文/陳根

1959年12月，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼以“在微小等級(jí)操縱和控制事物的問(wèn)題”為主題發(fā)表了名為“底部充足的空間”的演講。在那次的演講中，費(fèi)曼不滿足于在針頭上刻字母的技術(shù)，進(jìn)一步提出：“我們?yōu)槭裁床荒馨颜镜陌倏迫珪?shū)寫(xiě)在針頭上？”

就是這個(gè)在當(dāng)時(shí)看似難以實(shí)現(xiàn)以至于并沒(méi)有引起過(guò)多關(guān)注的想法，成為了納米技術(shù)最早的科學(xué)預(yù)測(cè)，并從根本上開(kāi)啟了納米技術(shù)有意識(shí)地科學(xué)發(fā)展的序幕。1990年，Don Eigler和Erhard Schweizer使用掃描電子顯微鏡操控鎳表面上的單個(gè)氙原子，首次操縱原子寫(xiě)出“IBM”，實(shí)現(xiàn)了費(fèi)曼的設(shè)想。

當(dāng)前，納米技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)蔚然成風(fēng)。納米技術(shù)作為微納尺度上的創(chuàng)新性技術(shù)，能夠制造出具有高度柔韌性、導(dǎo)電性、耐用性的新材料。其所使用的納米儀器和制備的納米顆粒也使科學(xué)、工業(yè)和日常生活的各領(lǐng)域都發(fā)生了顯著改變。

從長(zhǎng)度單位到技術(shù)可能

作為長(zhǎng)度單位的納米，并不讓人陌生。納米是一米的十億分之一，一個(gè)分子和DNA是 1 納米，一根頭發(fā)是75000納米，注射用的針頭就是 100 萬(wàn)納米，而一個(gè)身高2米的籃球員運(yùn)動(dòng)員則能達(dá)到 20 億納米。

當(dāng)材料的三維尺寸中某一維的尺寸達(dá)到了納米級(jí)，在 0.1 到 100 納米之間，具備這樣特征的材料就可稱之為納米材料。并且，在納米尺度上，材料會(huì)呈現(xiàn)出與宏觀尺度上完全不同的物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)特性。

比如，在常規(guī)的化學(xué)反應(yīng)中，鍵使原子結(jié)合，反應(yīng)物保持在促進(jìn)最低自由能的精確方向，每一種反應(yīng)物都具有不連續(xù)的能量。在化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生的原子的重新排列總是伴隨著熱的釋放或吸收，斷裂鍵吸收能量，形成鍵則釋放能量。

在納米尺度中進(jìn)行相同的反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)物可以利用“分子機(jī)器”通過(guò)輸送帶上的夾具保持精確方向，在適當(dāng)角度和力量下結(jié)合在一起。輸送帶隨著反應(yīng)的發(fā)生而移動(dòng)，將達(dá)到每秒催化超過(guò)100萬(wàn)次的反應(yīng)。

事實(shí)上，納米尺度上展現(xiàn)的不同特性早在遠(yuǎn)古時(shí)期就已有記錄。只不過(guò)，當(dāng)時(shí)雖然已經(jīng)得到一些應(yīng)用，但并未形成學(xué)科。公元前6世紀(jì)的萊氏杯（Lycurgus Cup）就是古代工匠在杯子制作材料中加入膠體金和銀納米顆粒，在光照作用下，使得杯子顏色可以從綠變紅。萊氏杯現(xiàn)存大英博物館，也是目前發(fā)現(xiàn)最早的納米技術(shù)應(yīng)用。

顯然，尺度的縮小使納米物質(zhì)呈現(xiàn)出既不同于宏觀物質(zhì)也不同于單個(gè)孤立原子的奇異特性，在這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，納米技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

納米技術(shù)是對(duì)100納米以下的物質(zhì)進(jìn)行探索和控制的技術(shù)，在一定的空間內(nèi)操縱原子和分子，對(duì)材料進(jìn)行加工，制造具有特定功能的器件。事實(shí)上，為特定功能而設(shè)計(jì)的分子一直是現(xiàn)代化學(xué)中的一部分。但納米技術(shù)與化學(xué)不同，它不僅僅局限于溶液中分子和離子之間的吸引和結(jié)合。

也就是說(shuō)，一旦“自下而上”的具體過(guò)程（創(chuàng)建原子級(jí)的精確結(jié)構(gòu)）制定出來(lái)，那么新型納米機(jī)械和納米制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將非常相似于跟機(jī)械工程——既可以應(yīng)用于單個(gè)小型部件，也可以應(yīng)用于大型系統(tǒng)。

科技革命為人類的生產(chǎn)和生活提供了新工具——納米科技則通過(guò)納米尺度的精準(zhǔn)操作，調(diào)控物質(zhì)的屬性，賦予納米材料理想的機(jī)械、化學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)或光學(xué)性能，使這些新型納米材料在傳統(tǒng)和新興工業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

納米技術(shù)在產(chǎn)業(yè)

當(dāng)前，納米技術(shù)為物理、材料、化學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)、藥理學(xué)與毒理學(xué)、工程學(xué)等七大基礎(chǔ)學(xué)科提供了創(chuàng)新推動(dòng)力，成為變革性產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)的重要源泉。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米技術(shù)為藥物傳輸和疾病治療提供了新的方式和途徑。借助納米載體，藥物可以克服人體的生物屏障，通過(guò)人為操控直接到達(dá)病灶區(qū)，在提高局部藥物濃度增強(qiáng)治療效果的同時(shí)減少了對(duì)其他組織的損害，其優(yōu)勢(shì)在癌癥治療中已然顯露。

在醫(yī)療防護(hù)方面，利用靜電紡絲技術(shù)制造的納米級(jí)直徑聚合物細(xì)絲，具有濾材孔徑小、纖維均一性好等特性，用這種材料制造的納米口罩經(jīng)過(guò)100次清洗還能保持99%以上的病毒過(guò)濾效果。這種材料還可以用于制造防護(hù)服、手套等醫(yī)療防護(hù)用品。

相較于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米材料在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用更是對(duì)現(xiàn)在以及未來(lái)產(chǎn)生著廣泛而深遠(yuǎn)的影響。比如，在新能源領(lǐng)域，納米技術(shù)為鋰電池的發(fā)展帶來(lái)了新機(jī)遇。利用納米技術(shù)，傳統(tǒng)鋰電池領(lǐng)域充放電過(guò)程中的安全性（利用硅納米線或者具有空心殼層結(jié)構(gòu)的S/納米TiO2等）及速度慢（應(yīng)用碳納米管等）、電池不穩(wěn)定（使用超薄二維BN/石墨烯復(fù)合材料等）等重大問(wèn)題得以妥善解決。

實(shí)際上，當(dāng)前針對(duì)鋰電池的納米材料的研究已經(jīng)完善并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。商業(yè)鋰電池的能量密度已達(dá)300Wh/kg，鋰電池動(dòng)力汽車的續(xù)航里程可達(dá)470公里左右。隨著納米材料的進(jìn)一步發(fā)展，鋰電池性能的進(jìn)一步優(yōu)化，其能量密度有望達(dá)到500Wh/kg，實(shí)現(xiàn)800公里的續(xù)航目標(biāo)。

在電子信息產(chǎn)業(yè)中，納米技術(shù)的應(yīng)用將有助于克服以強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)為代表的物理限制和以功耗、散熱、傳輸延遲為代表的技術(shù)限制，制造出基于量子效應(yīng)的新型納米器件，推動(dòng)高性價(jià)比制備工藝的發(fā)展。

而在輕工業(yè)領(lǐng)域，人們?nèi)粘Ｊ褂玫姆罆袼渲饕煞质羌{米二氧化鈦或氧化鋅，而納米纖維則用于制造防皺、防沾污、抗菌的衣物，還有各類體育用品如網(wǎng)球拍、自行車等。

盡管納米技術(shù)是以新興的前沿技術(shù)出現(xiàn)，但納米技術(shù)離人們的生活卻并不遙遠(yuǎn)。可以說(shuō)，納米技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，只不過(guò)是以人們不易察覺(jué)的方式。比如，防曬霜通常含有二氧化鈦（TiO2）和氧化鋅（ZnO）的納米顆粒，兩者都是高度紫外線吸收劑。

顯然，納米技術(shù)可以在微納尺度上進(jìn)行創(chuàng)新，以制造出具有高度柔韌性、導(dǎo)電性、耐用性的新材料，所使用的納米儀器和制備的納米顆粒使科學(xué)、工業(yè)和日常生活的各領(lǐng)域都發(fā)生了顯著改變。在日益發(fā)展的科技時(shí)代中，納米技術(shù)對(duì)人們生產(chǎn)和生活的影響還遠(yuǎn)未止步。

納米布局帶來(lái)納米思維

基于納米技術(shù)廣泛的應(yīng)用未來(lái)，各國(guó)都在不斷布局納米技術(shù)的戰(zhàn)略和行動(dòng)。

2000年，美國(guó)率先發(fā)布國(guó)家納米計(jì)劃，加強(qiáng)其在開(kāi)展納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作方面的協(xié)調(diào)。近20年來(lái)，美國(guó)除了保持在納米技術(shù)基礎(chǔ)研究、基礎(chǔ)設(shè)施兩個(gè)領(lǐng)域的持續(xù)高投入以外，更注重發(fā)展納米使能技術(shù)（NEPs），即利用納米技術(shù)開(kāi)發(fā)材料、器件和系統(tǒng)，支撐傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

此外，世界上幾乎所有的工業(yè)化國(guó)家都加快了推進(jìn)納米技術(shù)戰(zhàn)略和研究計(jì)劃的步伐，韓國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、越南、以色列等新興工業(yè)化國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家也紛紛根據(jù)本國(guó)國(guó)情制定了系列納米發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃。

在中國(guó)，2001年，科技部聯(lián)合國(guó)家多部委發(fā)布了《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要》，成立了國(guó)家納米科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)，提出加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、攻克關(guān)鍵技術(shù)及培養(yǎng)骨干人才等任務(wù)目標(biāo)。各部委分別通過(guò)國(guó)家的“973計(jì)劃”、“863計(jì)劃”等對(duì)納米新材料和新技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行了支持。

2013年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)“納米先導(dǎo)專項(xiàng)”，希望利用納米技術(shù)促進(jìn)長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池和納米綠色印刷等產(chǎn)業(yè)技術(shù)的變革性創(chuàng)新。同時(shí)，還需培育和推動(dòng)一批納米核心技術(shù)在特定能源、環(huán)境與健康領(lǐng)域中的應(yīng)用，解決若干制約國(guó)家骨干行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問(wèn)題，帶動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2016年，科技部發(fā)布“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃，將新型納米功能材料、納米光電器件及集成系統(tǒng)、納米生物醫(yī)用材料、納米藥物、納米能源材料與器件、納米環(huán)境材料等的研發(fā)作為重大專項(xiàng)進(jìn)行研究部署。

在各類項(xiàng)目和計(jì)劃的支持下，我國(guó)納米技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，已經(jīng)成為世界納米技術(shù)研發(fā)大國(guó)。我國(guó)成功研發(fā)出22納米及以下集成電路技術(shù)研發(fā)的工藝平臺(tái)；建成了世界上第一條真正實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒌统杀局苽涓咂焚|(zhì)石墨烯的生產(chǎn)線，啟動(dòng)了首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能光電子器件的生產(chǎn)線；實(shí)現(xiàn)40納米，28納米系統(tǒng)級(jí)芯片工藝的試生產(chǎn)等。

事實(shí)上，納米技術(shù)的戰(zhàn)略和行動(dòng)除了在技術(shù)層面影響社會(huì)的生產(chǎn)生活，更重要的是，納米技術(shù)還可以衍生到方法論的層面——納米技術(shù)帶來(lái)的納米思維，將從納米尺寸、納米特性、納米技術(shù)的角度去思考重新定位產(chǎn)品的邊界，進(jìn)而帶來(lái)產(chǎn)品升級(jí)、產(chǎn)業(yè)升級(jí)的全新思路和解決方案。

就像互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)的互聯(lián)網(wǎng)思維，改變了傳統(tǒng)行業(yè)很多原有的模式，包括傳統(tǒng)行業(yè)運(yùn)行的效率一樣，納米技術(shù)則將更加深入地改變產(chǎn)品的品質(zhì)和性能。每縮短一納米的距離就意味著，材料工藝重新選擇，配套系統(tǒng)的調(diào)整，進(jìn)而提供了一個(gè)長(zhǎng)期的參考標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)前，納米技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)蔚然成風(fēng)。從納米技術(shù)到納米思維，人類社會(huì)還將實(shí)現(xiàn)新的進(jìn)步。