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纳米技术与我们的机会

来源:     发布日期:2016-03-26  阅读次数:

1、纳米技术研究与开发的背景
前面已经谈到,纳米科学技术是介于微观与宏观之间的介观物理,关于纳米科学技术的定义很多,具有代表性的说法有:如英国科学家阿尔培特.佛朗克斯教授把纳米技术定义为"在0.1-100纳米尺度范围起关键作用的科学技术领域。"美国"国家纳米技术倡议"(NNI)即推荐采用科普作家伊凡.阿莫托在一本小册子中的提法:"纳米科学和纳米技术一般是指,在纳米尺度上,则从一纳米到几百纳米介观范围内,所从事的工作范畴"。上述两种说法,总的意思是,把它限定在纳米尺度范围内的物质组成体系的运动规律和研究开发工作。我国科学家,即主张把它的内涵再延伸扩张到由它所引发出的可能的实际应用领域的研究开发工作。我国纳米科学家,国家重点基础研究计划(973计划)纳米材料和纳米结构项目首席科学家,中国科学院固体物理研究所张立德研究员作了总结性的定义:"纳米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用,以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。"这个定义既反应了纳米科学技术的内涵,又体现了科学技术发展规律的要求,也比较符合中国的实际情况。
1.1 从理论层面上看,纳米科技是量子力学在实践上的必然延伸。我们知道用原子模型和量子力学的能级概念合理的解释金属、半导体、绝缘体的电、光、热、机械等性能,并进行广泛的工业化开发,形成新兴的产业,同时改造各种传统产业。其中最为突出的是上个世纪四十年代末发明的半导体,它的发展轨迹是半导体-集成电路-大规模集成电路-超大规模集成电路,它的成就很大地推动了信息产业的发展。这是量子力学在微米空间尺度上的辉煌实践和发展。微米技术把量子力学在微米空间上的应用,同微电子学、电磁学、光学、经典牛顿力学有机地结合起来,极大地推动了社会生产力的发展。量子力学的本质特征是微细粒子的波粒二像性,而在微米技术上所用的主要是量子力学的粒子性电子流(大量的、宏观的粒子流)。它与传统的经典理论的工程应用相匹配,才形成现在的半导体、计算机、软件、网络通信等信息产业。也就是说,这样庞大的产业,仅仅应用了量子力学波粒二像性的一半,即它的粒子性。另外的更奇妙的波动性还未加考虑。理论来源于实践,更在于指导实践,以证明其正确性,并通过实践考验进一步修正充实发展理论,量子力学的自身发展,也必然如此。我国著名的纳米材料学家,中国科学院物理研究所的解思深研究员就说:"纳米材料本身是将量子力学效应工程化或技术化的最好场合之一,可能会产生全新的物理、化学现象。"
1.2 从技术创新的发展趋势来看,需要更精致、环境友好、更具有智能化的技术创新。
在牛顿力学体系的理论指导下,大大地促进了技术创新活动,促成了十八世纪下半叶开始的第一次工业革命,其创新发明的代表作就是瓦特发明的蒸汽机,这是人类器官的一次飞跃性延伸,它力大无比,显得庞大粗壮,还有一定的自动控制能力,对当时的人来说,是非常不错的玩意儿,但对现代人来说是一个傻大黑粗又愚笨的家伙。人们一直在不断的追求轻、小、简、廉,现在即更追求更快、更省、智能化、环境友好、可持续发展。
人类自古以来,创新思路和方法基本上都是由大到小,由粗到精,从石器时代-青铜器时代-铁器时代-大机器生产时代-现在,概莫能外。我们祖先为了得到石器,需要一块大石头把它打小,然后再磨砺成可用的石器,这是由大到小的过程。我们现在用的机器制造也这样,开矿山-冶炼-金属材料-机器另部件-机器,也是由大到小的过程。在这个过程中存在着大量的人类劳动和资源的浪费,造成了环境危机。单纯由大到小(top down)的创新思维和方法已经面临挑战,纳米科学技术的研究方法(approaches),即提出了全新的创新思维和方法,这里有两种方法:
第一是继续沿着古已有之的"由大到小"(top down)思路和方法干下去,不过这里的"小"可不是原有意义上的毫米、微米的小,而是在纳米尺度(0.1-100nm)上的小,在这么"小"的地方出现的景观同传统意义上的毫米、微米尺度上的出现的景象根本不同,在这里真正的发生了量子力学上的波粒二像性。
现在用这种方法(top down),可以在宏观块体材料(如半导体)上利用机械和蚀刻技术制造纳米尺度结构。纳米材料的制备的种种方法,还是这一方法。估计二十一世纪的前半叶,甚至更长时间,这种方法还起到支柱作用。但是它创造的文明会是非常辉煌的。
第二种方法,就是实现量子物理学界的奇才费曼所预言的那样"物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性"。即"由小到大"(bottom up)的方法,人们按需要用一个个原子或一个个分子组装创造出有机和无机物品。这方面的创新工作已取得一些成果,见诸报端的不少,但离真正的实用还要走很长的路。
1.3从技术的通用程度来看,纳米科学技术既是高新技术的通用性技术,也是各传统产业升级的通用性基础性技术。
1.3.1信息产业的发展方向
以信息技术(产业)为例,它的基础是半导体集成电路产业。这个产业的基础技术是微米技术,它的技术创新历程一直曾循着摩尔定律。这个定律是1965年戈登.摩尔(Gorden.Moore)提出来的,他指出集成电路里晶体管数量每18个月翻一番。26年来,现实与摩尔定律非常一致。这是在微米尺度上的定律,科学界普遍认为0.05微米(50mm)是现代半导体工艺的极限,Intel公司的最新工艺是0.13um(130纳米),估计将在10-15年内达到它的极限。要是继续用微米技术,就很难再前进了,即使能够逼近它的极限,但这就意味着要花近百亿美元,甚至数百亿美元,在经济上是极其不划算的。因此,半导体工艺要走出它的死胡同,非得另谋出路不可。如果借用量子力学上的"隧道效应"一词作比喻,那么我们就得在临近胡同底的时候,开始挖掘一条"隧道"出去,利用量子力学波动的隧道效应开辟新的天地。
这个新天地就是纳米技术。所幸的是,新途径已经初露端倪。1998年,IBM公司与日本NEC公司合作,在实验室里用一根半导体性的碳纳米管制成了场效应晶体管。该晶体管的衬底为硅,并作为栅极,源极和漏极是用金作的,研究人员用原子力显微镜(AFM,Atomic Force Microscope)在三个电极间放置了一根碳纳米管就成了场效应晶体管。这只场效应晶体管的性能不错,当栅电压变动时,源极与漏极之间的电导变化10 万倍,是一个说的过去的电子开关。在这之后,其他研究单位也纷纷制得在原理或结构上有所不同的晶体管。
最近又传来好消息。今年(2001年)8月,IBM又宣布使用碳纳米管制成了输入为"0"时,输出为"1"的"非门器件"。他们在研究过程中,找到了两项关键工艺原型。我们知道,非门器件是由一个P-型和一个N-型晶体管拼成的,但是碳纳米管都是P-型半导体。IBM的研究人员想了很多办法,想制得N-型的碳纳米管,最后他们发现,其实只要在真空中将P-型碳纳米管加热,就能将其变为N-型。他们进一步发现,如果只加热碳纳米管的一端,这一端就变成N-型,而未加热的一端仍为P-型。这就是说,找到了使一根碳纳米管就能构成一个非门器件的关键工艺方法。有了这样一根碳纳米管,用原子力显微镜(AFM)将它放到事先做好的基底上,就制成了一个非门器件。
解决了P-型变N-型问题以后,还存在一个问题:金属性和半导体性的碳纳米管是混合在一起的。如何用简单的方法将两者分开,就成为用碳纳米管工业化生产碳纳米器件必须解决的另一个难题。IBM公司的研究人员,将金属性和半导体性二性混合的碳纳米管放在硅片上,再在碳纳米管层上面印上金属电极,并将硅片当作另一个电极。在两极间加上电压,使半导体性碳纳米管处于"关断"状态,金属性碳纳米管由于电流过大氧化烧毁,剩下的就是纯净的半导体性碳纳米管。这有可能成为大量制备半导体性碳纳米管的工艺原型。
从这里,我们可以看到纳米技术在半导体产业,或者说在信息技术(产业)的光辉前程。
1.3.2纳米技术是生物技术的基础性技术之一
大千世界最奇妙、最复杂的莫过于有机物生命体的生物世界了。从原子和分子的角度看,又是那么简单,这些生灵不过是由碳、氢、氧、氮、钙、磷、硅、硫、铁、钠,再加上一些微量元素所组成,而且它的生、老、病、死、遗传、变异都是在温和的自然条件下静悄悄地进行的,用不着高温、高压、高真空……等等的苛刻条件。生物多样性及其复杂性的来源,不是主要决定于组成它的原子和分子,而是决定于这些原子和分子在纳米尺度上的结构,纳米尺度上的生命运动规律。
举一个简单的例子。我们常吃的藕,生长于池塘的淤泥中,但它露在水面上亭亭玉立的莲花荷叶却出污泥而不染,美丽圣洁。荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物,有丰富的羟基(-OH)、(-NH)等极性基团,在自然环境中很容易吸附水分或污渍。而荷叶叶面都具有极强的疏水性,洒在叶面上的水会自动聚集成水珠,水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面,使叶面始终保持干净,这就是著名的"荷叶自洁效应"。为什么会有这种"荷叶效应",用传统的化学分子极性理论来解释,不仅解释不通,恰恰是相反。从机械学的光洁度(粗糙度)角度来解释也不行,因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度(粗糙度),用手触摸就可以感到它的粗糙程度。经过两位德国科学家的长期观察研究,即上世纪九十年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。(读者有兴趣,可参见附录)。在超高分辨率显微镜下可以清晰看到,在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的"小山包",它上面长满绒毛,在"山包"顶又长出一个馒头状的"碉堡"凸顶。因此,在"山包"间的凹陷部份充满着空气,这样就在紧贴叶面上形成一层极薄,只有纳米级厚的空气层。这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后,隔着一层极薄的空气,只能同叶面上"山包"的凸顶形成几个点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状,水球在滚动中吸附灰尘,并滚出叶面,这就是"荷叶效应"能自洁叶面的奥妙所在。
研究表明,这种具有自洁效应的表面超微纳米结构形貌,不仅存在于荷叶中,也普遍存在于其它植物中。某些动物的皮毛中也存在这种结构。
其实植物叶面的这种复杂的超微纳米结构,不仅有利于自洁,还有利于防止对大量漂浮在大气中的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。另外,更重要的是,为了提高叶面吸收阳光的效率,进而提高叶面叶绿体的光合作用。
这种自然界的造化,是生物界经过亿年的适应性和变异性的自然选择、遗传进化而来的。我们的科学家从事纳米科学技术的研究的灵感,很大的成份上来源于对这种自然造化的感应和启发。
生物学有其自身的宏观规律,生物技术需要对这些规律的深层次的研究,现在已经深入到细胞质、DNA、基因片段、蛋白质,这些构成生命体的基本单元层次。这些基本单元的尺度大多在微米级或以下,其中基因片段、蛋白质即在纳米级。对这么小的生命体基本单元的观察、研究、裁减、拼接、转移,就需要纳米技术的参与。纳米科技同生物技术、医药学的交叉互相渗透,已形成纳米生物学(Nanobiology),纳米医药学(Nanopharmics)。这已经成为纳米科学技术工程应用的热点领域。专家们普遍看好这两个领域,认为纳米技术很可能在这里先挖出"金矿"来。
1.3.3纳米技术和纳米材料是传统产业升级换代的得力助手
对传统产业来说,企业要在剧烈的市场竞争中立于不败之地,无非是采取两种方法:首先,对于老产品就要不断提高其性能价格比,占据有利的竞争优势,获得尽量多的市场份额;第二是不断创新,以新技术开发出新产品,引领市场潮流,开辟出按技术推动型的新市场。纳米技术和纳米材料及其应用正具有上述两方面的禀赋优势。
这种禀赋优势是来源于纳米材料的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应。在工程技术上采取各种技术措施手段,充分发挥这些效应在宏观对象上予以体现,就可以在源头上把握传统产业各种产品和工艺技术的创新升级。从而提高传统产业或产品的性能价格比,或以全新的技术开发出全新的产品,实现技术推动市场。迄今为止,大量事实已表明,纳米技术在这两个方面都有很好的实际表现和巨大的潜力。这里不再一一列举例证,详情后述。
2.国内外纳米技术和纳米材料开发及应用概况
2.1纳米技术的国际竞争态势
纳米技术经过上个世纪八十年代的理论和实践的大量准备,到九十年代得到很快的发展。到世纪之交,2000年1月21日美国总统克林顿向国会提出"国家纳米技术倡议"(NNI-National Nanotechnology Initiative)以后,很快在世界上掀起纳米技术的热潮。尽管这个热潮没有像".com"网络热那样形成狂潮,但它受到科学技术界、企业界和各国政府的高度重视。各国政府根据自身的国情制订相应的战略规划,加大财政拨款投资,设立专职协调机构,设立各项或专项计划申请制度,鼓励大企业投资纳米技术的基础研究和应用研究,鼓励开展国际合作,建立各种开放式研究机构,对一般性应用项目放开竞争,鼓励拥有专项纳米技术的专家创建小型企业为社会提供自身专长的产品和服务等等。
2.1.1美国
美国政府为了保持其纳米科学技术领域在世界上的强势地位,于2000年初由克林顿总统向美国国会提出"国家纳米技术倡议"(NNI),全面部署纳米技术战略规划。并提请国会审议通过纳米技术2001年度专项财政拨款4.95亿美元的请求。
美国"国家纳米技术倡议"(NNI)是经过长期酝酿提出来的。NNI的始作俑者是美国国家科学基金会(NSF,National Science Foundation)的资深顾问米哈依尔 C. 洛克(Mihail C . Roco)。他在1999年3月白宫科学技术政策咨询会议(White House Office of Science & Technology Policy-OSTP)例会上呈递的报告中首先提出了NNI的雏形。以后,是年八月白宫科技政策咨询会(OSTP)成员单位国家科学技术委员会(NSTC,National Science & Technology Council)下,设置了临时性的办事机构--纳米科学工程及技术协调工作组(Interagency Working Group on Nanoscience Engineering &Technology),由洛克任组长。在洛克的亲自主持下,制订了两个配套文件:其一为"纳米结构科学与技术"(Nanostructure Science &Technology);其二为"纳米技术研究指南"(Nanotechnology Research Directions)。
这两个文件作为"国家纳米技术倡议"(NNI)的两个附件,形成蓝皮书,呈报联邦政府,这是美国总统克林顿于2000年初向国会提出的"国家纳米技术倡议"的大致过程。
NNI向世界公布后,(网址:http://www.nano.gov),美国政府为加大推进纳米技术战略规划的实施力度,2000年7月份公布了实施计划(implementation plan),同时,国家科学技术委员会(NSTC)下设的临时办事机构--纳米科学工程及技术协调工作组变为常设机构,并晋格为"纳米科学工程及技术分会"(Subcommittee on Nanoscale Science ,Engineering & Technology),具体负责联邦政府下属各部门之间有关纳米技术研究项目的相关协调事项。相当于"国家纳米技术倡议"计划的执行协调部门,由洛克任主管。(读者有兴趣,可参见附录)
NNI计划,对美国来说是涉及政府部门最广泛的一项科学技术计划,由于这项战略计划的实施,促使美国政府研发(R&D)管理体制作了重大调整。用美国白宫科技政策咨询会(OSTP)纳米技术管委会总监邓康 T.摩尔(Duncan T. Moore)的话说,在"部际研发(R&D)管理上扯皮的一些老问题已经解决。"解决的办法是实行"大联合"(Grand coalition),把美国八个最大的负有相应研发(R&D)管理职能的部门:国家科学技术基金会(NSF)、国家标准与技术学会(NIST,National Institute Standard & Technology)、国家卫生学会(NIH,National Institutes of Health)、国防部(DOD,Department of Defense)、能源部(DOE,Department of Energy)、国家宇航局(NASA)、环境保护局(EPA,Environmental Protection Agency)、农业部(DOA,Department of Agriculture)和美国司法部,再加上国务院(以观察员身份参加)等十大部门统统作为国家科学技术委员会(NSTC)组织实施NNI的分会成员单位。
NNI是一项内容极其丰富而庞大的计划,主要有以下几个特点:
· 研发项目内容涉及范围广·
纳米材料及制备、纳米电子学、医学与卫生、环境与能源、化学与制药业、生物技术与农业、计算机与信息技术、国家安全等。
· 建立全国性的协调工作体制·
NNI是以总统名义向国会提出的战略性科技规划,所以它的组织实施过程中,负责总协调的角色就落到总统白宫科学技术政策咨询会(OSTP)的成员单位国家科学技术委员会(NSTC)肩上。NSTC为了把NNI能够具体落实到实处,在NSTC下专设了纳米技术工程与技术分会,作为各部纳米技术计划总协调的常设办事机构,其负责人就是NNI起草者洛克。NNI涵盖了美国十个主要部门,可见其重要性,这在美国历史上是罕见的,可能只有第二次世界大战时期的"曼哈顿原子弹计划"和七十年代的"阿波罗登月计划"可以比拟。可是那两个计划是短暂性的具体工程计划,这一次是长期性的战略计划,具有动态的不可预见性。具体的协调工作机制目前还不太清楚,但有一点是肯定的,新建立起来的协调体制的权威性已为科学院、私营企业、各级国立实验室、各级政府基金会,以及各种权威性的科学和工程协会组织的广泛认可。
· 开放性、共享性、灵活性·
这既体现了美国的传统特点,也符合纳米科学技术发展的客观要求。因为纳米技术研究是原创性研究,其具体的商业价值具有无确定性,仅是提供某种创造商业价值机会,所以这里没有太多的商业秘密。真正要创造出商业利益,还要进行创业冒险。所以在NNI中充分体现它的开放性、共享性和灵活性。
· 开放性--在互联网上建立NNI网站,向公众开放。开放是为了让纳税人知道NNI是什么;开放也是为让更多关心支持纳米技术的人或有疑惑者和有异议者了解NNI的项目内容及其实施情况;开放,更为了那些从事纳米技术研究工作的人士,如何从NNI中获得帮助和支持,争取到更多的发展机会;开放还使美国吸引更多的人才。
·共享性--信息共享、基础设施共享、专用基础测试仪器(state-of-the-art)共享是NNI提出的重要原则,也得到了十个成员单位及其下属的综合性或专业性研究所、实验室以及高等学校的广泛支持,他们纷纷打出这张牌以便招募人才和科学研究项目,NNI鼓励的研究网络也应运而生。开放性和共享性大大促进了纳米技术人才和资源的有效流动和高效组合及利用,有利于多出成果,出好成果。
· 灵活性--研究形式和组合多样,既有重大的项目,也有小型项目,既支持大型团队式研究项目,也鼓励帮助扶持个人专项确有专长的项目;在项目计划管理上富有弹性,不受截止时间限制(sunset),只要有好项目随时申请随时审批,随时调动资金予以支持。
·重视纳米技术可能引发的伦理、法律和社会影响问题·
NNI很重要的特色是把纳米技术可能会引发出的种种社会问题纳入研究计划。把所涉及的道德伦理、相关法律、对社会发展可能产生的影响以及相关的宣传教育培训等等社会科学和人文学科方面的研究课题与具体的纳米科技研究课题同等对待,一样给予立项,给予经费资助。为了做好这方面的工作,在国家科学技术委员会(NSTC)下设立了一个新的机构--纳米科学技术社会影响工作办公室(WSINN--Workshop on Societal Implications of Nanoscience &Nanotechnology)。就这样,在NNI中包容了对纳米科学与技术的人文关怀机制,体现了它的高屋建瓴气势,未雨绸缪的审慎态度。这在美国科技发展史上是前所未有的。
考察美国纳米技术研发的总体印象,概括起来这么几条:
⑴作为政府行为的NNI计划,主要侧重于战略性、长期性、基础性和社会性,因此,研究范围广泛,参与的政府部门、研究所、大学为数众多,实力雄厚,经费充足,总体上处于世界领先水平。尤其在纳米结构的基础研究和纳米结构的各超微器件,如量子型电子器件,超微结构的生物传感器,生物芯片技术,微机电系统,纳米探针等都有世界领先的出色表现。
⑵在纳米材料方面,虽然研究开发单位和企业很多,但还没有具备工业化批量生产的大型生产装置。根据美国比较权威的杂志《化学与工程新闻》2000年8月综合调研分析,原因有:其一,是纳米材料在传统产业中的应用还没有得到重大的突破;其二,是纳米材料还没有为广大潜在应用厂商所认识,价格也太高。现在基本上停留在纳米材料供应商,在寻求用户厂商合作阶段。
⑶在纳米材料应用方面完全是市场化的。从报道情况来看,主要集中在电子信息、生物工程、医学、医药、航空航天、国防等高新尖端领域,并取得一些骄人的成果。但在传统产业方面的应用,引人注目的成果不多。虽然这方面的公司不少,但多数是初创不久的小公司,没有什么经济实力,多数处在联系客户建立合作伙伴的创业阶段,也有比较好的小公司,或者产品前景比较好,或因有比较强的研发队伍,被大公司看上被兼并收购的,但案例不多。值得注意的是,大公司在纳米材料应用开发方面的信息披露不多,据《化学与工程新闻》杂志评论家看法,大多数大公司都从事纳米材料应用方面的研发,有的从国家高科技计划方面获得不少资助,但总体上没有什么大的动作,多数大公司都采取静观其变、适时介入的态度。根据美国市场分析专家称:"再过几年,一当纳米材料领域在市场上形成明显的气候,那些大制造厂商会及时注入资金,老牌的大公司会很快地介入这个领域参与竞争,推动成本下降,到那时才会真正确立纳米主流市场的地位。"
2.1.2日本
七十年代开始,日本就非常重视微米技术,当时日本政府就将其定为战略技术,并且很快实现了大规模产业化技术,对美国构成强劲的竞争优势。在微米技术取得巨大成功的基础上,一些大公司、大学和研究所进一步深入到纳米技术的探索,他们很快就发现碳的纳米结构。1991年,日本NEC公司基础研究实验室的饭岛教授首次发现了碳纳米管。"纳米"作为长度单位,最早把它用在工程技术上的是日本。70年代开始,日本工程技术界,特别是机械工程和精密仪器界,为推动微米加工技术的发展,在各种刊物上连篇累牍地发表微米技术方面的文章。1974年底,"纳米"概念开始出现在文章中。
因此,在日本有一种习惯性,很自然地把"纳米技术"看成是微米技术的自然延伸,"纳米技术"经常用于描述作为未来电子和计算机技术基础的半导体上的纳米结构以及相关的纳米级测量仪器的研发。这也很符合他们重视工程技术研究的传统。目前,纳米技术的研发经费主要来自于大公司和大财团以及政府部门的资助,中小企业的作用很小。
给纳米技术予以资助的政府部门,主要是通商产业省、科技厅和文部省。
· 日本科学技术厅
它是日本政府纳米技术研究计划的最早推动者。1981年该厅组织实施"先进技术的探索计划"(ERATO),该计划始终受到世界各国的关注。该计划中涉及了许多有关纳米技术方面的内容,这些方面的内容随着时间的推移,不断以新的计划予以补充、充实,形成了滚动发展的推进机制。例如,关于量子效应和纳米结构的量子波计划(1988-1993年);有"原子工艺计划"(1989-1994年),包含了用扫描隧道显微镜操纵单个原子;有"电子波前计划"(1989-1994年),包括电子信息技术,在超导薄膜中的磁通量子化(fluxones)的运动规律;量子波动计划(1993-1998年),包括非确定性原理、量子非破坏性测量、单电子控制等。另外,日本科技厅还设立一些单项匹配资助计划,如Yoshimura的"π-电子计划"(Pi-electron Project,1991-1996);Woyori的"分子催化剂计划"(1991-1996);Shinkai的"化学标识计划"(Chemirecognics Project,1990-1995);Nagayama的"蛋白质列阵计划"(Protein Array Project,1990-1995)等。
· 日本通产省
通产省与科技厅的计划项目有所不同,侧重于中长期具有战略意义的工程化研究开发,一般为期10年,相同的是,视项目进展情况,适时调整滚动计划。上世纪九十年代开始,该省制订有耗资1.85亿美元的"原子技术计划"(1991-2001年);投资4000万美元的"量子功能器件计划"(1991-2001年);还有引人注目的"最终操纵分子的研究开发计划"(Research and Development of Ultimate Manipulation of Molecules-RDUMM,1991-2001),该计划总投资250亿日元,其中约有1.67亿美元用于开发纳米机器人(MENS)。
通产省要达到的目的是,通过政策性的计划引导,用少量的财政拨款资助,调动大企业、大学和研究所的资金、科研设施设备、人才、信息等等资源集中投入,争取在中长期内获得工业技术方面的战略强势。为此,该省就纳米技术的研发制订了政府、产、学、研全面协作的相关政策。其政策的主旨是将日本企业和研究机构把力量集中在加工工艺和制造方面。通过政策计划导向,目标是能吸引日本企业1000亿日元用于纳米技术的研究和开发。目前,参加的大企业有富士、日立、索尼、NEC、三菱、东芝等,国外也有若干公司参与,如美国的IBM公司,德克萨斯仪器公司等。
· 日本纳米技术的研究重点
基础理论性研究重点,在"原子技术计划"中得到了充分体体现。利用分子探针技术测量的控制原子水平上的结构;利用电子束技术观测并形成原子尺度结构的技术;观测并操纵有机分子结构;研究新型电子材料和同原子技术相关的物理学;研究原子和分子加工的理论方法。
在技术科学方面,日本通产省认为应当推动"两个未来技术"的研究,其一是纳米微机械,其二是纳米生物技术。从加工技术路线角度来看,日本认为"从大到小"(Top down)和"从小到大"(bottom up)都要搞,目前即以"从大到小"为主,主攻纳米无机物方面。直到目前为止,"从大到小"的项目,以开发创造介观器件和量子效应器件等半导体为代表,如量子阱、量子线、量子点等量子效应器件,现在正逐渐转向"从小到大",主攻方向是生物技术。
2.1.3欧洲诸国
欧洲已经实现统一,在纳米技术方面,既有统一合作的泛欧计划,又有充分发挥各自主权国家作用的重点计划。
· 欧盟的泛欧"尤利卡"计划
在早先著名的尤利卡(EUREKA)计划中,就包含有有关的纳米技术计划-EURIMUS 计划,由于尤利卡计划是一项泛欧计划,它既要向欧盟各国开放,又要向承担具体项目的当事单位(企业、院校等)提供资助性服务。一般当事者必须要有两个国家以上的相应单位。因此,尤利卡计划内关于纳米技术计划(EURIMUS)的投资方向,除对具体项目财政资助外,很重要的方面是建立公共合作研发体系。该计划是从1998年开始实施的五年计划,根据计划要求,由欧盟出资建立"促进NEXUS杰出中心网络",其主旨是推动欧盟在新的微系统技术方面的研发及其应用,加速其商业化进程,为欧盟在微系统技术方面争得一席之地。第一阶段为期两年,预算为1.5亿欧元。
由EURIMUS推荐的项目必须是参与国产业界共同感兴趣的项目,这就充分发挥了欧盟、参与国及企业界三方的积极性。具体项目计划甚多,试举一二:如有"基于电子器件的纳米粒子的生物分子驱动组装(BIOAND)"计划;"由小到大的纳米机械(Bottom-up Nanomachine BUN)"计划;"混合分子/电子的视网膜皮层元素的设计与构建(CORTEX)"计划;"基于DNA的电子学"计划;"蒙娜丽莎"计划;"并行电子束纳米光刻微枪列阵(NANOLITH)"计划 ;"NANOMASS"计划;"纳米生物技术与医药学(NANOMED)"计划;"NANOMEM"计划;"纳米分子电子器件的制造与模型(NANOMOL)"计划;"纳米技术计算机辅助设计(NANOTCAD)"计划等等,其内容广泛可见一斑。
· 德国
德国于1991-2000年实施了教育与研究部(BMBF)的计划,政府每年投资于微系统6千万美元,在1994-1999年间增加了9000万美元,用于微系统中的纳米技术的研究。1994年-1997年,BMBF共资助了134个项目,参加的机构有726个,其中不乏有大企业和大学的参与。目前估计有近100所大学和160家公司参与微系统的研发和商业化开发。其中处于世界领先的领域有:微机电系统(MEMS)在自动化、医学、环境、通讯、化学/医学等领域的应用等。德国BMBF纳米技术计划的基本宗旨是实行"以产品为导向的技术开发",其目的是实现商业化,主要有下列几个方面:超级薄膜;新型纳米结构;超精细表面制图;纳米结构分析(仪器);纳米材料与分子结构(器件)等。
· 法国
法国实施的是国家微科学技术计划(1993-2000年),财政拨款每年约1.2亿美元,受资助的项目有130项。另外,还有同欧盟技术信息计划挂钩,并获得相应资助的约100家法国公司,25家法国大学院所,均有纳米技术研发项目。特别值得关注的是,法国原子能委员会和格勒.诺贝尔国家综合技术学院提出倡议,提出建立法国微米纳米技术园的建议。该技术园,将由政府(地方政府)、研究机构、大学等多方筹集资金8亿法郎,将于2005年建成。该园的争取目标是,将它建成为具有国际竞争力的微米纳米技术研究及应用中心,成为欧盟大型技术研究中心和知识转化中心。该园的主要研究开发对象有微系统、生物芯片、微型化医疗系统、大容量存储器、微型显示器等高级先进器件,还有智能标签、智能卡、移动电话、汽车通信设备、家用电器、通信服务等相关的通信器件。
其他欧洲国家,如英国、荷兰、瑞士、瑞典、丹麦都有自己的纳米研发计划。如英国的"纳米技术联系计划",在机械、光学、电子学等领域中都有相关的纳米技术研究项目。瑞士计划在2000-2003年,准备投入130亿瑞士法郎用于"探索知识"计划。英国在纳米生物医学方面的研发具有相当的优势,如纳米医学与环境用传感器、纳米诊断与分析器件、微型介入式器件等。
2.2我国纳米技术的基本态势
2.2.1我国是纳米科学技术研究较早的国家之一
在纳米科技的发展初期,我国的科学家已经开始关注这方面的研究。我国著名科学家钱学森,早在五十年代在他的"物理力学"中,就在理论上企图把微观世界同宏观世界联系起来,成为我国纳米科学的理论先驱者之一。在六十年代后期又以哲学家的深邃眼光提出了妙观--微观--介观--宏观--宇观的思想。到九十年代初,钱学森院士对八十年代以来纳米科技进展情况的分析,高瞻远瞩地指出"我认为纳米左右和纳米以下的结构,是下一个阶段科学发展的重点,会是一次技术革命,从而将是二十一世纪又一次产业革命。"从1990年开始,我国就"纳米科技的发展与对策"、"纳米材料学"、"扫描探针显微学"、"微米/纳米技术"等方面,召开了数十个全国性的会议。1993年,中国科学院还在北京主持承办了第七届国际扫描隧道显微学会议(STM'93)和第四届国际纳米科技会议(Nano IV)。这些国内和国际会议的举办,为我国纳米科技的发展和国内学术交流与合作,起到了积极推动作用。
我国政府有关科技管理部门也较早地认识到纳米科技的重要性,并于积极地推动和财政支持。中国科学院和国家自然科学基金委员会,从八十年代中期开始,就支持扫描探针显微镜(SPM)的研制及其在纳米尺度上科学问题的研究(1987--1995)。国家科委出台的"攀登计划"(1990--1999)中,就有纳米科技项目,并给予连续10年的专项支持。1999年,国家科技部又制定了"国家重点基础研究发展规划"("973"计划)其中安排了"纳米材料与纳米结构"项目,对纳米碳管等纳米材料的基础研究继续给予大力支持。在国家"863"高技术计划中,也列有不少纳米材料的应用研究项目。
中国科学院无疑是先行者,为开创我国的纳米科技研究事业作出了重大贡献。纳米科技是多学科综合的新兴交叉学科,在多学科的综合集成方面,中科院、北京大学、清华大学、复旦大学等著名院校都有不俗的表现,为世界所瞩目。
2.2.2基础研究绩效显著
我国是大国,同先进国家比又是一个穷国,我们在基础研究方面的投资一直是很少的。例如:美国"国家纳米技术倡议"(NNI)计划。2001财政年度国家财政拨款就高达4.49亿美元,日本的"量子功能器件计划"(1991-2001)就投资4000万美元。而我们在过去10年间,国家对纳米科技计划的累计投入大约为700万美元,其投资差距可见一斑。我们的纳米科学家们就在这么一点家底的基础,凭着我们聪明才智和勤劳,艰苦奋斗创造出令世界瞩目的业绩。
从近期美国《科学引文索引》核心期刊发表论文数看,中国纳米科技论文总数位居世界前列。例如,纳米碳管方面的学术论文数位居美国、日本之后列世界第三。在具体科学成果方面,处在世界领先地位的也不乏其例。现举一二以作佐证。
2.2.2.1纳米材料研究
· 在纳米碳管研究制备方面·
自1991年日本科学家饭岛发现碳纳米管以来,它的研究和制备就成为世界纳米科学家的研究热点问题。这是因为纳米碳管有其独特的结构和奇特的物理、化学特性,有着非常广泛的应用前景,它自然成为纳米科学家关注的焦点。碳纳米管是由石墨中的碳原子卷曲而成的管状材料,管的直经一般为几纳米到几十纳米,目前最小值已达到0.33nm。由于碳纳米管的直径只有纳米级,而其轴向长度为微米级,所以长径比在103以上。因此在碳纳米管制备过程中一直存在着碳管混乱取向,互相纠缠成束等问题,中科院物理所解思深教授领导科研小组,1996年在国际上首先发明了控制多层碳管直径和取向的模板生长方法,制备出离散分布、高密度和高强度的定向碳纳米管,顺利地解决了上述难题。1998年合成了世界上最长的纳米碳管,其长度达到3mm,高出当时长度的百倍。世界最细的纳米碳管在2000年先后被我国科学家制造出来。先是物理所的同一小组合成出直径为0.5nm的碳管,接着香港科技大学物理系利用沸石作模板制备了最细单壁碳纳米管(0.4nm)的阵列,紧接着中科院物理研究员彭练矛(同时也在北京大学任职)在单壁碳纳米管的电子显微镜研究中,发现在电子束的轰击下,能够生长出直径为0.33nm的碳纳米管。
清华大学首次利用碳纳米管作模板成功的制备出直径为3~40mm长度达微米级的发光的氮化镓纳米棒,在国际上首次把氮化镓制备成一维的纳米晶体,并首次提出碳纳米管限制反应的概念。中科院固体物理所成功研究制出纳米电缆,有可能应用于纳米电子器件的连接。
中科院金属研究所采用等离子电弧蒸发法成功地制备出高质量的单壁碳纳米管,并用其储存氢,质量储氢容量达到4%的高水平。
· 在纳米金属,纳米无机材料方面·
中科院金属研究所的研究小组,在世界上首次发现纳米金属的"奇异"性能--超塑延展性,纳米铜在常温下可延伸50多倍而"不折不挠",为世界所瞩目,被誉为"本领域(指纳米技术)的一次突破,它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的"。
中国科技大学的科学家用较低温度条件的溶剂热合成技术,发明了用苯热法制备纳米氮化镓微晶的工艺,首次在300℃左右制成粒径只有30nm的氮化镓微晶。该小组还采用非水热合成制备金刚石粉体,开辟了一条十分有经济价值的技术路线。
· 在纳米有机材料及高分子纳米复合材料方面·
中国科学院化学所在高聚物插层复合,分子电子学、富勒烯化学及物理,二元协同纳米界面材料等方面取得了领世人瞩目的业绩,开发出具有自主知识产权的技术,有些已开始进入产业化开发阶段。如蒙脱土纳米插层复合技术的转移,实现了纳米聚烯烃、聚酰胺、聚酯等工程塑料和橡胶的产业化,正推动传统聚合物产品的升级换代,使我国在纳米聚合物领域在国际上保持领先地位。国家"973" 纳米领域首席科学家张立德研究员为此发表评论说:"纳米塑料将是我国最有希望实现产业化的纳米技术之一。"
2.2.2.2纳米器件研究
在量子电子器件的研究方面,我国科学家研究了室温条件下单电子隧道效应,单原子单电子隧道结,超高真空STM室温库仑阻塞效应和高性能光电探测器以及原子夹层型量子器件。
清华大学已研制出100nm级的MOS器件,还研制出一系列硅微集成传感器、硅微麦克风、硅微马达、集成微型泵等器件,以及基于微米/纳米三维加工的新技术与新方法的微系统。
中科院半导体所研制了量子阱红外探测器和半导体量子点激光器,物理所已经研制出可在室温下工作的单电子原型器件。西安交通大学制作了碳纳米管场致发射显示器样机,已连续工作了3800小时。
在有机超高密度信息存储器的基础研究方面,中科院北京真空物理实验室、化学所和北京大学等单位的学者,在有机单体薄膜NBPDA上作出点阵,1997年,点径为1.3nm,1998年,点径为0.7nm,2000年,又达0.6nm,信息点直径比国外报导的研究结果小了近一个数量级,是现已实用化的光盘信息存储密度的近百万倍。北京大学采用双组份复合材料(TEA/TCNQ)作为超高密度信息存储器件材料,得到信息点为8nm的大面积信息点阵(3um×3um)的优异成就。复旦大学成功制备了高速高密度存储器用双稳态薄膜。并已经初步选择合成出几种具有自主知识产权的有机单分子材料,可望作为有机纳米集成电路的基础材料。
从我国纳米器件研究的情况来,主要集中在研究基础较好,设备设施相对齐全的研究院所和高校;如中科院有关研究所,北大、清华、复旦、南京大学等。由于投资不足,在硬件设施设备条件技术层次不高的情况下,能取得这些成绩,殊属不易。这些研究工作(Approaches)是"由大到小"(Top down)的工作,因此,总体上来说我国在纳米结构体系上的研究同国外还有较大的差距,特别在"由小到大"(bottom up)的研究工作有待实质性的起动。
2.2.2.3纳米结构的检测与表征
90年代开始,中科院北京真空物理室和化学所运用STM进行了纳米级及原子级的表面加工,在晶体表面先后刻写出"CAS"、"中国"和中国地图等文字和图案。中科院化学所先后研制STM、AFM、BEEM、LT-STM、UHV-STM、SNOM等专用于纳米区域范围表面的仪器设备,并且有自己的知识产权。他们还开发了表面纳米加工技术,为我国纳米技术的研究起到了先导者和促进者的作用,最近他们在单分子科学技术以及有机分子有序组装方面有了很好的进展,并开始对分子器件进行探索性研究。中国科技大学进行了硅表面富勒烯C60单分子状态检测,为分子器件的研究制备提供了一些基本数据。
北京大学自行研制VHU-SEM-STM-EELS联用系统和LT-SNOM系统。建立了完整的近场光学显微系统--近场光谱与常规光学联用系统,并以此系统研究了癌细胞的结构形貌。
总之,在纳米结构的检测与表面的基础性研究开拓方面取得了可喜的成绩,但同先进国家比总体上还有相当大的差距。由于投资少,硬件设备要求高,这方面的研究还只能集中在少数几个研究院所和大学。由于我国受制于研究工作条件的不足,研究力量比较薄弱,在纳米结构,特别是纳米器件方面的研究工作,只能算是刚起步。国家正在考虑建立公用技术平台,建立相应的资源共享体制,组织力量进行多学科攻关,突破纳米结构加工和纳米器件的关键技术。
2.2.3纳米材料的产业化
我国纳米材料产业化开发方面总体上处世界先进行列,有不少产品的量产能力居世界领先地位。
2.2.3.1纳米材料产品线丰富,量产高
目前,我国纳米材料粉体生产线,年产量达吨级以上的已有20多条,这在世界上也是不多的。据世界化工行业,权威杂志美国《化学与工程新闻》(C&EN)2000年8月份《纳米技术专题报告》(Nanotechnology: Special Report)中,对美国主要纳米粉体生产企业的调查,其产量能力达到吨级的极少,即使达到吨级的也不能同我们相比。其产品种类也不如我们丰富。我国吨级生产线的产品种类多。
· 纳米氧化物方面·
纳米氧化锌、纳米氧化钛、纳米氧化硅、纳米氧化锆、纳米氧化镁、纳米氧化钴、纳米氧化镍、纳米氧化铬、纳米氧化锰、纳米氧化铁等。
· 纳米金属和合金方面·
有银、钯、铜、铁、钴、镍、钛、铝、银-铜合金、银-锡合金、铜-钛合金、镍-铁合金、镍-钴合金等。
· 纳米碳化物·
有碳化钨、碳化硅、碳化钛、碳化铬、碳化铌、碳化硼等。
·纳米氮化物·
有氮化硅、氮化铝、氮化钛、氮化硼等。
2.2.3.2纳米材料的工业化规模生产
我国纳米材料的工业化规模生产,这两年有突飞猛进的发展势头,走在世界前列。拥有自主知识产权、令世人瞩目。
· 纳米碳管工业化生产线·
清华大学化工系魏飞教授领导的课题组,采用纳米聚团床反应器,能大量制备多壁碳纳米管的新技术,与南风化工集团股份有限公司合作,成功的实现了15公斤/小时的高产量纪录,这是目前国际上多壁碳纳米管产业化制备能力的最高纪录。如每年连续生产运行8000小时计,该生产设备的生产能力已达到120吨/年。据悉,该技术可在较低温度下实现纯度在80%以上,多种型貌碳纳米管可控制,成本低。碳管外径在4~60纳米,内径在2~20纳米,管壁的石墨层可以实现倾斜和平行排列的不同构形的碳管。其技术特点是连续化、能耗低、放大效应小,适合产业化推广。
· 钛基纳米粉体材料·
哈尔滨鑫科纳米科技发展有限公司的纳米工程技术专家,研究开发出采用磨球与普通钛粉高速悬浮旋转研磨机械工艺路线。建成工业化钛基纳米材料生产线。并自行研制出配套的分散剂和保护剂,成功的解决了团聚问题,使产品能在常温下长期保存,拥有自主知识产权。纳米技术专家认为,其产业化程度之高,在国内居领先水平。该生产线还能生产铜、铁、镍等金属纳米粉体材料。
纳米钛粉可作耐磨、耐腐蚀、耐沸水特种涂料的添加剂。已在大庆油田、胜利油田和热水内胆生产企业等方面及得到成功的推广应用。添加钛纳米材料的涂料,还具有神奇的自我修复能力,可用做金属和非金属材料通用的修补剂。同时它还具有"荷叶效应"的自洁能力。如吉林通化葡萄酒厂热水罐内壁用其处理后,5年未发生结垢现象。由于钛是对人体植物神经味觉没有任何影响的金属,因此其涂料可广泛应用于食品工业流程设备中。
最近,该公司又成功实现用废钛材料直接转化成纳米材料,在性能不降的条件下进一步降低了生产成本,将使高级航天材料越来越广泛地步入民品领域。钛基纳米材料产业化项目已列入国家"十五"规划中的纳米技术和纳米材料发展纲要。
· 纳米碳酸钙·
碳酸钙是化工行业广泛使用的大宗无机化工原料。我国碳酸钙年生产能力约280万吨,年实际生产量约220万吨左右,基本上是普通轻质碳酸钙和活性碳酸钙。纳米碳酸钙、纳米级活性碳酸钙等高档次碳酸钙一直依赖进口,碳酸钙行业内的产品结构极不合理。
这几年来,随着纳米技术的迅速发展,我国纳米碳酸钙生产技术很快形成拥有自主知识产权的技术生产体系,有望根本改度我国碳酸钙行业技术落后的面貌。
这里特别值得介绍的是广东广平化工实业有限公司同北京化工大学联合开发的超重力法纳米碳酸钙工业化生产线。该生产线年产3000吨纳米碳酸钙,产品一次平均粒径为15~30nm,比表面积62~77m2/g范围可调的多种晶形的纳米碳酸钙,其质量指标处于国际领先水平。
该生产线的技术是由北京化工大学研究开发的,是国家"863"计划项目--纳米粉体超重力法工业性制备新技术的研发成果。该技术基于分子混合与反应结晶理论,研究开发了超重力法合成纳米粉体材料的方法和相应的装备,属国际首创。完全拥有自主知识产权,已获得国家发明专利。它的开发成功,立刻引起了美国道康宁、陶氏化学、德国巴斯夫、拜耳等国际大公司的关注,纷纷前来洽谈合作事宜,使我国从纳米粉体材料技术进口国转变为技术出口国。
该生产线已经通过生产验证考核。证明其核心设备超重力碳化反应器生产能力达到3500吨/年,超过了设计能力。最近传来消息,国家计划发展委员会拟在山西省筹建30000吨/年生产能力的超重力法纳米碳酸钙生产线。
超重力法纳米碳酸钙技术的大规模工业化生产,是目前我国纳米材料工业化的最优秀代表。
上海华明高技术(集团)有限公司(国家超细粉体工程中心)开发的纳米碳酸钙生产技术也颇引人注目。该中心已与山西兰化科技创业股份有限公司合作,成立山西兰花华明纳米材料有限公司,在山西省晋城市建设纳米级超细活性碳酸钙生产线,生产能力为15000吨/年,并已于2001年10月建成投产(一期)。二期工程再建一条15000吨/年生产线,计划于2002年建成投产。其技术路线是在原有传统沉淀法基础上,注入创新的晶型纳米化控制技术,是传统沉淀碳酸钙生产技术的二次革命。
具有近六十年轻质碳酸钙生产历史的湖州菱湖化学厂(现菱化集团),自行开发出纳米级橡塑专用碳酸钙,也已具备2000吨级生产能力,视市场需求情况,可随时扩产到5000吨。
湖州湖化公司,也已建成年产5000吨的纳米碳酸钙生产线。
湖州市浙港合资浙江金丰纳米材料有限公司年产5000吨的沉淀法高纯晶型纳米碳酸钙已于2001年7月建成投产,并拟于2002年再建二期20000吨/年生产线,届时年产能力将达25000吨/年。
· 纳米氧化硅工业化生产线·
浙江省舟山明日纳米材料有限公司同中科院固体物理所合作,于1997年建成年产百吨级的纳米硅基氧化物(SiO2-x)工业化生产线。纳米硅基氧化物是纳米材料的重要一员,具有广泛的用途。该生产线生产出的产品质量非常好。其颗粒直径小(为5--15nm),具有很高的比表面积(达640--720m2/g)。
· 纳米硅基陶瓷粉体·
齐齐哈尔超微粉制造公司利用中科院金属研究所发明的激光制备纳米粉体的专利技术,并在此基础上加以改进,用两年时间完成了产业化生产开发,建成年产2吨的高性能硅基纳米陶瓷粉体生产线。这是目前世界上质量最好、产能最大的生产装置,令美国同行刮目相看。美国有关公司最大生产能力也不过是日产1 公斤左右。
该厂生产的Si,碳化硅(SiC),氮化硅(Si3N4)和混合粉的含氧量得到严格控制,粒径都在38nm以下,是目前世界上最好的。
·纳米材料--纳米专用涂料·
佳隆(烟台)实业有限公司电子材料厂,原是一家纳米材料制备企业,也是从事复合纳米粉体研制企业,因此具有纳米材料应用开发的经验。该厂同中科院物理所、科大、南大等单位合作,瞄准纳米材料在电子行业的应用,以电子浆料为突破口,开发出彩电显像管、计算机显示器等显示终端专用的三防(防静电、防眩、防辐射)涂料,填补了我国的空白,打破了美国、日本等少数国家的垄断。最近,他们进一步开发出具有节能、环保涂膜玻璃用涂层材料,经这种材料涂敷的玻璃,具有反射红外线、防紫外线、不结雾等多种功能,市场前景非常好。为此,佳隆(烟台)实业有限公司于2001年初,对该电子材料厂扩建改造。并被列为国家高技术产业化新材料专项示范工程项目--功能玻璃用纳米涂层材料。佳隆(烟台)实业有限公司为此投资9226万元予以组织实施。
该项目的组织实施,标志着国内从单一纳米粉体制备找到某种关键应用领域并形成最终产品化、产业化上的突破。这对当前我国纳米材料应用技术跟不上,应用推广困难,纳米材料生产企业效益上不去,有的难以为继的尴尬局面,如何找到一条出路,无疑是一个很好的范例。

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