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纳米科技促进健康发展
http://www.100md.com 2001年9月21日 科学时报
     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,尤其是企业界的热情参与,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。

    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。
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    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。

    目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是:在纳米尺度(1nm利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。

    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,但目前已申请了大量的专利,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。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。
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    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。纳米材料的尺寸被限制在100nm以下,这是一个由各种限域效应引起的各种特性开始有相当大改变的尺寸范围。当材料或那些量子特性产生的机制被限制在小于某些临界长度尺寸的空间之内的时候,特性就会改变。

    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、原子和分子是如此之小,看不见,摸不到。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。参予美国纳米科技规划的有关科学家甚至将STM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”。
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    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活和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时代重要的标志。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。

    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。

    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。美国推出预期到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,纳米科技的应用已得到我国企业界的广泛响应,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不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已具有与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。”
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    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。纳米科技的兴起,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小、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核心;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,兼顾与产业化的结合。

    (本文为白春礼院士在中国·济南高新技术产业发展论坛上的讲话), http://www.100md.com