物質(zhì)的可能性。
1968: 分子束外延
John Arthur Jr和Albert Cho研發(fā)出用于制備高質(zhì)量單晶薄膜的分子束外延。
1974: “納米技術(shù)”一詞誕生
谷口紀(jì)男創(chuàng)造“納米技術(shù)”一詞。
1974: 表面增強(qiáng)拉曼光譜
Martin Fleischmann、Patrick Hendra和James McQuillan報(bào)告了拉曼散射的異常增強(qiáng)，隨后Richard van Duyne和Alan Creighton將這種現(xiàn)象解釋為納米級(jí)金屬結(jié)構(gòu)形成的場(chǎng)增強(qiáng)所造成的。
1974: 分子電子學(xué)
Mark Ratner和Arieh Aviram提出分子二極管的想法。
1976: 原子層沉積
Tuomo Suntola發(fā)明原子層外延薄膜制備技術(shù)。
1980: 觀察到自然形成的量子點(diǎn)
Alexei Ekimov和Alexander Efros報(bào)告了納米晶體量子點(diǎn)的存在及其光學(xué)特性。
1981: 掃描隧道顯微鏡
Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發(fā)明掃描隧道顯微鏡。
1982: DNA納米技術(shù)
Nadrian Seeman提出DNA納米技術(shù)的概念。
1983: 半導(dǎo)體量子點(diǎn)的生長(zhǎng)
Louis Brus報(bào)告了膠體半導(dǎo)體量子點(diǎn)的合成。
1985: 發(fā)現(xiàn)富勒烯
Harold Kroto、Sean O’Brien、Robert Curl和Richard Smalley發(fā)現(xiàn)了C60富勒烯分子。
1986: 原子力顯微鏡
Gerd Binnig、Calvin Quate和Christoph Gerber發(fā)明了原子力顯微鏡。
1988: 巨磁電阻
Albert Fert和Peter Grünberg在多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻。
1990: 原子尺度的操控
Don Eigler和Erhard Schweizer使用掃描電子顯微鏡操控鎳表面上的單個(gè)氙原子，寫出字母“IBM”。
1991: 碳納米管
飯島澄男報(bào)告了碳納米管的生長(zhǎng)。一年之后，Millie Dresselhaus及同事提出一種可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)金屬與半導(dǎo)體納米管比例的理論。
1992: 分子篩
Charles Kresge發(fā)明了介孔分子篩材料MCM-41和MCM-48。
1993: 量子圍欄
Michael Crommie、Christopher Lutz和Don Eigler報(bào)告鐵原子在銅表面形成的量子圍欄囚禁了電子。
1994: 受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)
Stefan Hell和Jan Wichmann提出受激發(fā)射損耗顯微術(shù)，打破了光學(xué)成像的衍射極限。
1994: 雙穩(wěn)態(tài)分子梭
Fraser Stoddart演示了一個(gè)可通過化學(xué)方法切換的雙穩(wěn)態(tài)分子梭。
1994: 模板納米線
Martin Moskovits使用多孔陽極氧化鋁作為模板，制備有序納米線陣列。
1996: 納米孔基因測(cè)序
John Kasianowicz、Eric Brandin、Daniel Branton和David Deamer將一個(gè)DNA單鏈穿過脂質(zhì)雙層膜內(nèi)的納米孔。
1997: 球差校正掃描隧道顯微鏡
Ondrej Krivanek校正了掃描隧道電鏡的球差。
1998: 光異常透射
Ebbesen、Lezec、Ghaemi、Thio和Wolff觀察到了金屬薄膜上的亞波長(zhǎng)孔陣的光異常透射現(xiàn)象。
1998: 電子墨水
Comiskey、Albert、Yoshizawa和Jacobson發(fā)明了電子墨水。
1998: 晶態(tài)納米線
Charles Lieber、Lars Samuelsson和Kenji Hiruma獨(dú)立開發(fā)出制備晶態(tài)半導(dǎo)體納米線的技術(shù)。
1999: 分子馬達(dá)
Ben Feringa和Ross Kelly分別報(bào)告了光驅(qū)分子馬達(dá)和化學(xué)驅(qū)動(dòng)分子馬達(dá)。
2001: 納米線激光器
楊培東展示了室溫納米線激光器。
2004: 石墨烯的分離
Andre Geim和Konstantin Novoselov發(fā)明了一種剝離單層石墨烯的技術(shù)。
2006: DNA折紙術(shù)
Paul Rothemund展示了一種將DNA單鏈折疊成復(fù)雜的二維形狀的方法。
2013: 人造核糖體
David Leigh創(chuàng)造了一個(gè)相當(dāng)于人工核糖體的分子機(jī)器，可將氨基酸按特定順序連接起來。
不斷崛起的中國(guó)納米科研
過去二十年，中國(guó)的科研產(chǎn)出實(shí)現(xiàn)了人類有史以來前所未有的增長(zhǎng)速度，這已不是 什么秘密。1997年，中國(guó)的科研人員參與撰寫的科研論文約占科學(xué)引文索引（簡(jiǎn)稱 SCI，現(xiàn)由科睿唯安編制）期刊全球所發(fā)表的論文數(shù)量的2%。目前，中國(guó)幾乎貢獻(xiàn)了全球四分之一的原創(chuàng)論文。其中，最能突出展現(xiàn)這一發(fā)展趨勢(shì)的研究領(lǐng)域幾乎非納米科學(xué)與技術(shù)莫屬了。
為了更好地理解中國(guó)納米科研的興起，我們將分別從原創(chuàng)科研論文數(shù)量、自然科研最新推出的Nano 數(shù)據(jù)庫收錄的科研貢獻(xiàn)，以及專利產(chǎn)出情況這幾個(gè)方面，將中國(guó)與世界其他主要科研國(guó)家的科研產(chǎn)出進(jìn)行對(duì)比。
過去二十年的論文產(chǎn)出
為了開啟這個(gè)有關(guān)中國(guó)納米研究狀況的調(diào)查，我們根據(jù) SCI 的擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫，使用與‘納米科學(xué)與技術(shù)’相關(guān)的關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，由此獲得全球主要科研強(qiáng)國(guó)逐年的論文發(fā)表數(shù)量。計(jì)入的這些論文主題涵蓋了諸如‘納米管’、‘量子點(diǎn)’、‘原子力顯微鏡’等專業(yè)詞（詳細(xì)的研究方法見附錄 1）。
1997 年，全球共發(fā)表了約 1.3 萬篇與納米科學(xué)相關(guān)的論文。到2016年，已增至15.4萬篇，復(fù)合年均增長(zhǎng)率達(dá) 14%，高于所有領(lǐng)域平均3.7%的論文復(fù)合年均增長(zhǎng)率，幾乎是其四倍。同期，中國(guó)納米方面的論文產(chǎn)出由1997年 的820篇增至2016年的5.2萬余篇，復(fù)合年均增長(zhǎng)率達(dá)24%（圖1）。
毫不令人驚訝，納米領(lǐng)域的科研產(chǎn)出占總體科研產(chǎn)出的比例也有大幅提升（ 圖 2）。20年前，全球發(fā)表的科研論文中，大約只有 2% 涉及納米科學(xué)與技術(shù)。如今，這一比例已增至10%以上。在此期間，納米領(lǐng)域的科研論文對(duì)整體科研產(chǎn)出的貢獻(xiàn)率，只有中國(guó)和韓國(guó)超過了全球平均水平。現(xiàn)在，印度也加入了這一陣營(yíng)。這三個(gè)國(guó)家的納米研究占總體科研產(chǎn)出的比例，幾乎是該領(lǐng)域其它所有領(lǐng)先國(guó)家的兩倍左右。
與全球產(chǎn)出進(jìn)行對(duì)比，中國(guó)納米科研的增長(zhǎng)就更加令人印象深刻了（圖3）。中國(guó)對(duì)全球納米科研的貢獻(xiàn)一直保持穩(wěn)步增長(zhǎng)。1997 年，與納米相關(guān)的SCI論文中只有6%涉及中國(guó)作者，到 2010 年，中國(guó)已與美國(guó)旗鼓相當(dāng)。目前，中國(guó)貢獻(xiàn)了全球超過三分之一的納米科研論文，幾乎是美國(guó)的兩倍。在中國(guó)飛速增長(zhǎng)的背景下，只有韓國(guó)和印度也實(shí)現(xiàn)了增長(zhǎng)，而其它多數(shù)國(guó)家的納米科研論文產(chǎn)出的全球占比，不是增長(zhǎng)平緩，就是緩慢下滑。不過，必須強(qiáng)調(diào)的是，雖然這些國(guó)家的相對(duì)貢獻(xiàn)在下降，但多數(shù)國(guó)家納米科研論文的總產(chǎn)出仍在繼續(xù)增長(zhǎng)（圖 1）。
中國(guó)高影響力納米研究的增長(zhǎng)
當(dāng)衡量任何特定科研的影響力時(shí)，應(yīng)該注意單純的數(shù)量并不等同于質(zhì)量。而且，雖然衡量一個(gè)國(guó)家或機(jī)構(gòu)科研產(chǎn)出的數(shù)量相對(duì)直接，但確定產(chǎn)出的質(zhì)量則更具有挑戰(zhàn)性。目前尚無普遍接受的評(píng)估科研質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。不過，通常用來衡量一項(xiàng)研究影響力的方法之一就是它的被引用次數(shù)。為此，我們分析了 SCI 中與納米科學(xué)和技術(shù)相關(guān)的被引頻次在前 1% 的論文（圖 4）。
我們發(fā)現(xiàn)，與納米科研在總體科研產(chǎn)出中的增長(zhǎng)比率相似，中國(guó)對(duì)納米科研領(lǐng)域高被引論文的貢獻(xiàn)率也有大幅增長(zhǎng)，甚至超越了前者。2007 年以來，中國(guó)在納米領(lǐng)域的高被引論文占比更高，逐年增長(zhǎng)率甚至超過了該領(lǐng)域總產(chǎn)出占比的增長(zhǎng)，達(dá)到了22% 的復(fù)合年均增長(zhǎng)率，是全球增長(zhǎng)率的三倍多。中國(guó)在 2014 年超過美國(guó)，其貢獻(xiàn)已是除美國(guó)以外其它國(guó)家的數(shù)倍之多。
中國(guó)科研機(jī)構(gòu)引領(lǐng)全球
在中國(guó)崛起為納米科研強(qiáng)國(guó)的過程中，中國(guó)科學(xué)院發(fā)揮了重要的推動(dòng)作用。十年前，中科院對(duì)該領(lǐng)域高被引論文的貢獻(xiàn)已頗為可觀，在全球機(jī)構(gòu)中排名第三，僅次于加州大學(xué)系統(tǒng)和美國(guó)能源部。自那時(shí)起，其地位日益提升，目前已是全球納米領(lǐng)域最主要的高影響力論文產(chǎn)出機(jī)構(gòu)，并大幅領(lǐng)先其它機(jī)構(gòu)。目前，中科院在前 1% 高被引納米科研論文的產(chǎn)量上，已經(jīng)是位居其后的競(jìng)爭(zhēng)者的兩倍以上。
除中科院之外，另有五家中國(guó)機(jī)構(gòu)在前 1% 高被引納米科研論文的總產(chǎn)出方面，位列全球前 20，即清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和北京大學(xué)（圖 5）。
中國(guó)納米科研的飛速發(fā)展，與其對(duì)該研究領(lǐng)域持續(xù)和大力的資金支持密切相關(guān)。早在 1990 年，國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)，即中國(guó)科學(xué)技術(shù)部（簡(jiǎn)稱科技部）的前身，便將納米材料科學(xué)列入國(guó)家“ 攀登”項(xiàng)目。大約十年后，科技部又資助了國(guó)家級(jí)納米材料與納米結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，并提供持續(xù)的資助，促進(jìn)了中國(guó)納米材料領(lǐng)域的科研產(chǎn)出。1990年代，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也資助了近千項(xiàng)小型的納米科研項(xiàng)目3。在 2006 年初中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006 ～ 2020年）》中，納米科學(xué)被列為四項(xiàng)重點(diǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，并是其中獲得資助最多的領(lǐng)域4。
政府有力的資金支持，吸引了越來越多的中國(guó)科學(xué)家投身于納米材料的研究。此外，越來越多有海外留學(xué)背景的科學(xué)家在“海歸潮”中回國(guó)，這也有助于中國(guó)納米科研的迅速崛起——這一發(fā)展趨勢(shì)有望在可預(yù)見的未來繼續(xù)保持下去。
Nano數(shù)據(jù)庫中見趨勢(shì)
為了更詳細(xì)地了解中國(guó)納米科學(xué)發(fā)展的特別優(yōu)勢(shì)和側(cè)重點(diǎn)，我們將借助于Nano 數(shù)據(jù)庫。這是自然科研新近開發(fā)的一個(gè)綜合平臺(tái)，旨在幫助研究人員及時(shí)了解最新的納米科學(xué)與技術(shù)發(fā)展。該數(shù)據(jù)庫包括了幾千種納米材料和設(shè)備在性能、應(yīng)用和制備方法上的詳細(xì)信息，這些信息定期摘選自發(fā)表納米研究的 30 本最頂級(jí)的期刊，如《科學(xué)》、《自然》、《先進(jìn)材料》、《納米通訊》等（完整名單見附錄2）。
該數(shù)據(jù)庫的建立得到 60 余名納米科研專家的支持，他們將這些期刊發(fā)表的論文中所包含的信息進(jìn)行篩選整理并加以歸類。在人工篩選的同時(shí)，他們的這些知識(shí)被用來訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢索，使之能夠從167本同行評(píng)議期刊所發(fā)表的論文中提取詳細(xì)的納米相關(guān)信息。為了編寫這份白皮書，我們采用了建立 Nano 數(shù)據(jù)庫所用的人工整理信息，這些信息是從30本納米科研頂級(jí)期刊2014至2016年發(fā)表的論文中提取的。
納米科學(xué)的重點(diǎn)研究方向
通過分析Nano數(shù)據(jù)庫中發(fā)表于2014-2016年期間的涉及納米材料的論文，我們發(fā)現(xiàn)中國(guó)科學(xué)家對(duì)多種納米材料都有研究，其中最常見的是納米結(jié)構(gòu)材料、納米顆粒、納米片、多孔納米材料和納米器件。這與其它納米研究強(qiáng)國(guó)最熱門的納米材料類別大同小異（圖 6）。值得注意的是，中國(guó)對(duì)納米多孔材料的研究力度相對(duì)更大，有關(guān)納米器件的論文在過去三年有快速的增長(zhǎng)。
新興的納米結(jié)構(gòu)是指十大重點(diǎn)研究類別之外的， 但 在2014至2016年期間有更顯著科研產(chǎn)出增長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)。在我們分析研究的八個(gè)納米科研強(qiáng)國(guó)中，超分子化學(xué)是最受關(guān)注的新興納米結(jié)構(gòu)方向。除此之外，其他新興納米結(jié)構(gòu)的研究，如富勒烯、DNA 折 紙 術(shù) 和 納 米凝膠等，在中國(guó)也有快速增長(zhǎng)。而在其它國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)和日本，一個(gè)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域是納米囊。
研究的不同應(yīng)用
納米結(jié)構(gòu)的研究通常有助于功能材料的開發(fā)。Nano 數(shù)據(jù)庫中收錄的論文在報(bào)告各種納米材料的時(shí)候，也會(huì)討論材料的應(yīng)用前景。在我們調(diào)查的八個(gè)納米科研強(qiáng)國(guó)中，與催化、電子產(chǎn)品、醫(yī)藥和能源相關(guān)的應(yīng)用是最普遍的應(yīng)用研究領(lǐng)域，但國(guó)與國(guó)之間會(huì)有差別。例如，中國(guó)催化研究方面的論文最多，美國(guó)則以用于電子產(chǎn)品的納米材料研究領(lǐng)先全球（圖 7）。
中國(guó)的催化研究有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，大部分高質(zhì)量的納米科研論文都出自催化研究領(lǐng)域。一些受訪的中國(guó)納米科研專家指出，中國(guó)的催化研究有傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)以前發(fā)展化工工業(yè)或許對(duì)此有帶動(dòng)作用。中國(guó)很多頗有建樹的化學(xué)家都專注于催化材料研究，并為該領(lǐng)域培養(yǎng)出一批年輕科學(xué)家，推動(dòng)了納米催化研究的持續(xù)發(fā)展。
納米醫(yī)學(xué)是Nano數(shù)據(jù)庫收錄的中國(guó)科研論文所專注的第二大應(yīng)用研究領(lǐng)域，尤其是醫(yī)療診斷方面的研究很突出。這或許令一些人感到意外，因?yàn)橹袊?guó)的生命科學(xué)研究，不論是產(chǎn)出還是影響力，通常都落后于美國(guó)和歐洲。這表明納米醫(yī)學(xué)或有助于中國(guó)發(fā)揮其化學(xué)和材料科學(xué)上的優(yōu)勢(shì)，在生命科學(xué)方面拓展一個(gè)重要的特色領(lǐng)域。
與能源相關(guān)的應(yīng)用，尤其是儲(chǔ)能和產(chǎn)能，是中國(guó)納米科研常常關(guān)注的又一領(lǐng)域。這也是近三年來中國(guó)十大熱門納米材料應(yīng)用中，增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。由于面臨著應(yīng)對(duì)日益惡化的環(huán)境問題的壓力，中國(guó)正在大力投入研發(fā)新能源，以及有助于節(jié)能和環(huán)境治理的新技術(shù)。納米材料所展現(xiàn)的潛力，讓能源納米技術(shù)成為一個(gè)頗具前景的領(lǐng)域，并吸引中國(guó)眾多科研人員投入其中，他們?cè)S多人在納米材料電池和能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化的研究方面已處于世界領(lǐng)先地位。
與其它科研強(qiáng)國(guó)相比，中國(guó)在納米材料的電子應(yīng)用方面還相對(duì)較弱。但機(jī)器人和激光已成為中國(guó)新興的納米應(yīng)用研究領(lǐng)域，即不在十大應(yīng)用研究之列，卻在近三年取得研究產(chǎn)出的快速增長(zhǎng)。同時(shí)，中國(guó)涉及光子和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等應(yīng)用的納米科研論文也有顯著增長(zhǎng)。
基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的對(duì)比
納米科學(xué)與技術(shù)，因其廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)影響力，從本質(zhì)上來說具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。所以，與納米技術(shù)相關(guān)的專利申請(qǐng)數(shù)量很龐大且穩(wěn)步增長(zhǎng)。但在全球范圍，專利申請(qǐng)的增長(zhǎng)速度卻不及SCI論文。兩相對(duì)比，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的國(guó)家各有優(yōu)勢(shì)。
中國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)相較于SCI論文數(shù)的比率明顯高于美國(guó)和歐洲多數(shù)的納米科研強(qiáng)國(guó)，這與全球趨勢(shì)相反，但與日本和韓國(guó)的情況相似。在這三個(gè)亞洲國(guó)家，納米方面的專利申請(qǐng)量通常高于SCI論文發(fā)表量，而在大多數(shù)西方國(guó)家，情況剛好相反。
基于Nano數(shù)據(jù)庫的分析也得到類似的結(jié)果。數(shù)據(jù)庫所收錄的論文中，中國(guó)有更多的論文明確提及論文所描述的納米結(jié)構(gòu)或材料的應(yīng)用，其比例顯著高于美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本和法國(guó)等多數(shù)科研強(qiáng)國(guó)（圖 8）。只有韓國(guó)和澳大利亞與中國(guó)的情況相似。
一些受訪的中國(guó)納米科研專家指出，政府的資助政策和科研評(píng)估體系發(fā)揮了重要的導(dǎo)向作用。通常，世界各國(guó)都很重視科研的應(yīng)用價(jià)值。在中國(guó)，由于政府對(duì)科研的資助力度很大，其導(dǎo)向作用容易被放大。
合作發(fā)揮的作用
合作可以吸引來不同的科研資源、專長(zhǎng)和觀點(diǎn)，因此日益成為科學(xué)研究的重要組成部分。納米研究作為一個(gè)跨學(xué)科程度很高的領(lǐng)域，其合作范圍也更為廣泛。與 SCI 論文的整體產(chǎn)出相比，與納米相關(guān)的科研產(chǎn)出通常有更高的國(guó)際合作程度。
中國(guó)非常重視國(guó)際科研合作，因此中國(guó)涉及國(guó)際合著的論文比例也在逐年增高。根據(jù)SCI的數(shù)據(jù)，中國(guó)總體科研產(chǎn)出中涉及國(guó)際合作的比例自2010年一直在增長(zhǎng)，2016年已達(dá)24%5。Nano數(shù)據(jù)庫收錄的與納米材料相關(guān)的高質(zhì)量論文中，涉及中國(guó)與國(guó)際合作的論文比例也從2014年的36%增至2016年的44%（圖 9）。然 而，中國(guó)在納米領(lǐng)域的國(guó)際合作程度雖與韓國(guó)相近，但明顯低于西方國(guó)家，而且合作增長(zhǎng)的速度也不如美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)。
美國(guó)是中國(guó)納米科研領(lǐng)域最大的國(guó)際合作國(guó)。在Nano數(shù)據(jù)庫收錄的30本頂級(jí)期刊中，中國(guó)發(fā)表的納米方面的國(guó)際合作論文有55%是與美國(guó)合作的。2014至2016年，美國(guó)與中國(guó)合作發(fā)表了2,123篇納米科研論文，占美國(guó)這三年來所發(fā)表的高質(zhì)量納米科研論文總數(shù)的21%。接下來，與中國(guó)在納米領(lǐng)域有高質(zhì)量科研合作的國(guó)家依次為德國(guó)、澳大利亞和日本。尤其是，中國(guó)是澳大利亞重要的科研合作國(guó)，雙方合作的論文約占該國(guó)在這 30 本頂級(jí)期刊所發(fā)表的納米科研論文的三分之一。
中國(guó)的專利產(chǎn)出
盡管專利只是基礎(chǔ)知識(shí)轉(zhuǎn)化為商用技術(shù)過程中的一小部分，但它通常是反映科研實(shí)際影響力的主要指標(biāo)。科睿唯安的德溫特專利數(shù)據(jù)庫（Derwent Innovation Index）收集了近二十年來納米科學(xué)與技術(shù)方面的專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)。我們利用這些專利數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)納米科研應(yīng)用于納米技術(shù)的趨勢(shì)進(jìn)行了分析。
以納米科技相關(guān)的關(guān)鍵詞和國(guó)際專利分類代碼為檢索策略，我們檢索了1997至2016年之間（基于最早優(yōu)先權(quán)年或基本專利申請(qǐng)時(shí)間）申請(qǐng)的與納米科技相關(guān)的466,884個(gè)專利家族，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)方面的專利申請(qǐng)量在全球呈總體上升趨勢(shì)。專利申請(qǐng)量從1997年的2,826件增至2015年的51,389件6。其中，中國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量的增長(zhǎng)尤為迅速，現(xiàn)已領(lǐng)先世界。同時(shí)，中國(guó)納米專利申請(qǐng)所涉領(lǐng)域非常廣泛，盡管各領(lǐng)域的增長(zhǎng)模式各有不同。
中國(guó)的納米專利申請(qǐng)量位列世界第一，這與中國(guó)納米科研強(qiáng)國(guó)的地位相一致。過去二十年，中國(guó)的納米專利申請(qǐng)量累計(jì)達(dá)209,344件，占全球總量的45%，是美國(guó)同期累計(jì)申請(qǐng)總量的兩倍以上，美國(guó)是全球第二大納米專利貢獻(xiàn)國(guó)。自2008年起，中國(guó)的年度專利申請(qǐng)量即已超過美國(guó)，成為世界第一，其增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于世界平均水平（圖 10）。
很多對(duì)自己的研究成果或技術(shù)充滿信心的中國(guó)科研人員還會(huì)去申請(qǐng)國(guó)際專利 , 以求自己的專利技術(shù)能在其他國(guó)家也受到法律保護(hù)。中國(guó)的國(guó)際專利申請(qǐng)量近年來在穩(wěn)步增長(zhǎng)，從2000年的10件左右增至2014年的748件。但是，中國(guó)國(guó)際專利的增長(zhǎng)遠(yuǎn)不及其納米專利申請(qǐng)總量的飛速增長(zhǎng)。與其它科技發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，中國(guó)在國(guó)外申請(qǐng)的納米專利數(shù)量仍較少，僅占過去 20年累積專利申請(qǐng)總量的2.61%，而在美國(guó)，這一比例高達(dá)近50%。一些歐洲國(guó)家，如英國(guó)和法國(guó)，有超過70%的納米專利都是非本國(guó)專利。
中國(guó)有五家機(jī)構(gòu)，即中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、鴻海精密工業(yè)股份有限公司和天津大學(xué)，位列全球十大納米專利的機(jī)構(gòu)申請(qǐng)者。其中，中科院自 2008 年即位居全球首位，過去20年總共申請(qǐng)了11,218件納米專利。有意思的是，位居前十的其他機(jī)構(gòu)申請(qǐng)者，如韓國(guó)的三星集團(tuán)、LG集團(tuán)、日本的富士膠片公司和美國(guó)的IBM都是商業(yè)公司。而中國(guó)在專利申請(qǐng)中居主導(dǎo)地位的往往是科研和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。這也許反映出中國(guó)科研人員很重視研究成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，以及中國(guó)科研機(jī)構(gòu)在研發(fā)上的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。但另一方面，這也凸顯出中國(guó)企業(yè)在研發(fā)上的相對(duì)弱勢(shì)。
中國(guó)納米技術(shù)專利的覆蓋范圍
從全球范圍來說，納米專利申請(qǐng)主要集中在基本電氣元件和電子產(chǎn)品、化學(xué)和冶金、醫(yī)藥衛(wèi)生、超微技術(shù)和材料等領(lǐng)域。近二十年來，與醫(yī)藥衛(wèi)生類的器件和技術(shù)、高分子材料，以及催化和膠體化學(xué)相關(guān)的專利申請(qǐng)呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；而半導(dǎo)體器件相關(guān)的專利，雖然是最常見的納米技術(shù)專利類別，卻在2012年之后不斷下降。超微技術(shù)的專利曾在該段時(shí)間的前15年迅速增長(zhǎng)，但在 2011 年達(dá)到頂峰后開始下降。
中國(guó)在多個(gè)熱門納米技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都有大量的專利申請(qǐng)，其中最多的是高分子合成和超分子化合物的專利。相比較而言，美國(guó)、日本、韓國(guó)主要申請(qǐng)的是半導(dǎo)體器件和電子產(chǎn)品的專利，其中美國(guó)半導(dǎo)體器件的專利申請(qǐng)總量位居全球第一（圖11）。 這與Nano數(shù)據(jù)庫中涉及應(yīng)用的科研論文的情況基本一致。
從專利增長(zhǎng)趨勢(shì)上來看，高分子合成和超分子化合物是中國(guó)納米專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。這包括了涂料、打印墨水、染料、粘合劑、纖維材料和紡織品加工處理技術(shù)等。此外，催化等促成物理或化學(xué)過程的技術(shù)或裝置的專利申請(qǐng)，在中國(guó)的增速也很快。
行業(yè)專家展望中國(guó)納米科技前景
科研產(chǎn)出和專利申請(qǐng)數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，都描繪出中國(guó)納米科學(xué)發(fā)展的美好前景。不論是傳統(tǒng)的強(qiáng)項(xiàng)學(xué)科，還是新興領(lǐng)域，中國(guó)的納米科學(xué)都表現(xiàn)出巨大的潛力。但是，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。為了對(duì)此有更深入的理解，我們采訪了中國(guó)納米科研界不同研究方向的專家。
機(jī)遇
在中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，以及政府大力扶持和倡導(dǎo)科技創(chuàng)新的前景之下，中國(guó)的科技投入，尤其是對(duì)納米科學(xué)和技術(shù)的投入有望繼續(xù)增加。
中國(guó)政府各部委和相關(guān)機(jī)構(gòu)已制定了科研計(jì)劃，為納米科學(xué)和技術(shù)提供持續(xù)的經(jīng)費(fèi)支持。這包括了科技部、教育部和自然科學(xué)基金委員會(huì)等中國(guó)主要的科研經(jīng)費(fèi)資助機(jī)構(gòu)。最近五年，僅教育部就已為各高校撥付了逾5億元人民幣的納米科研預(yù)算資金。中科院也啟動(dòng)了納米先導(dǎo)專項(xiàng)，投入了約10億元人民幣。具體來說，大量?jī)?yōu)質(zhì)資源被投入納米材料、表征技術(shù)、納米器件與制造、納米催化技術(shù)與納米生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中。在采訪中，專家們指出了納米科學(xué)幾個(gè)最具發(fā)展前景的領(lǐng)域。
催化
不少受訪專家認(rèn)為，催化技術(shù)和納米催化材料是中國(guó)最有發(fā)展前景的納米科學(xué)領(lǐng)域。這一觀點(diǎn)并不出人意料，因?yàn)橹袊?guó)在該領(lǐng)域已擁有豐富的專業(yè)知識(shí)。以納米結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的催化劑能夠加快化學(xué)反應(yīng)，因此在化學(xué)或化工產(chǎn)業(yè)及煉油行業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景。例如，中國(guó)科學(xué)家最近研發(fā)了一種新的雙功能催化劑，能將煤氣化產(chǎn)生的合成氣直接轉(zhuǎn)化為低碳烯烴——生產(chǎn)塑料等材料的重要原料。他們的方法突破了煤化工業(yè)一直沿襲的費(fèi)托合成的選擇性限制，大幅提高了轉(zhuǎn)化效率，并已經(jīng)成功吸引了多家化工企業(yè)，共同開發(fā)催化劑制備和工藝過程，將這一原創(chuàng)性成果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。工業(yè)需求的不斷增長(zhǎng)會(huì)繼續(xù)推動(dòng)納米催化劑的發(fā)展。中國(guó)有望繼續(xù)保持該領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
不過，受訪專家也認(rèn)為，對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為精準(zhǔn)的控制仍舊是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，這需要能生產(chǎn)出高效率、高活性、高選擇性和長(zhǎng)壽命的催化劑。有些專家指出，合成一種新的催化劑并就此發(fā)表論文相對(duì)而言并不困難；我們真正需要努力的，是尋找新的合成方法和更好地控制組裝過程。而且，發(fā)表更多的論文并非唯一的目標(biāo)。“它們（論文）真那么重要嗎？（合成的催化劑）真能用于工業(yè)生產(chǎn)嗎？”一位專家指出，他強(qiáng)調(diào)科研人員應(yīng)該思考科研的價(jià)值，讓中國(guó)納米催化的發(fā)展更上一層樓。
能源
能源的重要性和發(fā)展可再生能源的必要性已被廣泛認(rèn)可，尤其是在中國(guó)——日益突出的環(huán)境問題已引起了政府的高度重視。中國(guó)致力于長(zhǎng)期投資新能源的研究，這為中國(guó)納米能源的發(fā)展帶來光明前景。該領(lǐng)域的一位青年專家說：“納米技術(shù)在能源產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用有著廣闊的前景，我們很可能在接下來的5到10年里就會(huì)有重大突破。”據(jù)其介紹，太陽能產(chǎn)業(yè)的上游在中國(guó)，這為做新能源研發(fā)的科研人員帶來豐富資源，有利于他們挖掘源頭。由于中國(guó)政府具有強(qiáng)大的資源調(diào)動(dòng)能力，因此開發(fā)納米能源技術(shù)和推廣可再生能源方面，中國(guó)比美國(guó)更有優(yōu)勢(shì)。
中國(guó)某些領(lǐng)域的納米能源研究已引領(lǐng)世界，尤其是鋰離子電池的開發(fā)。最近，一個(gè)中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種折疊式氧化石墨烯薄膜設(shè)備，能利用太陽能淡化鹽水，淡化過程中的熱量損失被降到最低，效率很高。中國(guó)還有許多研究團(tuán)隊(duì)正在為開發(fā)低成本、高效率的鈣鈦礦太陽能電池作出重要貢獻(xiàn)。
醫(yī)藥
與能源一樣，健康和醫(yī)藥與每個(gè)人的日常生活息息相關(guān)，這使納米醫(yī)藥成為一個(gè)新的充滿潛力的領(lǐng)域。該領(lǐng)域一位專家說：“納米醫(yī)藥令人振奮的地方在于它在診斷和治療上的應(yīng)用。通過運(yùn)用納米技術(shù)，我們能夠控制藥物釋放并更好地實(shí)現(xiàn)靶向治療。”中國(guó)巨大的人口基數(shù)為臨床研究提供了大量案例和病人，這有助于促進(jìn)納米醫(yī)藥的轉(zhuǎn)化研究。
納米材料用于藥物傳送，以及納米粒子用來制成治療藥物，其潛力巨大。除此之外，受訪科學(xué)家們還對(duì)納米技術(shù)在醫(yī)療器械和醫(yī)學(xué)成像上的應(yīng)用前景寄予厚望。該領(lǐng)域一位專家說：“若將納米材料用到醫(yī)用電子設(shè)備或可穿戴設(shè)備，我們將會(huì)得到一些非常有價(jià)值的產(chǎn)品。”
然而，與西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的基礎(chǔ)生命科學(xué)研究和生物醫(yī)學(xué)研發(fā)仍較為薄弱。生物醫(yī)學(xué)專業(yè)知識(shí)的缺乏限制了納米醫(yī)藥的發(fā)展。目前中國(guó)從事納米醫(yī)藥研究的科學(xué)家大多擁有化學(xué)或材料科學(xué)背景，但動(dòng)物模型和臨床研究的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)有限。一位納米醫(yī)藥專家說：“缺乏生物學(xué)和醫(yī)學(xué)知識(shí)，是我在研究中面臨的最大挑戰(zhàn)。”不過，中國(guó)政府已對(duì)生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)進(jìn)行大量投入，這些領(lǐng)域的高質(zhì)量研究產(chǎn)出正在迅速增加。
挑戰(zhàn)
提升科研的社會(huì)影響力
中國(guó)政府對(duì)納米科學(xué)和技術(shù)有大量投入，旨在開發(fā)可用來產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。然而，盡管學(xué)術(shù)論文發(fā)表量及專利申請(qǐng)量都很高，中國(guó)納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)影響力仍舊有限。納米科學(xué)和納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化之間仍存在差距。
多數(shù)接受采訪的納米科研人員都認(rèn)為，政府需要在應(yīng)用研究上有更多投入，以促進(jìn)納米科研成果的轉(zhuǎn)化。“相對(duì)來說，我們國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)性納米科學(xué)研究提供的支持還是很充裕的。”一名研究者說。“但是對(duì)應(yīng)用研究的投入還是不夠。”他所說的應(yīng)用研究是指以產(chǎn)品商業(yè)化為目標(biāo)的研發(fā)工作。在一些研究人員看來，這類應(yīng)用研究要比基礎(chǔ)性納米研究耗費(fèi)更多的資金，一項(xiàng)產(chǎn)品或技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，或生產(chǎn)規(guī)模的相應(yīng)提高可能需要數(shù)十億元人民幣。“企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)和商業(yè)化方面占有優(yōu)勢(shì)，他們應(yīng)該參與進(jìn)來。”另一位研究者說。“他們（企業(yè)）作為納米技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的重要參與者，應(yīng)受到鼓勵(lì)在研發(fā)上有更大的投入。”
“在我看來，基礎(chǔ)研究就是產(chǎn)生新知識(shí)、新觀念或新想法，而應(yīng)用研究則側(cè)重于能產(chǎn)生實(shí)際影響的應(yīng)用和新產(chǎn)品。但是現(xiàn)在，許多人游走在兩者之間，因此有了許多重復(fù)研究。還有很多人只是跟風(fēng)。我個(gè)人認(rèn)為，我們要更加（重視）應(yīng)用。”
目前，產(chǎn)業(yè)部門在一定程度上參與了進(jìn)來。許多納米科研人員頻繁與企業(yè)開展合作，也有越來越多的企業(yè)愿意與大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家合作，為他們提供科研資金并一起研發(fā)新技術(shù)或產(chǎn)品。有些企業(yè)還大力投資研發(fā)，建立了自己的研究部門。但是這還不夠。中國(guó)納米科學(xué)的產(chǎn)業(yè)合作程度（以與產(chǎn)業(yè)界人士合著的論文所占比例來看）雖然在逐年提高，但與其他科研大國(guó)相比，仍舊較低。就像一位納米科研人員所說：“政府需要進(jìn)一步鼓勵(lì)企業(yè)的研發(fā)工作，并優(yōu)化有利于科技成果產(chǎn)業(yè)化的機(jī)制。”人們知道，要真正動(dòng)員企業(yè)投入研發(fā)，就需要有完善的機(jī)制，為科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界架起一座對(duì)話的橋梁，簡(jiǎn)化科技成果產(chǎn)業(yè)化的流程，并保持投資渠道通暢。
“如果問我最想看到什么變化，那就是對(duì)納米技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用研究的投入應(yīng)該更大。”
如何加強(qiáng)納米科研成果的應(yīng)用被認(rèn)為是中國(guó)納米科學(xué)發(fā)展所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。這是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，相關(guān)研究者建議產(chǎn)業(yè)化過程需要循序漸進(jìn)，并警惕急功近利的行為。中國(guó)政府承諾資金支持納米技術(shù)的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，這是一大利好。為了擴(kuò)大科研的社會(huì)影響力，科學(xué)家應(yīng)在引導(dǎo)經(jīng)費(fèi)投資方向上發(fā)揮更大的作用，他們掌握前沿的科技知識(shí)，因此對(duì)顛覆性技術(shù)的預(yù)見力，要強(qiáng)于產(chǎn)業(yè)領(lǐng)袖或政策制定者。
平衡應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究
實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)生積極的社會(huì)影響是納米技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，但是基礎(chǔ)研究仍是應(yīng)用的立足點(diǎn)與推動(dòng)力。對(duì)大多數(shù)供職于大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家來說，他們的研究活動(dòng)還是應(yīng)該由科學(xué)上的好奇心所驅(qū)動(dòng)。因此，當(dāng)強(qiáng)調(diào)以應(yīng)用為重心的科技創(chuàng)新時(shí)，保持基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究之間的平衡就尤為重要。
世界上大多數(shù)意義深遠(yuǎn)的創(chuàng)新都源于基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)現(xiàn)。然而，中國(guó)在真正的創(chuàng)新研究方面仍相對(duì)落后。為了實(shí)現(xiàn)從零到一，給真正的創(chuàng)新打好基礎(chǔ)，我們需要有更多高質(zhì)量的基礎(chǔ)研究。就像一位研究者所言：“現(xiàn)在有很多針對(duì)應(yīng)用的討論，但是（我們）同樣需要做更多的基礎(chǔ)研究來理解不同納米材料的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并更好地控制這些結(jié)構(gòu)。”的確，這是最終推動(dòng)開發(fā)新型催化劑、高效太陽能電池和創(chuàng)新藥物傳送方法的根本。
“創(chuàng)新的種類有很多。中國(guó)研究者可能善于從1走到10（的創(chuàng)造發(fā)明），但從0到1的突破仍十分罕見，這對(duì)我們來說仍是一大挑戰(zhàn)。”
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，和多數(shù)西方國(guó)家相比，中國(guó)科研支出總量中通常只有一小部分用于基礎(chǔ)研究。這似乎與本白皮書中大多數(shù)受訪的納米科研人員的觀點(diǎn)相左。這可能是因?yàn)槿?/span>們對(duì)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究有不同的定義造成的。自然科研在兩年前曾做過一次調(diào)查，當(dāng)時(shí)受訪的科學(xué)家將納米科學(xué)和技術(shù)視為應(yīng)用研究，而認(rèn)為基礎(chǔ)研究指的是生命科學(xué)、物理科學(xué)或地質(zhì)科學(xué)，因?yàn)闆]有明確跡象表明它們能立即投入應(yīng)用。但是，在目前這項(xiàng)研究中，大部分納米科研人員所認(rèn)為的應(yīng)用研究是轉(zhuǎn)化研究，也就是將實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為市場(chǎng)上的產(chǎn)品。然而，就像一些研究者所建議的，或許商業(yè)公司應(yīng)該在縮小產(chǎn)業(yè)化與科研之間的差距上發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，而“教授的主要職責(zé)范圍應(yīng)該仍舊集中于科學(xué)研究。”或者，如另一位研究者所說的：“只要你在做好的研究，不必太在意它是基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究。”
從這個(gè)意義上來說，給予科學(xué)家充分的空間，讓他們自由探索自己的創(chuàng)新想法，追隨自己真正的科學(xué)興趣才是關(guān)鍵。過于追求論文發(fā)表數(shù)量或?qū)＠?/span>申請(qǐng)數(shù)量，都會(huì)讓研究目的從發(fā)現(xiàn)新知識(shí)偏離到成為一種生產(chǎn)論文和專利的手段。
“加強(qiáng)研究的應(yīng)用性非常重要，但是當(dāng)科研評(píng)估過分強(qiáng)調(diào)（衡量）應(yīng)用（價(jià)值）的定量指標(biāo)時(shí)，專利申請(qǐng)能帶來的實(shí)際意義往往會(huì)被削弱，”
“研究就像高斯曲線——很糟糕的研究不多，但是具有深遠(yuǎn)影響力的研究也很少。僅僅依靠引用次數(shù)并不是判斷研究重要性的好方法。”
鼓勵(lì)國(guó)際合作
在政府的大力支持下，越來越多有海外經(jīng)歷的中國(guó)科學(xué)家回到國(guó)內(nèi)工作。因此，受訪的納米科研人員相信，中國(guó)與其他國(guó)家的科研合作將會(huì)增加，國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)也會(huì)擴(kuò)展。數(shù)位年輕的研究者介紹說，他們經(jīng)常與海外的前同事、導(dǎo)師或同行開展合作，因為他們相互間已建立起密切的聯(lián)系。
十多年之前，中國(guó)的國(guó)際合作主要為了學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的專業(yè)知識(shí)或技術(shù)，而現(xiàn)在的國(guó)際合作則有所不同，更多是為了尋求知識(shí)和技能的互補(bǔ)。“不同國(guó)家的研究者有不同的背景，也有自己的專業(yè)領(lǐng)域。”一位納米科學(xué)專家說。“比如，我們最近與日本合作進(jìn)行一個(gè)針對(duì)治療胰腺癌的基因表達(dá)干預(yù)項(xiàng)目。我們擅長(zhǎng)處理納米材料，而日本研究者有扎實(shí)的醫(yī)學(xué)背景，以及動(dòng)物模型方面的豐富經(jīng)驗(yàn)。我們就可以取長(zhǎng)補(bǔ)短。”
此外，基于中國(guó)在納米科學(xué)一些領(lǐng)域的技術(shù)專長(zhǎng)，中國(guó)在越來越多的國(guó)際合作項(xiàng)目中正在發(fā)揮重要的領(lǐng)導(dǎo)作用。“我們已經(jīng)在能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)研究中處于領(lǐng)導(dǎo)地位，并在幾項(xiàng)新能源電池的合作項(xiàng)目中扮演重要角色。”一位專攻納米能源的研究者說。
就像一位資深研究者所說的，我們應(yīng)該進(jìn)一步鼓勵(lì)基于項(xiàng)目的合作，以便集中互補(bǔ)性的專業(yè)知識(shí)，提升研究的效率。盡管私人關(guān)系對(duì)合作非常重要，但“要想使合作研究真正可持續(xù)發(fā)展，培養(yǎng)合作的文化至關(guān)重要。”他表示，隨著人們?nèi)找嬉庾R(shí)到改善研究評(píng)估體系的必要性，一些可喜的變化正在慢慢發(fā)生。
加強(qiáng)學(xué)科間的合作
如前所述，納米科學(xué)本質(zhì)上是跨學(xué)科的，它涉及許多不同的傳統(tǒng)學(xué)科，如化學(xué)、物理、工程學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等。從下一代計(jì)算機(jī)芯片到未來的癌癥治療，所有這些領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步都取決于我們對(duì)這個(gè)世界如何在納米尺度上運(yùn)轉(zhuǎn)的理解。但是，即使是來自相近學(xué)科的研究者，比如物理和化學(xué)，他們往往用截然不同的語言描述自己眼中的世界。打破傳統(tǒng)學(xué)科之間的界限，建立真正跨學(xué)科的研究方法，對(duì)于促進(jìn)納米科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
“納米科學(xué)非常廣泛，其本質(zhì)就是跨學(xué)科的，這符合不同科學(xué)領(lǐng)域一體化的全球趨勢(shì)。因此，我們需要更多的跨學(xué)科合作。”
跟隨全球趨勢(shì)，目前許多中國(guó)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都十分重視跨學(xué)科研究。然而，就像一位研究者所指出的，中國(guó)在跨學(xué)科研究上仍相對(duì)薄弱。“大多數(shù)科研資助機(jī)構(gòu)，比如自然科學(xué)基金委，還是按照傳統(tǒng)學(xué)科分類來劃分資助項(xiàng)目，這其實(shí)不利于支持像納米科學(xué)這類跨學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。”他說道。
但是，大部分受訪科研人員對(duì)這種按傳統(tǒng)學(xué)科劃分經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目的做法并不十分介意，因?yàn)槎鄶?shù)納米科學(xué)研究者是化學(xué)家，他們只要申請(qǐng)化學(xué)類資助項(xiàng)目就可以了。此外，自然科學(xué)基金委還有一些針對(duì)納米科學(xué)的專門項(xiàng)目，科技部也是一樣。然而，有些研究人員提出，跨學(xué)科研究如囿于有限的范圍內(nèi)，就會(huì)阻礙納米科學(xué)的多樣化發(fā)展。多數(shù)時(shí)候，合作僅限于材料科學(xué)家或化學(xué)家，盡管也涉及某些不同的子學(xué)科方向。一個(gè)鼓勵(lì)化學(xué)家與生命科學(xué)家、環(huán)境科學(xué)家，甚至是地質(zhì)科學(xué)家開展更廣泛的跨學(xué)科合作的機(jī)制，尚有待建立。
“目前，納米科學(xué)領(lǐng)域的跨學(xué)科合作范圍仍舊很窄。打個(gè)比方，大多數(shù)（研究納米科學(xué)）的人都是學(xué)化學(xué)或材料背景的，而有物理學(xué)或醫(yī)學(xué)背景的卻不多。從這點(diǎn)來看，真正意義上的跨領(lǐng)域交流還不夠……我們需要組織更多的跨領(lǐng)域交流的論壇，還要學(xué)習(xí)彼此的語言，才好展開相互理解的對(duì)話。”
培養(yǎng)年輕科學(xué)家
我們?cè)诓稍L納米領(lǐng)域?qū)＜?span>的時(shí)候，大家都會(huì)談到一個(gè)話題：寄望下一代研究者能有更多了不起的想法和靈感，推動(dòng)納米科學(xué)的創(chuàng)新（所有學(xué)科都是如此）。利用好這一珍貴的人才資源，并不僅僅是確保中國(guó)的年輕研究者有足夠的研究經(jīng)費(fèi)，還要為他們的事業(yè)發(fā)展提供支持，或許更重要的是，讓他們能夠發(fā)出自己的聲音并傾聽他們的聲音。
中國(guó)政府已為年輕科學(xué)家提供大量支持，啟動(dòng)了多項(xiàng)針對(duì)年輕科學(xué)家的高端資助項(xiàng)目。比如，自然科學(xué)基金委的國(guó)家杰出青年科學(xué)基金，中央組織部的青年千人計(jì)劃，還有中科院的百人計(jì)劃。這些項(xiàng)目并 不限定特定的學(xué)科，讓入選的青年科學(xué)家能自由探索自己感興趣的領(lǐng)域。接受采訪的納米科學(xué)專家中有幾位在美國(guó)工作，他們說中國(guó)年輕的納米科學(xué)家從中國(guó)政府獲得的經(jīng)費(fèi)支持超過了美國(guó)或其他發(fā)達(dá)國(guó)家的同行。
但是經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)的競(jìng)爭(zhēng)正變得日益激烈，因?yàn)樵?/span>來越多的青年科學(xué)家進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，或從國(guó)外歸來。雖然太過激烈的競(jìng)爭(zhēng)可能會(huì)妨礙創(chuàng)新，但是大部分受訪青年科學(xué)家并不十分擔(dān)心經(jīng)費(fèi)的競(jìng)爭(zhēng)，而是更強(qiáng)調(diào)軟環(huán)境的重要性。他們希望能有渠道來表達(dá)自己的建議或創(chuàng)新的想法。
“在中國(guó)科研圈里，新陳代謝的速度要比美國(guó)和其他發(fā)達(dá)國(guó)家較慢。我們需要更加努力地推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域的研究更新……這不僅包括提供硬件設(shè)施或經(jīng)費(fèi)支持，軟環(huán)境同樣很重要。為了鼓勵(lì)新想法不斷冒出來，應(yīng)該支持年輕科學(xué)家有更多的話語權(quán)。”
而且，當(dāng)前許多面向年輕人的經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目都是基于申請(qǐng)人已取得的科研成就。目前的評(píng)估體系也偏向于重視過往成就或海外經(jīng)驗(yàn)。這讓一些有才華的青年研究者可能永遠(yuǎn)也得不到所需經(jīng)費(fèi)，一展宏圖。如何在事前選擇有潛力的研究者，這仍舊是一個(gè)難題，因此人才選拔機(jī)制需要加以改進(jìn)。
培養(yǎng)人才應(yīng)從優(yōu)化教育開始。要發(fā)展納米科學(xué)，使之成為可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)學(xué)科，提升其跨學(xué)科合作的程度，并提高研究質(zhì)量，都離不開有針對(duì)性的教育項(xiàng)目。過去幾十年，隨著納米技術(shù)的高速發(fā)展，許多世界知名大學(xué)建立了納米科學(xué)和納米技術(shù)專業(yè)，培養(yǎng)這方面的碩士和博士研究生。2010 年，蘇州大學(xué)與蘇州工業(yè)園區(qū)、加拿大滑鐵盧大學(xué)合作，成立了中國(guó)首個(gè)納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院。為了培養(yǎng)納米科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)人才，該學(xué)院首創(chuàng)了連貫式的本科、碩士和博士課程，將教學(xué)、科研和納米科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合在一起，是中國(guó)建立跨學(xué)科納米科學(xué)教育的首次嘗試。
為了滿足人們對(duì)納米專業(yè)人才不斷增長(zhǎng)的需求，中國(guó)科學(xué)院也決定在中科院大學(xué)建立一所納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院。這所新學(xué)院由國(guó)家納米科學(xué)和技術(shù)中心牽頭，著重把納米科學(xué)研究融入本科和碩博教育，旨在成為世界一流的培養(yǎng)具有納米科學(xué)和技術(shù)能力的跨學(xué)科人才的基地。國(guó)家納米中心主任指出，生物醫(yī)學(xué)、能源和信息技術(shù)等不同產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，都需要有掌握納米知識(shí)的跨學(xué)科人才。納米科學(xué)技術(shù)學(xué)院還有助于建立一個(gè)新的知識(shí)框架，融合多個(gè)學(xué)科，促進(jìn)人們對(duì)納米科學(xué)的理解，并使之成為學(xué)術(shù)系統(tǒng)中一個(gè)新的跨學(xué)科領(lǐng)域。
展望未來
50 年前，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料世界的納米級(jí)操控似乎還只是幻想。25年前， 正在研發(fā)工具將這個(gè)幻想變?yōu)?/span>現(xiàn)實(shí)的人們甚至也不相信這些工具會(huì)在不久的將來催生納米技術(shù)的商業(yè)化。如今，機(jī)器已能將DNA分子鏈穿過納米級(jí)寬的孔來進(jìn)行基因組測(cè)序，防曬霜里已有納米陶瓷粒子阻擋有害紫外線，制造計(jì)算機(jī)芯片的晶體管也只有10納米大小，這一切都是很平常的事。
中國(guó)納米科學(xué)和技術(shù)取得引人矚目的發(fā)展速度，這只有中國(guó)科技的發(fā)展是與之同步的。無論是科研產(chǎn)出總量還是影響力的科研產(chǎn)出，中國(guó)都是當(dāng)今世界納米研究的主要貢獻(xiàn)者，并遙遙領(lǐng)先。這一成就主要是建立在化學(xué)和材料科學(xué)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)之上。同時(shí)，中國(guó)也在納米科學(xué)應(yīng)用于生物技術(shù)方面逐漸發(fā)展新的優(yōu)勢(shì)。但如此快速的發(fā)展也不可避免地面臨著挑戰(zhàn)。
雖然納米科學(xué)由物理學(xué)家和化學(xué)家創(chuàng)立，但它已逐漸演化成一種在本質(zhì)上具有跨學(xué)科、廣泛性、合作性特點(diǎn)的科學(xué)領(lǐng)域。其發(fā)展速度取決于是否能夠吸取各個(gè)不同學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，也就是取決于物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家、材料科學(xué)家、臨床研究者和工程師是否能建立一種共同語言。這意味著研究機(jī)構(gòu)、政策制定者和科研資助機(jī)構(gòu)需要建立并擴(kuò)大有利于跨學(xué)科合作的項(xiàng)目，并避免簡(jiǎn)單地按物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和其他傳統(tǒng)學(xué)科來對(duì)研究項(xiàng)目進(jìn)行分類。
第一個(gè)用來全面描述該學(xué)科的詞語是納米技術(shù)，而不是納米科學(xué)，這并非巧合。雖然這個(gè)詞在幾十年就被創(chuàng)造出來，早于納米科學(xué)工具的商業(yè)使用，但這個(gè)領(lǐng)域的指導(dǎo)原則一直都是利用這些工具，幫助我們建設(shè)一個(gè)更美好的世界。這并不是說不應(yīng)當(dāng)繼續(xù)去大力支持那些好奇心驅(qū)使的研究——尤其是這類研究常常能夠帶來意想不到的、改變世界的發(fā)現(xiàn)。但是，我們白皮書訪談中的專家們都一致認(rèn)為，必須進(jìn)一步縮小基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)之間，以及應(yīng)用科學(xué)到實(shí)際解決方案的距離。
最后，我們與專家交談得最多的話題——也是對(duì)中國(guó)納米科學(xué)的未來有最重要意義的話題，就是他們期待中國(guó)下一代的納米科學(xué)家能成為該領(lǐng)域科研創(chuàng)新的最有力源泉。自然科學(xué)基金委等科研資助機(jī)構(gòu)對(duì)此并不會(huì)感到驚訝，因?yàn)樗麄円崖氏仍O(shè)立了面向青年科學(xué)家的資助項(xiàng)目。但是充足的經(jīng)費(fèi)并不能解決全部問題。教育同樣重要。國(guó)家納米中心等其他的中國(guó)機(jī)構(gòu)已為此開發(fā)專門的課程，幫助學(xué)生掌握傳統(tǒng)的物理學(xué)、化學(xué)或生物學(xué)之外的廣泛技能。
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[6] 由于專利保密期的要求，2015 和 2016 年的數(shù)據(jù)不完全。
中文pdf版下載：https://www.nature.com/press_releases/small_science_in_big_china_-_ch.pdf?foxtrotcallback=true
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