【基础学科】纳米新科技

  　　纳米科技是在80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域，由于它具有创造新的生产工艺、新的物质和新的产品的巨大潜能，因而它有可能在新世纪掀起一场新的产业革命。纳米科技在我国骤然变热，说明纳米科技本身所蕴涵的巨大发展潜力得到了社会各界的广泛关注，尤其是企业界的热请参与，应给予充分肯定。这使纳米科技在我国的快速发展具备了比较有利的外部环境。同时，也应该看到，最近一个时期以来，对纳米科技概念的某些误解以及伪纳米产品的出现，使得有些人开始怀疑纳米科技本身正在发生的作用。有关针对纳米科技出现的种种现象提醒从事纳米科技的科技工作者和企业界人士，应该对当前的“热”有清醒的认识，尤其需要对纳米科技的内涵和纳米科技的发展趋势做进一步的思考，防止一些概念上的谬误和炒作损害这一新兴的前沿科技在我国的健康发展。
　　一、纳米科技的真正内涵目前社会对纳米科技认识上的偏差，主要体现在对纳米科技内涵理解上模糊，大多认识都只从纳米科技的一个方面，甚至一个次要的方面看待纳米科技，缺乏全面性和系统性。
　　(一)纳米科技不仅仅是纳米材料的问题
　　目前有关纳米科技的概念从不同的角度有四种提法:1、把纳米级颗粒的制备技术及由此引起的材料性能的改变称为纳米技术；2、把纳米技术定位为微加工技术的简单延伸，也就是通过逐渐提高加工精度，人工形成纳米大小结构的技术。有人把通过超精细加工制作的微机电装置也称为纳米装置;3、从原子、分子出发来构建特殊的结构，制造具有所需功能的分子装置，从而产生生产方式的革命；4、仿制生物体系的纳米结构，利用生物的自识别、自组织、自复制的功能制造特定的纳米产品。
　　上述四种提法中的任何单一概念都不能涵盖纳米科技的全部内涵。目前公众对纳米科技内涵的理解主要是第1种概念。后三种提法主要讲的纳米科技在制造特定功能产品方面所采用的两条技术路线。第2种提法是“自上而下”(Top Down)的技术路线，将物质通过超精细加工，逐渐缩小到纳米级尺寸;第3种提法是“自下而上”(Bottom UP)的技术路线，即从单个原子、分子出发，利用其相互作用构建特殊结构，形成所需功能的器件或装置。这种提法是从生命科技的角度完成这种“自下而上”的技术路线。
　　目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是:在纳米尺度(1nm到100nm之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。
　　纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划为任何一个传统学科，如物理、化学、材料等。如果将纳米科技与传统学科相结合，可有众多学科领域，如纳米电子学、纳米材料学、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学、纳米摩擦学等等。这样将纳米科技与传统学科领域结合可派生出许多新名词，这些新名词所体现的研究内容亦有交叉重叠。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域:纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础:纳米器件的研制水平和应用程度是我们是否进入纳米时代的重要标志:纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。
　　现在国内公众对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳米材料，其实这是不全面的。主要原因是过去国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表现出来。我国现在300余家从事纳米科技的公司也主要是从事纳米材料，尤其是纳米粉体材料的生产。而有关对社会生活和生产方式将产生最深刻而广泛影响的纳米器件的研究，国内研究开发力量的部署严重不足。国外在此方面的研究虽然主要还停留在应用基础研究的阶段，但目前己申请了大量的专利，不断抢占战略制高点。我们必须要重视纳米器件的研制和纳米尺度的检测与表征的研究工作。如果现在不在这方面加强部署，给予重点支持，将会使我国在世界这一前沿领域的竞争，处于十分被动的局面。
　　(二)纳米科技不仅仅是传统微加工技术的扩展和延伸
　　纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品，其技术路线可分为“自上而下”(Top Down)和“自下而上”(Bottom UP)两种方式。“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化;而“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是利用化学和生物学技术。
　　“自下而上”(Bottom up)的制作方式是纳米科技概念最早提出时的核心内涵。1959年美国科学家费曼(诺贝尔奖获得者)在加州理工学院的一次著名演讲中提出:如果人类能够在原子/分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。当2000年人们回顾历史的时候，他们会为直到1959年才有人想到直接用原子、分子来制造机器而感到惊讶。
　　长期以来由于对单原子和分子层面现象和规律的研究成果还远不能使科学家随心所欲地用原子、分子构筑任何希望得到的物质(包括控制固态生成物的尺寸、形状、性质)，人们还是习惯于从微电子工业的角度出发，通过“自上而下”的方式提高加工精度。预计到2010年，通过目前微加工方式在硅集成电路上的线条宽度和CMOS电路的设计原理将达到极限。要超越量子效应障碍，必须考虑采用其它的方式使工业生产适应新的设计原理和纳米尺度的精度标准。因此，“自下而上”的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将越来越受到重视。
　　在这种制作方式中，最为重要的研究实现分子器件自我组装。分子自我组装就是在平衡条件下，分子自发组合而成为一种稳定的、结构确定的、以共价键和非共价键联结的聚集体。分子自组装在生命系统中普遍存在，而且是各种复杂生物结构形成的基础。生物分子马达就是典型的分子机器，它能将生物能或化学能直接转化为机械能做功。现在科学家借助计算机模拟，或利用化学和生物技术，己成功地设计和制造出一些具有特定形状和性质的分子装置。因此，纳米技术并不仅仅是传统微加工技术的扩展和延伸。在目前，我们应在鼓励“自上而下”和“自下而上”两种技术路线结合的同时，注重“自下而上”方法的探索。
　　(三)纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题
　　一些人理解的纳米科技，认为与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题，检验一项技术或产品只要看它是否是纳米量级即可。当然这种认识是比较片面的，纳米科技的重要意义最主要的体现是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质，或对原有性质有十分显著的改进和提高。
　　导致纳米材料产生奇异性能的主要限域效应有比表面效应、小尺寸效应、界面效应和宏观量子效应等。这些效应使纳米体系的光、电热、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。
　　因此，判断纳米材料，不仅仅是看是否颗粒在纳米量级，而重要的是要检测它在这一尺寸下，是否发生了性能的改变或原有性能显著的提高。由此可见，纳米材料的颗粒尺寸也应该均匀分布。如果颗粒尺寸分布的范围很广，甚至只有少部分颗粒尺寸在纳米级，材料整体性质就不会有显著变化。
　　(四)应十分重视纳米尺度的表征和检测工作
　　在当前纳米科技概念中，似乎忽视了纳米尺度的表征和检测。但是，这项工作是纳米科技研究和发展、理论和实验的重要基础。纳米尺度是如此之小，没有重要的工具和系统的表征、检测，纳米科技研究只能是一句空话，伪纳米产品也会乘虚而入。
　　80年代初出现的纳米科技研究的重要手段——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。参与美国纳米科技规划的有关科学家甚至将SIM问世之日当作纳米科技创立之时。他们把STM、AFM等扫描探针显微镜(SPM)形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。
　　所谓“眼睛气”即可利用SPM直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性，表征纳米器件。所谓“手气”是指SPM可用于移动原子、分子，构造纳米结构，在纳米尺度研究它们之间的相互作用，为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室，为微型器件的构造提供了研究手段。除SPM外，我们应该重视开发其它实时、在线检测和表征技术，为纳米科技的研究提供必不可少的手段。
　　二、纳米时代何时来临
　　纳米时代应是纳米技术产生像当今信息技术那样对人类生产方式产生广泛而深刻影响的时代。因此我们说，纳米器件的研制水平和应用程度是人类进入纳米科技的重要标志。纳米技术现在的发展水平只相当于计算机和信息技术在50年代的发展水平。人们研究基本的纳米尺度现象的工具和对这些现象的理解水平还只是初步的。要想实现纳米技术的目标，尚有很多基础科学问题需要解答，包括对分子自组装的理解、如何构造纳米器件、复杂的纳米结构系统是如何运作的等等。只有在物理、化学、材料科学、电子工程学以及其它学科的很多方面得到充分的发展情况下，才能真正地形成一项具体的纳米技术。前不久，美国《Science》引用一位科学家的话，认为现在还没有一项真正成熟的纳米技术就是基于这种对纳米技术真正内涵的理解。
　　尽管我们离纳米时代的来临，还有一段路要走，但并不能武断地认为纳米科技不同方面和不同阶段的所有成果，还都是停留在实验室阶段的科学家自己的事情，与整个社会无关。或者说当今时代就没有纳米科技的产品，所谓纳米技术产品都是商业炒作或者欺诈行为。
　　据国外资料统计2000年全球仅纳米材料市场就达750亿美元，如包括部分采用纳米技术的与电子元器件相关的产品，纳米技术市场可达3750亿美元。这包括在磁性信息存储领域，巨磁阻现象的发现和应用。在基本的巨磁阻现象发现的十年内，这项技术已完全替代了在1998年拥有340亿美元市场的旧磁盘计算机磁头。德国科技部预期到2010年，纳米技术市场将达到14400亿美元。企业为开拓巨大的潜在市场，正加强技术储备，努力占领战略制高点。由于目前的纳米科技尤其是纳米材料在改造传统产业方面所表现的投入少见效快、市场前景广阔等特点，在以传统产业为主的我国企业内比较容易推广，因此，纳米科技的应用己得到我国企业界的热情响应，这为纳米科技在中国发展奠定了重要的动力基础。诺贝尔奖获得者海·罗雷尔在1993年就指出：“许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在己具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义。”
　　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。我们应当记住,微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛和耕犁毫无关系,但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。
　　美国一家公司预测纳米技术发展将经历五个阶段:第一阶段是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计/制造技术和现有工厂设备、超精密电子装置。这一阶段的市场规模约为5亿美元:第二阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段,纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料,其强度将达到无机单晶材料的3000倍。该阶段的市场规模在50亿至200亿美元之间:第三阶段,大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计/制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。本阶段的市场规模将达到100亿至1000亿美元；第四阶段，纳米计算机得以实现。这一市场规模将达到2000亿至1万亿美元；第五阶段,将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置,市场规模将高达6万亿美元。
　　该公司预期在2010年之前,纳米技术有可能发展到第三阶段,超越“量子效应障碍”的技术将达到实用化水平。纳米科技对于人类生产和生活方式产生重大的影响,对促进传统产业的改造和升级意义重大。并且纳米科技将有可能引发下一场工业革命,成为21世纪经济的新增长点。科技的兴起,对我国提出了严峻的挑战,也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。
　　为此,我们应该避免对纳米科技的一些认识误区,杜绝炒作,抓住机遇,坚持“有所为,有所不为”的方针,发挥优势,突出特色。要加强研究基地的建设,改善基础设施条件,增加科技专项的投入,同时要十分重视知识产权的保护。纳米材料是纳米科技的基础,我国已有相当的基础。这方面的布局应更注重与产业化的结合,尤其是与传统产业结合,积极吸纳企业的参与与投入；纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平,对信息产业及社会、经济、国防的关联度最大,需要的投入也最大。而我国在这方面投入最少、基础薄弱,应积极组织力量,以明确的应用目的为目标,但在近20年内还是以基础研究和应用基础研究为主:纳米区域性质的探测、表征是纳米材料和纳米器件研究与发展的实验基础和必要条件,应在重视基础和应用研究的同时,兼顾与产业的结合。
　　2001年3月“两会”通过的“国民经济第十个五年计划”,明确提出了将发展纳米科技作为“十五”期间科技进步的一项重要任务。2001年年初,国家成立了纳米科技指导协调委员会,负责组织协调全国纳米科技的研究开发力量,制定有关发展规划。7月,国务院批准了“国家纳米科技发展纲要”,并由国家科技部、国家计委、教育部、中科院、国家自然科学基金委员会等五部门联合下发国务院有关部委和各有关单位。自此,我国的纳米科技发展规划框架己经形成。在国家积极促进纳米科技发展的同时,地方政府亦高度重视纳米科技在本地的应用。据不完全统计,全国有一半的省市将纳米材料作为本省“十五”期间的发展规划。纳米科技在未来对经济发展所要产生的作用,得到了企业界普遍关注。从事纳米科技生产和应用的企业如雨后春笋般在全国出现。2000年底,涉及纳米科技的企业为300余家。
　　企业对纳米科技的高度关注的现象说明纳米科技在响应市场需求方面已经开始崭露头角。推动科技成果产业化的主体是企业,应该积极鼓励企业的参与纳米科技的发展。使企业界对纳米科技持续关注的根本所在是:一要以国家目标与市场需求相结合,加强基础研究和应用研究,促使纳米科技的成果能够源源不断的涌现,二是要重视和加强纳米科技市场的培育,对纳米技术产品的技术标准问题给予高度重视。目前纳米技术产品在社会上出现的混乱状况,核心问题是没有技术标准,在这方面,有关部门应给予充分的重视。

　　作者简介 白春礼 男,满族,1953年9月26日出生于辽宁省。现任中国科学院副院长、十五届中共中央委员会候补委员、中国科协副主席。中国科学院院士、第三世界科学院院士,中国科学院化学研究所研究员、博士生导师并兼任北京大学、清华大学、中国科技大学、南开大学、中国地质大学和浙江工业大学兼职教授,香港大学、辽宁师范大学、南京审计学院客座教授,解放军装甲兵工程学院、华北工学院荣誉教授。1978年北京大学化学系毕业,1981年获中国科学院硕士学位,1985年获博士学位,1985年至1987年在美国加州理工学院作博士后和访问学者,1991年至1992年日本东北大学客座教授。
　　先后从事过高分子催化剂的结构与物性、有机化合物的X一射线晶体结构、分子力学和导电高聚物的EXAFS等研究。从80年代中期开始转入到纳米科技的重要前沿领域一扫描隧道显微学的研究。研制成功扫描探针显微镜(SPM)系列。带领科研人员利用SPM系统地研究了一些有机和生物材料的表面结构和性能,并在纳米科技方面有开创性的工作。作为项目负责人,获得1990年国家科技进步二等奖,1991年中国科学院科技进步一等奖:1992年国家科技进步三等奖:1989年中国科学院科技进步二等奖2项:1997年中国科学院自然科学二等奖。作为主要工作者获1994年中国科学院自然科学二等奖:1995年全军科技进步二等奖;1998年国家教委科技进步二等奖:1998年北京市科技进步二等奖。所著《扫描隧道显微术及其应用》获1993年中国图书奖和1995年中国优秀科技图书一等奖、《三链核酸的结构与生物化学》获1997年中国优秀科技图书二等奖。获全国先进工作者、国家级有突出贡献的中青年专家、中国十大杰出青年等荣誉称号。并获中国青年科学家奖、香港求是科技基金会杰出青年学者奖、香港理工大学“杰出中国访问学人”奖等荣誉奖。在国内外共出版了10本中英文专著,发表论文200余篇,获国家专利5项。白春礼现还兼任欧美同学会副会长、中国青年科技工作者协会会长、国务院学位委员会委员、国务院学位委员会第四届学科评议组成员、“国家重点基础研究发展规划”第二届专家顾问组成员、国家纳米科技指导协调委员会首席科学家、中国科学院纳米中心理事会主任、中国化学会理事长、中国材料学会副理事长、中国晶体学会和中国电子显微镜学会常务理事,《中国基础科学》杂志主编等职。