納米技術的發展遠景：美國國家納米計劃（NNI）十年

納米技術的定義（始于 1999 年的“納米技術研究方向”）

納米技術是指在 1-100 nm范圍內操控原子和分子尺度的物質，并利用這一尺度下單個原子或分子或其集團行為的特性和現象的能力，旨在通過設計其小尺度結構來創建具有全新特性和功能的材料、器件和系統。這是經濟有效地改變材料特性的終極前沿，也是制造業和分子醫學的最有效尺度。相同的原理和工具用于不同的相關領域將有助于為納米尺度科學、工程和技術建立統一的平臺。從單個原子或分子行為向原子和分子組裝集體行為的過渡是一個自然的過程，而納米技術充分利用了這一天然的界限。

1999 年制訂的納米技術構想推動了美國國家納米計劃(NNI) 和其他國內國際研發規劃的設立，激起了全球的納米技術研發熱潮。

圖1 分兩個基本階段創建一個新的領域和社區（“NS ＆E”指納米科學和納米工程）

在該計劃的第一個十年期間，主要工作集中在建立納米尺度的基礎知識。截至2009年，在價值約1萬億美元的全球納米產品市場上，由新知識產生的產品約占四分之一，其中約910億美元為美國產品，包括納米元件。

圖2 工業原型開始和納米技術商業化的時間軸：2010-2020 年新一代產品和生產過程的引入

隨著納米技術的不斷發展，到2020年它將成為一項通用技術，這期間會產生四代產品，按其結構和動態復雜性遞增的順序：①被動的納米結構；②主動的納米結構；③納米系統；④分子納米體系。到2020年，納米科學和工程知識以及納米系統的集成將更進一步增加和拓展，納米技術將大量應用于工業、醫藥、計算領域，更好地理解和保護大自然。

圖3 碳納米管電纜和片材平臺（由 Nanocomp Technologies, Inc. 的 Peter L. Antoinette 以及 R. Ridgley、NRO 提供，2010）

納米技術在全世界的迅速發展見證了這一概念和趨勢的變革力量，并展現出一幅多種科研領域協同創新的宏偉藍圖。

本文在此簡要敘述2000年以來NNI在國際范圍內發展所獲得的經驗教訓，以及最重要的——納米技術界應該如何應對未來的發展。

經驗教訓

經過十年發展后尚未完全實現的目標

• 實現納米尺度“材料設計”和復合材料的通用方法：阻礙發展的原因是直接的理論建立、建模和模擬工具以及具有足夠分辨率的測量技術尚未就緒。
• 可持續發展項目：用于能源解決方案的納米技術僅在計劃啟動五年后便形成了良好的勢頭，而用于水過濾、海水淡化和氣候研究的納米技術的研發經費仍然不足；目前，我們尚不清楚是否由于利益相關方比其他部門更缺乏組織，拉動作用和協作不足，從而導致這些主題納米技術研發的資金短缺。
• 傳播納米技術的公眾意識；對納米技術有所認知的公眾比例較低，約為30%；這對增加公眾參與監理來說是一大挑戰。

2000打破質疑，2010達成目標

• 科學論文和發明數量激增：納米技術的增長速度為準指數（年增長18-35%），比其他科學領域平均值高出至少兩倍。
• 跨學科研究和教育的重大進展：納米技術的研發推動了大量跨學科項目、組織和共同體的建立。
• 據估計，美國納米技術研發投資的年均增長率將達到約 30 %（政府和私營部門，深入的縱向發展和新領域的橫向發展）：2000-2008年期間發展速度始終保持在 25-30%。

十年發展后超出預期的成就

• 2002-2003 年后的主要行業參與：例如，超過5400家美國公司在2008年發表了論文、專利和/或產品；摩爾定律在過去十年中持續得到驗證，盡管在2000年曾有人嚴重質疑發展趨勢是否能夠繼續到納米級。
• 多個科學和工程領域發生超過預期的發現和進展，包括等離子體、超材料、自旋電子學、石墨烯、癌癥檢查和治療、藥物輸送、合成生物學、神經形態工程和量子信息系統。
• 國際納米技術團體的形成及其不斷增長的實力，包括納米技術的EHS和ELSI：這些發展超出了我們的預期，而監管研究的推出更是意料之外。

十年的主要經驗教訓

• 需要對納米尺度的理論、直接測量和模擬繼續進行重點投資；納米技術仍處于形成階段。
• 除了研發新的納米結構金屬、聚合物和陶瓷外，傳統行業中也潛藏著納米技術研發的絕佳機會，如紡織、木材和造紙、塑料、農業和食品行業。需要改進公私合作機制，為有針對性的發展計劃建立財團或平臺。
• 有必要促進科學、工程學與轉化型研究之間更緊密的結合，同時創造就業機會。
• 有必要繼續加強利益相關團體和公眾參與納米技術監管。

未來納米技術研究和發展的愿景

本報告總結了各方對未來納米技術研究和發展的愿景，從整體和各領域角度出發進行了論述（工具、制造、應用、基礎設施、監管等），旨在根據納米技術界的頂尖專家們提供的咨詢，為納米技術研發提供長期和及時的愿景報告。

整體而言，近十年來，NNI一直是美國乃至全球納米科學和納米技術發展與應用的主要推動力，由于意識到該技術的基礎科學、經濟和社會價值，許多其他國家還將繼續快速擴大其納米技術相關研發項目。

除了產品、工具和醫療外，納米技術研發無疑還將對教學、成像、基礎設施、發明、公眾接受程度、文化、法律以及其他各種社會經濟因素的架構產生深遠影響。1997-2000 年，美國科研機構制定了納米技術研發愿景，這一愿景在國家納米計劃的第一個十年（2001-2010 年）中已經實現。本報告的目的是將這一愿景延伸到未來十年，即 2020 年及更遠的未來。

長期愿景是 NNI 最初發展的主要推動力，目標是探索新現象和過程、開發統一的納米級科學與工程平臺，利用分子和納米尺度的相互作用從根本上提高生產效率。為了配合這些目標，納米技術研發作出了廣泛的社會承諾，包括預計到2015 年，每年以納米技術為主導的產品總值將達到1萬億美元，這將需要200萬具備納米技術相關技能的工人。納米技術論文和專利的數量以每年25%的增長率迅速增加，市場增長率將緊隨這一發展趨勢，預計到2020年，以納米技術為主要性能組件的產品總值將達到約3萬億美元。納米技術市場及相關就業機會預計將每三年翻一番。

納米技術不斷迎來各個領域的新科學和工程挑戰，如納米系統組裝、納米生物技術和納米生物醫學、開發先進工具、環境保護以及社會影響研究。論文、專利和全球投資趨勢仍有望實現準指數增長，幾年內可能出現潛在拐點。因此需要利益相關方參與持續的長期規劃、跨學科活動和采取預見性措施。

未來十年，由于多個主流發展趨勢發生了轉變，納米技術的挑戰可能會轉向新的方向：

• 從專注于創建單一納米元件到專注于建立復雜的主動式納米系統；
• 從專業或原型研發到先進材料、納米化工、電子、醫藥中的大規模使用；
• 從先進材料、納米電子和化學工業應用擴大到新的相關領域，如能源、食品和農業、納米醫學以及納米尺度的工程模擬等需要高競爭力解決方案的領域；
• 從納米尺度的第一原理認知到加快知識發展，應用領域中的發現率仍有極大變化；
• 從幾乎沒有專門的基礎設施到為納米技術研究、教育、工藝、制造、工具和標準建立完善的方案和設施。

雖然我們可能高估了納米技術在短期內的發展，但如果我們在未來幾年內加大教育和社會問題的關注力度，納米技術在醫療、生產效率和環保方面的長期影響卻被低估了。

根據以上所述，我們必須在未來十年內關注納米技術發展的四個不同方面，包括：①加深對自然界的理解，推動知識進步；②尋求經濟和社會解決方案，推動材料進步；③建立可持續發展的國際合作，推動全球進步；④全民參與監管，推動道德進步。

作者Mihail C. Roco曾作為 NSET 小組委員會創會主席，幫助協調 NNI 計劃，并與國際納米技術政策領域進行了大量互動。本文是作者根據自身在納米技術領域的豐富經驗編寫而成，僅代表作者本人觀點，不代表 NSTC/NSET 或 NSF 立場。

本文摘編自[美]米黑爾·羅科、查德·米爾金、馬克·赫爾薩姆主編，白春禮等譯《面向2020年社會需求的納米科技研究》一書。

納米科技作為新興的前沿科技領域，是全球關注的焦點，正在對社會未來的發展產生重要影響。《納米科學與技術：面向2020年社會需求的納米科技研究》為美國國家自然科學基金會出版的科技政策報告。該書簡要地敘述了過去十年中納米技術在基礎知識和基礎設施建設方面的發展，同時探討了2020年以后美國和全球納米技術企業的發展潛力，旨在重新定義納米科學與工程學融合的研發目標，在未來十年中使納米技術成為一項通用技術。納米技術未來愿景借鑒了美國該領域專家的科學見解、過往的經驗教訓，此外，由主要作者主辦或聯合主辦的5次國際頭腦風暴會議中，來自35個國家的參與者也提供了寶貴的全球視野。全書共13章，涉及納米科技的各個領域，包括理論計算、納米制造、生物醫學、能源存儲、環境健康與安全等，全面總結了過去十年納米科技的成就，規劃了未來十年納米科技的發展計劃和重點領域。

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本文由微信公眾號科學出版社（ID:sciencepress-cspm）授權轉載，由材料人網大城小愛編輯整理，材料人專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

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