球王会官方入口中国纳米：科研论文数占全球三分之一是美国的两倍

浏览次数： 24 发布日期： 2024-03-16 17:15:48 来源：球王会app官网 作者：球王会体育平台入口

　　纳米科学是在纳米尺度（从原子、分子到亚微米尺度之间）上研究物质的相互作用、组成、特性与制造方法的科学。它汇聚了现代多学科领域在纳米尺度的焦点科学问题，促进了多学科交叉融合，孕育着众多的科技突破和原始创新机会。同时，纳米科技对高技术的诞生，对我们的生产、生活也将产生巨大的影响。

　　从上世纪八十年始，纳米科技引起了人们的广泛关注。2000年美国率先发布了“国家纳米技术计划（NNI）”掀起了国际纳米科技研究热潮。中国高度关注纳米科技发展，与国际同步进行了布局，于2000年成立了国家纳米科技指导协调委员会，2003年成立了国家纳米科学中心，在国家中长期发展规划中部署了纳米科技研究计划，同时，基金委和中国科学院也都部署了纳米科技相关研究。这些措施极大地推动了中国纳米科技的发展。

　　施普林格 • 自然集团、国家纳米科学中心、中国科学院文献情报中心共同合作，编制了中国纳米，从高水平文献发表、专利申请、重点发展领域分布、国际合作网络等视角，运用大数据分析和可视化方法，综合专家解读和意见，科学详实地揭示出近年来中国和世界纳米科技的发展态势。文章定性分析与定量分析相结合，主观判断与客观数据相印证。该报告，一方面，让我们看到了过去二十年，纳米科技在世界范围得到了很大的发展，对人类社会生活进步产生了巨大影响；另一方面，我们也看到相关领域的变迁和影响。纳米科学研究和技术应用已经遍布材料与制造、电子与信息技术、能源与环境、以及医学与健康领域。与此同时，纳米技术的迅速发展给社会带来的巨大影响也带来了伦理和安全问题，潜在风险值得关注和研究。

　　报告显示，中国在纳米科学领域已成为当今世界纳米科学与技术进步重要的贡献者，是世界纳米科技研发大国，部分基础研究跃居国际领先水平。中国纳米科技应用研究与成果转化的成效也已初具规模。在专利申请量方面，中国位于世界前列。这些都与中国在纳米科技领域的持续投入密切相关，同时也展示了中国纳米科技研究正在实现从量的增加到原创以及质的转变，并更加关注纳米科技的产业化应用。

　　展望未来，纳米科技面临诸多机遇和多方挑战。我们需要实现对于纳米尺度基础研究的突破，需要加快填补基础与应用之间的沟壑，更需要满足更多来自于世界能源、环境与健康领域的重大需求。为此，我们将进一步加大创新人才的培养，加快构建和培育价值链和创新链，开展更加广泛和有效的全球合作。希望通过我们的共同努力，纳米科技在基础前沿领域能实现更多原创性突破，更多应用成果开花结果、落地生根，服务国家、造福人民，为中国早日建成世界科技强国作出应有的贡献。

　　25年前，《 自然》在东京召开了一次会议，汇集了当时一个新兴研究领域的世界顶尖专家。该领域研究的是从原子尺度上了解和操纵物质1，他们称之为“纳米技术”。不过，不是所有人都喜欢这个名字。Don Eigler曾利用单独排放的氙原子在镍表面上拼出字母“IBM”，这成为该领域最具标志性的图像之一，但他对是否存在纳米技术表示了怀疑。 来自IBM的另一位代表Paul Horn则认为，尽管他们可使用的工具是“奇妙的科学工具”，但预计未来25年内这不会对主流电子技术产生任何影响。

　　1992年，全球只有屈指可数的几个实验室，主要是物理或化学实验室，在开展纳米尺度的物体研究——将其描述为纳米科学，或许要比纳米技术更合适。当时，并没有专门针对这个领域的期刊，而且勉强算起来也只有六家研究机构在其名称中使用了“纳米”这个前缀。如今，在科睿唯安（Clarivate Analytics）发布的2016年度《期刊引用报告》中，“纳米科学与纳米技术”分类下已有86本期刊。在数码科研（Digital Science）所维护的全球研究识别符数据库（Global Research Identifier Database）当前收录的研究机构中，已有192个研究机构明确在其名称中使用了纳米科学或纳米技术。

　　虽然我们掌握的技术还无法实现在原子尺度上建构事物，但是事实证明，该领域许多奠基人所主张的谨慎是过于悲观的。现在，计算机芯片常规制造尺寸仅有几十个纳米大小，IBM 最近宣布推出的商业化量产芯片，其晶体管大小仅为5纳米。许多电视机的发光元件采用了被称为量子点的纳米级荧光粒子。目前使用了纳米技术的产品还有涂料、防晒霜、药物、太阳镜、污染检测器和基因测序仪等，林林总总，不胜枚举。

　　中国早就意识到纳米科学对其科学、技术和经济发展的潜在贡献。2003年，中国科学院和教育部共同成立了国家纳米科学中心。其成功的关键在于中国最优秀研究机构的代表——清华大学、北京大学和中国科学院都参与其中。过去二十年，在国家纳米科学中心、中国科学院科研院所和国内一流大学等机构的共同推动下，中国已成为当今世界纳米科学与技术领域的领先国家。

　　在第三部分，我们将通过实际的数字来展现纳米科学这门学科的兴起，以及中国快速发展成为该学科领导者的情况。我们将聚焦于相关的论文产出，特别是对该领域有最大影响力的论文。借助自然科研最新开发的纳米科学研究平台Nano（），我们希望能提供一些定性的看法，展现中国在该领域的优势、不足和新兴的研究领域。我们还将评述中国相关领域的专利产出情况。

　　在第四部分，我们将呈现一些业内专家在访谈中所表达的对于中国纳米科学发展现状和未来发展方向的看法，以及研究机构、资助机构和决策者如何才能继续推动该领域的蓬勃发展。

　　纳米科学，简而言之，主要研究的是尺度在1到100个10亿分之1米，即1-100纳米之间的极小物体。在如此小的尺度上，材料的物理、化学和生物学特性跟宏观尺度的物体相比， 会大相径庭——通常有巨大的差异。比如，低强度或脆性合金会获得高强度、高延展性，化学活性低的化合物会变成强力催化剂，不能受激发光的半导体会变得能够发射强光。纳米尺度级的处理能够改变物质属性，这对大多数的科学、技术、工程和医学领域都具有实用意义。

　　纳米科学和技术作为一个独立的研究领域， 是最近才发展起来的。大家通常都老生常谈地引用费曼（Richard Feynman）去世后才出名的演讲作为该领域的开端 —— 即1959年他在加州理工学院的演讲“（微观）之下还有充足的空间（There’s plenty of room at the bottom）”。费曼在演讲中指出，如果可以控制单一原子，理论上可以在大头针的针头上写下整套大英百科全书的内容。但是这次演讲在随后几十年，仅有少数几次的引用。“纳米技术”这个术语直到1974年才出现，由谷口纪男在论文“关于‘纳米技术’的基本概念”里首次提出，他介绍了如何运用离子溅射在硬质表面蚀刻形成纳米结构。

　　不过，纳米材料的使用可追溯到几个世纪前，例如其在陶瓷釉和有色窗玻璃染色剂中的使用。领先费曼控制单一原子的设想大约一个世纪，英国物理学家、电磁学先驱法拉第（Michael Faraday）已阐述了光的波长相关散射（丁达尔现象），其研究对象是通过化学方法制备的金胶体悬浮液。他注意到金的胶体悬浮液颜色会随着金纳米颗粒的大小发生变化，并意识到极小黄金颗粒的存在。

　　意识到通过控制原子来改造世界的可能性是一回事，如何实现却完全是另一回事。从这个意义上说，开发用于观察和控制物质的工具一直在决定着纳米科学与技术发展的时间表。最先被开发出来的工具是1931年由Ernst Ruska 和Max Knoll发明的电子显微镜——尽管历经几十年的发展这些设备才达到原子级别的分辨率。但真正宣告纳米时代到来并进入公众视野的是1990年Don Eigler及其同事展示了在镍表面通过摆放单个氙原子能够拼写出‘IBM’三个字母， 当时他们使用 的是Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在九年前发明的扫描隧道显微镜。

　　同样在20世纪80和90年代，科研人员开始将光学仪器分辨率的极限推进到纳米领域。可见光的波长起点大约在400纳米，按照传统的理解， 可见光并不适用于观测与纳米技术相关的100纳米以下的结构。1928年，Edward Hutchinson Synge提出了‘近场’显微镜的构造，用以突破所谓的‘阿贝衍射极限’，即制约传统显微镜分辨约250纳米以下结构的限制。但直到1994年，Stefan Hell和Jan Wichmann才提出第一个可实施的方案，即超分辨率荧光显微镜（stimulated-emission-depletion，STED显微镜），实现远小于前述250纳米尺寸限制的分子尺度光学成像。

　　纳米尺度研究能力的提升起初让人们发现了许多天然形成的纳米结构。1981年，物理学家Alexei Ekimov和Alexander Efros在研究掺杂半导体的玻璃时，发现了内嵌的纳米级结晶体，后被称为半导体量子点。仅仅几年后，贝尔实 验室的Louis Brus展示了在溶液中合成这种颗粒的方法。

　　1985 年， 美国莱斯大学的Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl和Richard Smalley发现了富勒烯（C60）——这是一种完全由碳原子组成的、形如足球并且异常稳定的分子。这打破了碳只有石墨和金刚石两种同素异形体的传统认知，并开启了化学家的想象力，令他们开始思考合成比之前设想要大得多的一系列新型分子结构的可能性。1991 年，饭岛澄男报告合成了碳纳米管——一种具有特殊电子、热学、机械性能的材料，为这种管状纳米结构的广泛应用铺平了道路。

　　随后不久，Charles Kresge及其同事发明了可过滤分子的介孔纳米材料MCM-41和MCM-48，现已广泛应用于石油炼化、污水处理及药物输送。1990年代后半期，Charles Lieber, Lars Samuelsson和Kenji Hiruma领导的团队开发了合成晶状半导体纳米线的技术——为推动纳米技术进入光子学和光电学领域又迈出至关重要的一步。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov实现了单层石墨烯的分离，获得单原子厚度的二维碳原子结构，开启了通向不可限量的未来技术的大门。超轻、高柔性、高强度、高导电性等特点使得石墨烯被誉为一种新的神奇材料。

　　1990年代末和本世纪初，纳米技术更多地投入应用。1998年电子墨水的发明就是一例，这是一种类似纸张的显示技术， 墨水由极小的胶囊组成，现已广泛应用于Kindle等电子阅读器产品。另一个例子是1988年Albert Fert 和Peter Grünberg发现的巨磁阻效应，据此开发的磁性读出头大幅缩小了电脑硬盘的尺寸，并提高了存储容量。Ekimov, Efros, Brus（及其他众人）发现并开发的量子点也得到了广泛的实际应用，这包括平板电视背光源，以及用于细胞和组织内最小结构成像的染色剂。

　　纳米级材料的研究规模虽然比较小，但对我们生活方式的潜在影响却很大。全球各地的科学家和工程师们都在对这个微观世界展开新的探索，并将其科学发现转化为新的产品和技术，由此重塑了一系列的产业，主要是材料和制造业、电子和信息技术、能源与环境，以及医疗与健康产业。由于具有广泛的社会影响力，纳米技术的快速发展也随之带来伦理和安全问题，需要我们在享用纳米技术预期的成果之前加以解决。

　　纳米技术的优势主要体现在通过控制原子级或分子级的物质所创造的新材料上。由于具备理想的机械、化学、电学、热学或光学性能，这些新型纳米材料被应用于日常用品及工业制造之中。

　　威尔逊中心曾发起一个关于新兴的纳米技术的项目，根据其中的一份制造商清单估计2，市场上有 1600 多种基于纳米技术的消费产品。纳米材料在健康和健身产品中的应用最。