纳米技术的战略地位和我国纳米技术产业发展的机遇

　　一、纳米技术的基本概念

　　纳米是一个长度单位，一纳米是一米的十亿分之一。自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿学科，这就是纳米科技。

　　纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。就纳米材料来说，首先材料某一维的尺寸要在纳米量极之内，其次材料的物理、化学性质要发生质的变化。

　　让我们来回顾一下纳米科技诞生和发展的轨迹。
　　1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。
　　20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。
　　1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。
　　1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在２０年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。
　　1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
　　20世纪未21世纪初，纳米技术逐步走向市场。一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。

　　就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，是一米的十亿分之一，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

　　纳米技术是一种在纳米尺度空间内的生产方式和工作方式，并在纳米空间认识自然、创造一种新的技能。比如进入血管的机器人很小，将来它要工作的工具就必须是纳米材料。最近，科学家已经发明了纳米铲子、纳米勺子，血管机器人可以在血管里用这些工具来进行操作，这就是纳米工具，绝不象现在工具这样。

　纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料的制造技术，纳米材料向各个领域应用的技术(含高科技领域)，在纳米空间构筑一个器件实现对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。但是，我们不要把纳米技术仅仅看作是纳米材料，也不能把纳米材料仅仅理解为是纳米粉体。纳米粉体仅仅是纳米材料的一个内涵，实际上纳米丝、纳米管、纳米线、纳米电缆、纳米薄膜、三维纳米块体、复合材料等等都是纳米材料，范围相当广。另外，纳米材料不单纯是固态的，也有液态，例如纳米水，用高频超声处理，使水分子结成小汽团。

　　二、纳米技术的战略地位

　　2000年3月，美国总统克林顿向国会发布了关于美国纳米技术促进计划，标题是《纳米技术：要引发下一场工业革命》。这个报告一发布，立即在全世界引起强烈反响。接着，中国、日本、欧洲各国都纷纷布置，其他一些发展中国家也把发展纳米技术作为极其重要战略决策来进行实施。纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术。原因是这种技术能对社会发展、经济振兴、国家安全乃至人民生活水平的提高等各个领域都能起到关键作用，而且这种技术影响面极广，向各个领域渗透能力相当强，可以带动很多行业的发展。把纳米技术称为主导技术这是历史发展的必然结果。从第一次工业革命到现在，真正的主导技术出现过4次。第一次是在18世纪中叶，英国率先开展了一场革命，由农业经济过渡到工业经济，当时主导技术是蒸汽机将热能转换成机械能，利用这种能量的转换，给作坊式生产带来了一场变革，使英国成为当时世界上最先进的国家，当时的英国工业总产值位居世界第一；第二次是在18世纪末到19世纪初，随着冶炼技术的发展，钢铁技术和机械制造技术成为当时促进工业发展的主导技术，这时，德国异军突起，成为当时可以与英国抗衡的一个有代表性的先进国家；第三次是在19世纪中叶到19世纪末，电气化技术成为当时主导技术，美国把电气化技术作为主导技术来促进各个行业发展，使美国成为当时世界上最有代表性的先进国家；第四次是在20世纪，科学发展到登峰造极的地步，物理学、相对论、量子论促进了各个学科的发展，同时也带动各个领域技术的发展。50年代半导体研究和技术的发展及60年代激光的发现和各种晶体管的出现，引发了70年代一场新的变革，微电子全面代替真空电子，而日本抓住了这个机遇，以微电子技术、微米技术为中心，以家用电器为契机，把彩电、录音机、照相机、录相机、电冰箱、洗衣机等等产品推向全世界，使日本成为二战以后发展速度最快的经济大国，现在它的GDP仍然保持世界第二位。这场微电子代替真空电子的技术变革造就了一个新日本，同时，它也带动了今天IC、IT产业的集成电路、网络通讯、计算机等领域的发展。

　　21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为第5次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术，这已是不以人的意志为转移的客观规律。只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据有利地位。

　　之所以把纳米技术称为21世纪的主导技术，主要是基于以下几个方面：

　　1．从信息技术及其产业发展来看，计算机技术从20世纪70年代开始，每5—7年都有一个大变化。一是每18个月单位面积存储信息量要增加一倍，而且价格更便宜；二是计算机每隔5—7年尺寸要缩小10倍，价格便宜10倍，同时计算的速度提高10倍。1998年，美国明尼苏达大学率先研制出量子磁盘，已经进入市场，2005年将创造400亿的产值。一个量子磁盘只有100纳米大小，完全是纳米阵列，它的存储密度是465G，相当于1011，我们现在磁盘是106，一个量子磁盘相当于我们现在的磁盘10万个到100万个。这样一个器件，就要用纳米材料，在纳米尺度内加工。

　　2．从生物技术及其产业发展来看，在人类测定出基因组排序以后，我们对遗传疾病、疑难病症又有了新的认识，而且利用基因排序，可以进行医药、医疗方面的研究。目前，基因芯片研究已经进入实验室，生物芯片组装就是用纳米技术，而生物酶也是纳米尺度，这些研究对象是纳米生物学研究内涵之一，下一步生物技术的发展，就要和纳米技术相结合。譬如为什么病毒顽固，现在没有一种药物能治疗，就因为它非常小，用纳米结构组装一种寻找病毒的药物后，艾滋病、病毒性感冒等都可以治疗，2003年以后这将成为又一个研究热点。生物技术，包括生物制药等相关产业发展应用纳米技术已是刻不容缓。

　　3．从下一次工业革命的特点来看，节约资源、节约能源、净化环境是下一次工业革命的必然趋势。在下一次工业革命中要想节约资源、能源，就要用纳米尺度的材料做成器件，它的特点是工具小、节省材料、能耗低。纳米技术在新的工业革命当中将发挥重要的作用。

　　4．从纳米产业未来的市场发展来看，世界各国正在纷纷抢占纳米产业这个巨大的市场。对未来纳米材料所创造的产值，德国早在1997年就预测：2000年全世界纳米技术和相关产业产值为3700亿马克。实际上，2000年是3700亿美元，比预测高出2倍，而且主体纳米材料产业贡献比较大；2005年是7800亿马克；到2010年要达到22000亿马克，按当时比价可达14400亿美元，相当美国现在的GDP。在这个市场中，美国要占据一半，理由是现在美国GDP为8万亿美元，几乎也是接近全世界的一半。近年来，美国、日本、德国加大了对纳米技术研究的投资力度。1997—2000年，美国是1．9亿美元，还不如日本多，日本1．98亿美元，但是在2000年，美国在这方面的研究投资增加了一倍，达4．98亿美元，尽管日本经济不太景气，仍投入了4．2亿美元，德国决策投资3．7亿美元。我国也十分重视在这方面的投入，2000年，朱镕基总理接见中国科学院副院长白春礼院士时说，中国也要投资5亿人民币，5年累计投入25亿来发展纳米技术。今年1月18日，国家纳米科技协调指导委员会成立，组织专家起草了中国纳米科技发展纲要。《纲要》提出：除了支持现有项目外，还要开展若干个纳米专项研究，建立两个技术平台、若干个核心实验室，要在全国布局若干个纳米技术工程示范中心，建立若干个示范产业，而且要辐射若干个相关产业。

　　三、国内外纳米产业发展趋势

　　1．信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。2000年，中国的信息产业创造了GDP5800亿人民币。纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实验室研制成功，而且可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落后，在安徽省就有。④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。

　　2．环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于10ppm的有害气体降低到0．1ppm，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。

　　3．能源环保中的纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。

　　4．纳米生物医药：这是我国进入WTO以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。

　　5．纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40％，减少CO2，排放40％，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。

　　6．纳米技术对传统产业改造：对于中国来说，当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。首先是家电、轻工、电子行业。合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱，可折叠的PVC磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米材料，发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展；其次是纺织。人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势，中国纺织要在进入WTO后能占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术、纳米材料。去年关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术，特殊功能的有防静电的、阻燃的等等，把纳米的导电材料组装到里面，可以在11万伏的高压下，把人体屏蔽，在这一方面，纺织行业应用纳米技术形势看好；第三是电力工业。利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能，而且釉不结霜，其它综合性能都很好；第四是建材工业中的油漆和涂料，包括各种陶瓷的釉料、油墨，纳米技术的介入，可以使产品性能升级。

　　四、我国发展纳米产业的指导思想和工作重点

　　1．指导思想：全方位地将纳米技术向传统产业各个领域渗透、交又、融合，努力提升传统产业和促进传统产品的更新换代，同时要将纳米技术与信息、环境、能源、生物及先进制造、海洋、空间等高新技术相结合，提高纳米技术在这些产业中的含量，建立以纳米技术为主旋律的一批纳米产业及产业链并形成产品、商品，为提高我国的GDP做贡献。

　　2．工作重点：首先，重点发展特种纳米材料。现在一般的纳米材料大家都能做，关键在应用，寻找市场，这里最重要的是纳米碳管。纳米碳管未来发展趋势是规模化、低成本，现在竞争的焦点是降低成本，在这方面，中科院、清华大学等都在从事研究，关键是要通过规模化、低成本来提高我们的竞争力；第二方面是稀土。我国是稀土资源大国，稀土在各个方面应用极广，过去我们主要是卖资源，我国的轻稀土卖给日本是210日元／千克，而法国卖给日本是9000日元／千克，差45倍。一吨二氧化铈卖6万元，可做成纳米级的每吨可卖20多万元。此外，还有羟基铁、羟基镍硅及其氧化物，还有电子陶瓷粉体材料如氧化钴、氧化铋等方面应用纳米技术前景也很好；第三方面是磁性材料，如超高磁能级的磁性材料或高保磁的材料；第四方面要抓结构材料的表面纳米化，如纳米功能涂层；第五方面是信息产业的纳米材料，如高分辨率的荧光粉等。