陳根：從納米技術到納米思維，納米如何以小博大？_風聞

文/陳根

1959年12月，物理學家理查德·費曼以“在微小等級操縱和控制事物的問題”為主題發表了名為“底部充足的空間”的演講。在那次的演講中，費曼不滿足於在針頭上刻字母的技術，進一步提出：“我們為什麼不能把整本的百科全書寫在針頭上？”

就是這個在當時看似難以實現以至於並沒有引起過多關注的想法，成為了納米技術最早的科學預測，並從根本上開啓了納米技術有意識地科學發展的序幕。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氙原子，首次操縱原子寫出“IBM”****，實現了費曼的設想。

當前，納米技術經過數十年的發展，已經蔚然成風。納米技術作為微納尺度上的創新性技術，能夠製造出具有高度柔韌性、導電性、耐用性的新材料。其所使用的納米儀器和製備的納米顆粒也使科學、工業和日常生活的各領域都發生了顯著改變。

從長度單位到技術可能

**作為長度單位的納米，並不讓人陌生。納米是一米的十億分之一，**一個分子和DNA是 1 納米，一根頭髮是75000納米，注射用的針頭就是 100 萬納米，而一個身高2米的籃球員運動員則能達到 20 億納米。

當材料的三維尺寸中某一維的尺寸達到了納米級，在 0.1 到 100 納米之間，具備這樣特徵的材料就可稱之為納米材料。**並且，**在納米尺度上，材料會呈現出與宏觀尺度上完全不同的物理學、化學和生物學特性。

比如，在常規的化學反應中，鍵使原子結合，反應物保持在促進最低自由能的精確方向，每一種反應物都具有不連續的能量。在化學反應中發生的原子的重新排列總是伴隨着熱的釋放或吸收，斷裂鍵吸收能量，形成鍵則釋放能量。

在納米尺度中進行相同的反應時，反應物可以利用“分子機器”通過輸送帶上的夾具保持精確方向，在適當角度和力量下結合在一起。輸送帶隨着反應的發生而移動，將達到每秒催化超過100萬次的反應。

事實上，納米尺度上展現的不同特性早在遠古時期就已有記錄。只不過，當時雖然已經得到一些應用，但並未形成學科。公元前6世紀的萊氏杯（Lycurgus Cup）就是古代工匠在杯子製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。萊氏杯現存大英博物館，也是目前發現最早的納米技術應用。

顯然，尺度的縮小使納米物質呈現出既不同於宏觀物質也不同於單個孤立原子的奇異特性，在這一科學發現基礎上，納米技術****應運而生。

納米技術是對100納米以下的物質進行探索和控制的技術，在一定的****空間內操縱原子和分子，對材料進行加工，製造具有特定功能的器件。事實上，為特定功能而設計的分子一直是現代化學中的一部分。但納米技術與化學不同，它不僅僅侷限於溶液中分子和離子之間的吸引和結合。

也就是説，一旦“自下而上”的具體過程（創建原子級的精確結構）制定出來，那麼新型納米機械和納米制備系統的設計將非常相似於跟機械工程——既可以應用於單個小型部件，也可以應用於大型系統。

科技革命為人類的生產和生活提供了新工具——納米科技則通過納米尺度的精準操作，調控物質的屬性，賦予納米材料理想的機械、化學、電學、磁學、熱學或光學性能，使這些新型納米材料在傳統和新興工業製造領域得到廣泛應用。

納米技術在產業

當前，納米技術為物理、材料、化學、能源科學、生命科學、藥理學與毒理學、工程學等七大基礎學科提供了創新推動力，成為變革性產業製造技術的重要源泉。

**醫學領域，納米技術為藥物傳輸和疾病治療提供了新的方式和途徑。**藉助納米載體，藥物可以克服人體的生物屏障，通過人為操控直接到達病灶區，在提高局部藥物濃度增強治療效果的同時減少了對其他組織的損害，其優勢在癌症治療中已然顯露。

在醫療防護方面，利用靜電紡絲技術製造的納米級直徑聚合物細絲，具有濾材孔徑小、纖維均一性好等特性，用這種材料製造的納米口罩經過100次清洗還能保持99%以上的病毒過濾效果。這種材料還可以用於製造防護服、手套等醫療防護用品。

相較於醫學領域，納米材料在工業製造領域的應用更是對現在以及未來產生着廣泛而深遠的影響。比如，在新能源領域，納米技術為鋰電池的發展帶來了新機遇。利用納米技術，傳統鋰電池領域充放電過程中的安全性（利用硅納米線或者具有空心殼層結構的S/納米TiO2等）及速度慢（應用碳納米管等）、電池不穩定（使用超薄二維BN/石墨烯複合材料等）等重大問題得以妥善解決。

**實際上，當前針對鋰電池的納米材料的研究已經完善並實現了產業化。**商業鋰電池的能量密度已達300Wh/kg，鋰電池動力汽車的續航里程可達470公里左右。隨着納米材料的進一步發展，鋰電池性能的進一步優化，其能量密度有望達到500Wh/kg，實現800公里的續航目標。

在電子信息產業中，納米技術的應用將有助於克服以強場效應、量子隧穿效應為代表的物理限制和以功耗、散熱、傳輸延遲為代表的技術限制，製造出基於量子效應的新型納米器件，推動高性價比製備工藝的發展。

而在輕工業領域，人們日常使用的防曬霜，其主要成分是納米二氧化鈦或氧化鋅，而納米纖維則用於製造防皺、防沾污、抗菌的衣物，還有各類體育用品如網球拍、自行車等。

儘管納米技術是以新興的前沿技術出現，但納米技術離人們的生活卻並不遙遠。可以説，納米技術已經實現，只不過是以人們****不易察覺的方式。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，納米技術可以在微納尺度上進行創新，以製造出具有高度柔韌性、導電性、耐用性的新材料，所使用的納米儀器和製備的納米顆粒使科學、工業和日常生活的各領域都發生了顯著改變。在日益發展的科技時代中，納米技術對人們生產和生活的影響還遠未止步。

納米佈局帶來納米思維

基於納米技術廣泛的應用未來，各國都在不斷佈局納米技術的戰略和行動。

2000年**，**美國率先發布國家納米計劃，加強其在開展納米尺度的科學、工程和技術開發工作方面的協調。近20年來，美國除了保持在納米技術基礎研究、基礎設施兩個領域的持續高投入以外，更注重發展納米使能技術（NEPs），即利用納米技術開發材料、器件和系統，支撐傳統產業升級和新興產業應用。

此外**，世界上幾乎所有的工業化國家都加快了推進納米技術戰略和研究計劃的步伐**，韓國、俄羅斯、中國、越南、以色列等新興工業化國家和發展中國家也紛紛根據本國國情制定了系列納米發展戰略和計劃。

在中國，2001年，科技部聯合國家多部委發佈了《國家納米科技發展綱要》，成立了國家納米科學技術指導協調委員會，提出加強基礎研究、攻克關鍵技術及培養骨幹人才等任務目標。各部委分別通過國家的“973計劃”、“863計劃”等對納米新材料和新技術的研發進行了支持。

2013年，中國科學院啓動“納米先導專項”，希望利用納米技術促進長續航動力鋰電池和納米綠色印刷等產業技術的變革性創新。同時，還需培育和推動一批納米核心技術在特定能源、環境與健康領域中的應用，解決若干制約國家骨幹行業發展的關鍵技術瓶頸問題，帶動新興產業的發展。

2016年，科技部發布“十三五”國家科技創新規劃，將新型納米功能材料、納米光電器件及集成系統、納米生物醫用材料、納米藥物、納米能源材料與器件、納米環境材料等的研發作為重大專項進行研究部署。

在各類項目和計劃的支持下，我國納米技術的發展態勢良好，已經成為世界納米技術研發大國**。**我國成功研發出22納米及以下集成電路技術研發的工藝平台；建成了世界上第一條真正實現規模化、低成本製備高品質石墨烯的生產線，啓動了首條全自動量產石墨烯有機太陽能光電子器件的生產線；實現40納米，28納米系統級芯片工藝的試生產等。

事實上，納米技術的戰略和行動除了在技術層面影響社會的生產生活，更重要的是，納米技術還可以衍生到方法論的層面——納米技術帶來的納米思維，將****從納米尺寸、納米特性、納米技術的角度去思考重新定位產品的邊界，進而帶來產品升級、產業升級的全新思路和解決方案。

就像互聯網技術帶來的互聯網思維，改變了傳統行業很多原有的模式，包括傳統行業運行的效率一樣，納米技術則將更加深入地改變產品的品質和性能。每縮短一納米的距離就意味着，材料工藝重新選擇，配套系統的調整，進而提供了一個長期的參考標準。

當前，納米技術經過數十年的發展，已經蔚然成風。從納米技術到納米思維，人類社會還將實現新的進步。