纳米技术的发展远景：美国国家纳米计划（NNI）十年

纳米技术的定义（始于 1999 年的“纳米技术研究方向”）

纳米技术是指在 1-100 nm范围内操控原子和分子尺度的物质，并利用这一尺度下单个原子或分子或其集团行为的特性和现象的能力，旨在通过设计其小尺度结构来创建具有全新特性和功能的材料、器件和系统。这是经济有效地改变材料特性的终极前沿，也是制造业和分子医学的最有效尺度。相同的原理和工具用于不同的相关领域将有助于为纳米尺度科学、工程和技术建立统一的平台。从单个原子或分子行为向原子和分子组装集体行为的过渡是一个自然的过程，而纳米技术充分利用了这一天然的界限。

1999 年制订的纳米技术构想推动了美国国家纳米计划(NNI) 和其他国内国际研发规划的设立，激起了全球的纳米技术研发热潮。

图1 分两个基本阶段创建一个新的领域和社区（“NS ＆E”指纳米科学和纳米工程）

在该计划的第一个十年期间，主要工作集中在建立纳米尺度的基础知识。截至2009年，在价值约1万亿美元的全球纳米产品市场上，由新知识产生的产品约占四分之一，其中约910亿美元为美国产品，包括纳米元件。

图2 工业原型开始和纳米技术商业化的时间轴：2010-2020 年新一代产品和生产过程的引入

随着纳米技术的不断发展，到2020年它将成为一项通用技术，这期间会产生四代产品，按其结构和动态复杂性递增的顺序：①被动的纳米结构；②主动的纳米结构；③纳米系统；④分子纳米体系。到2020年，纳米科学和工程知识以及纳米系统的集成将更进一步增加和拓展，纳米技术将大量应用于工业、医药、计算领域，更好地理解和保护大自然。

图3 碳纳米管电缆和片材平台（由 Nanocomp Technologies, Inc. 的 Peter L. Antoinette 以及 R. Ridgley、NRO 提供，2010）

纳米技术在全世界的迅速发展见证了这一概念和趋势的变革力量，并展现出一幅多种科研领域协同创新的宏伟蓝图。

本文在此简要叙述2000年以来NNI在国际范围内发展所获得的经验教训，以及最重要的——纳米技术界应该如何应对未来的发展。

经验教训

经过十年发展后尚未完全实现的目标

• 实现纳米尺度“材料设计”和复合材料的通用方法：阻碍发展的原因是直接的理论建立、建模和模拟工具以及具有足够分辨率的测量技术尚未就绪。
• 可持续发展项目：用于能源解决方案的纳米技术仅在计划启动五年后便形成了良好的势头，而用于水过滤、海水淡化和气候研究的纳米技术的研发经费仍然不足；目前，我们尚不清楚是否由于利益相关方比其他部门更缺乏组织，拉动作用和协作不足，从而导致这些主题纳米技术研发的资金短缺。
• 传播纳米技术的公众意识；对纳米技术有所认知的公众比例较低，约为30%；这对增加公众参与监理来说是一大挑战。

2000打破质疑，2010达成目标

• 科学论文和发明数量激增：纳米技术的增长速度为准指数（年增长18-35%），比其他科学领域平均值高出至少两倍。
• 跨学科研究和教育的重大进展：纳米技术的研发推动了大量跨学科项目、组织和共同体的建立。
• 据估计，美国纳米技术研发投资的年均增长率将达到约 30 %（政府和私营部门，深入的纵向发展和新领域的横向发展）：2000-2008年期间发展速度始终保持在 25-30%。

十年发展后超出预期的成就

• 2002-2003 年后的主要行业参与：例如，超过5400家美国公司在2008年发表了论文、专利和/或产品；摩尔定律在过去十年中持续得到验证，尽管在2000年曾有人严重质疑发展趋势是否能够继续到纳米级。
• 多个科学和工程领域发生超过预期的发现和进展，包括等离子体、超材料、自旋电子学、石墨烯、癌症检查和治疗、药物输送、合成生物学、神经形态工程和量子信息系统。
• 国际纳米技术团体的形成及其不断增长的实力，包括纳米技术的EHS和ELSI：这些发展超出了我们的预期，而监管研究的推出更是意料之外。

十年的主要经验教训

• 需要对纳米尺度的理论、直接测量和模拟继续进行重点投资；纳米技术仍处于形成阶段。
• 除了研发新的纳米结构金属、聚合物和陶瓷外，传统行业中也潜藏着纳米技术研发的绝佳机会，如纺织、木材和造纸、塑料、农业和食品行业。需要改进公私合作机制，为有针对性的发展计划建立财团或平台。
• 有必要促进科学、工程学与转化型研究之间更紧密的结合，同时创造就业机会。
• 有必要继续加强利益相关团体和公众参与纳米技术监管。

未来纳米技术研究和发展的愿景

本报告总结了各方对未来纳米技术研究和发展的愿景，从整体和各领域角度出发进行了论述（工具、制造、应用、基础设施、监管等），旨在根据纳米技术界的顶尖专家们提供的咨询，为纳米技术研发提供长期和及时的愿景报告。

整体而言，近十年来，NNI一直是美国乃至全球纳米科学和纳米技术发展与应用的主要推动力，由于意识到该技术的基础科学、经济和社会价值，许多其他国家还将继续快速扩大其纳米技术相关研发项目。

除了产品、工具和医疗外，纳米技术研发无疑还将对教学、成像、基础设施、发明、公众接受程度、文化、法律以及其他各种社会经济因素的架构产生深远影响。1997-2000 年，美国科研机构制定了纳米技术研发愿景，这一愿景在国家纳米计划的第一个十年（2001-2010 年）中已经实现。本报告的目的是将这一愿景延伸到未来十年，即 2020 年及更远的未来。

长期愿景是 NNI 最初发展的主要推动力，目标是探索新现象和过程、开发统一的纳米级科学与工程平台，利用分子和纳米尺度的相互作用从根本上提高生产效率。为了配合这些目标，纳米技术研发作出了广泛的社会承诺，包括预计到2015 年，每年以纳米技术为主导的产品总值将达到1万亿美元，这将需要200万具备纳米技术相关技能的工人。纳米技术论文和专利的数量以每年25%的增长率迅速增加，市场增长率将紧随这一发展趋势，预计到2020年，以纳米技术为主要性能组件的产品总值将达到约3万亿美元。纳米技术市场及相关就业机会预计将每三年翻一番。

纳米技术不断迎来各个领域的新科学和工程挑战，如纳米系统组装、纳米生物技术和纳米生物医学、开发先进工具、环境保护以及社会影响研究。论文、专利和全球投资趋势仍有望实现准指数增长，几年内可能出现潜在拐点。因此需要利益相关方参与持续的长期规划、跨学科活动和采取预见性措施。

未来十年，由于多个主流发展趋势发生了转变，纳米技术的挑战可能会转向新的方向：

• 从专注于创建单一纳米元件到专注于建立复杂的主动式纳米系统；
• 从专业或原型研发到先进材料、纳米化工、电子、医药中的大规模使用；
• 从先进材料、纳米电子和化学工业应用扩大到新的相关领域，如能源、食品和农业、纳米医学以及纳米尺度的工程模拟等需要高竞争力解决方案的领域；
• 从纳米尺度的第一原理认知到加快知识发展，应用领域中的发现率仍有极大变化；
• 从几乎没有专门的基础设施到为纳米技术研究、教育、工艺、制造、工具和标准建立完善的方案和设施。

虽然我们可能高估了纳米技术在短期内的发展，但如果我们在未来几年内加大教育和社会问题的关注力度，纳米技术在医疗、生产效率和环保方面的长期影响却被低估了。

根据以上所述，我们必须在未来十年内关注纳米技术发展的四个不同方面，包括：①加深对自然界的理解，推动知识进步；②寻求经济和社会解决方案，推动材料进步；③建立可持续发展的国际合作，推动全球进步；④全民参与监管，推动道德进步。

作者Mihail C. Roco曾作为 NSET 小组委员会创会主席，帮助协调 NNI 计划，并与国际纳米技术政策领域进行了大量互动。本文是作者根据自身在纳米技术领域的丰富经验编写而成，仅代表作者本人观点，不代表 NSTC/NSET 或 NSF 立场。

本文摘编自[美]米黑尔·罗科、查德·米尔金、马克·赫尔萨姆主编，白春礼等译《面向2020年社会需求的纳米科技研究》一书。

纳米科技作为新兴的前沿科技领域，是全球关注的焦点，正在对社会未来的发展产生重要影响。《纳米科学与技术：面向2020年社会需求的纳米科技研究》为美国国家自然科学基金会出版的科技政策报告。该书简要地叙述了过去十年中纳米技术在基础知识和基础设施建设方面的发展，同时探讨了2020年以后美国和全球纳米技术企业的发展潜力，旨在重新定义纳米科学与工程学融合的研发目标，在未来十年中使纳米技术成为一项通用技术。纳米技术未来愿景借鉴了美国该领域专家的科学见解、过往的经验教训，此外，由主要作者主办或联合主办的5次国际头脑风暴会议中，来自35个国家的参与者也提供了宝贵的全球视野。全书共13章，涉及纳米科技的各个领域，包括理论计算、纳米制造、生物医学、能源存储、环境健康与安全等，全面总结了过去十年纳米科技的成就，规划了未来十年纳米科技的发展计划和重点领域。

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