全球納米技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀概要.ppt

納米材料的發(fā)展歷程以及各國納米技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 Reporter QiangZhang Time 2010 06 21 Tutor SuChen 材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室StateKeyLaboratoryofMaterials OrientedChemicalEngineering NanjingUniversityofTechnology 納米技術(shù)概念的提出 40年前 諾貝爾物理獎(jiǎng)得主 量子物理學(xué)家費(fèi)曼所作的題為 底部還有很大空間 的演講 被公認(rèn)為是納米技術(shù)思想的來源 納米科技的基本思想是在分子水平上 通過操縱原子來控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 納米結(jié)構(gòu)材料首次合成1984年 德國薩爾大學(xué)的Gleiter教授等人首次采用惰性氣體冷凝法制備了具有清潔表面的納米金屬粉末 然后在真空室中原位加壓成納米固體 并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型 制備了具有清潔表面的納米晶體Pd Fe Cu等塊狀材料 隨后發(fā)現(xiàn)TiO2納米陶瓷在室溫下出現(xiàn)良好韌性 使人們看到了改善陶瓷脆性的希望 一 納米材料的研究和發(fā)展歷程 A1990年 美國加州的IBM研究室D M Eigler等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中 在Ni的表面上將35個(gè)氙原子排布成最小的IBM商標(biāo) 這張放大了的照片登在 時(shí)代 周刊上 被稱為當(dāng)年最了不起的公司廣告 轟動(dòng)全球 從此開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的納米世界 每個(gè)字母高5nm Xe原子間最短距離約為1nm 這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對(duì)準(zhǔn)選中的Xe原子 使針尖接近Xe原子 使原子間作用力達(dá)到讓Xe原子跟隨針尖移動(dòng)到指定位置而不脫離Ni的表面 用這種方法可以排列密集的Xe原子鏈 在掃描隧道顯微鏡下 科學(xué)家將48個(gè)鐵原子排列在銅表面上 形成一個(gè)圓形圍欄 1991年元旦前夕 日本日立電子公司向公眾展示了一個(gè)原子大小的新年祝詞 peace91 和平91 每個(gè)字母的高度均小于1 5納米 它是把硫原子一個(gè)一個(gè)地從二硫化鉬晶體上轟擊出來寫成的 美國商業(yè)機(jī)器公司的 IBM 是在 263 下拼出的 而日立公司的祝詞則是在室溫下完成的 該成就表明 納米技術(shù)從此步入了實(shí)用階段 1993年后 我國科學(xué)家先后操縱原子寫出 中國 原子 繪出中國輪廓圖 1994年 中國科學(xué)院化學(xué)所和中國科學(xué)院北京真空物理室利用STM在單晶硅表面上通過提走硅原子的方法 獲得了 線寬2nm 硅原子的 毛澤東 在石墨表面刻出線寬10nm的 中國 字符 漢字的大小只有幾個(gè)納米白春禮院士1988年4月12日 中國第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的STM研制成功 納米科技的發(fā)展大致可以劃分為3個(gè)階段 第一階段 1990年以前 主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體 合成塊體 包括薄膜 研究評(píng)估表征的方法 第二階段 1994年前 人們關(guān)注的熱點(diǎn)是根據(jù)奇特物理 化學(xué)和力學(xué)性能 設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料 納米微粒與納米微粒復(fù)合 0 0復(fù)合 納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合 0 3復(fù)合 復(fù)合納米薄膜 0 2復(fù)合 第三階段 從1994年到現(xiàn)在 納米組裝研究 它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲 管為基本單元在一維 二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究 小結(jié) 二 納米科技的應(yīng)用 光電材料環(huán)境和能源生物醫(yī)學(xué)航天和航空軍事 FROM www nanoforum org 納米碳管 碳納米管是直徑非常細(xì)的中空管狀納米材料 它能夠大量地吸附氫氣 成為許多個(gè) 納米鋼瓶 研究表明 約2 3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來 據(jù)預(yù)測(cè) 到2010年 就可以生產(chǎn)出氫氣汽車 只需攜帶1 5升左右的儲(chǔ)氫納米碳管 即可行駛500km 光電材料 集成電路 一塊用來制作大規(guī)模集成電路的芯片 上面有許多的溝槽 這張片能夠清晰的顯示出溝槽的深淺和走向 CPU SRAM靜態(tài)隨即存儲(chǔ)器 激光唱片 肉眼看激光唱片 CompactDisk CD 表面十分光滑 從微觀上看 光盤上面有凹凸不平的凹痕和突起 上圖 Millipede 第一個(gè)應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的納米技術(shù)下圖 Millipede存儲(chǔ)芯片的實(shí)驗(yàn)室原型 納米存儲(chǔ)器 英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來芯片設(shè)計(jì)芯片廠商英特爾正指望用碳納米管取代半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的銅連線 這種轉(zhuǎn)變總有一天會(huì)消除芯片廠商面臨的一些大問題 芯片連線已經(jīng)成為半導(dǎo)體廠商面臨的一個(gè)頭疼的問題 根據(jù)摩爾定律 芯片廠商每?jī)赡昃鸵s小一次半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的元件 然而 縮小連線會(huì)增加電阻 降低芯片的性能 芯片廠商在90年代從把連線從鋁線轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線從而繞過了這個(gè)問題 遺憾的是 隨著芯片尺寸的縮小 這個(gè)電阻問題將成為英特爾等芯片廠商遇到的大問題 碳納米管導(dǎo)電性比金屬要好 有可能成為替代金屬連線的解決方案 預(yù)計(jì)碳納米管是理想的導(dǎo)體 它的導(dǎo)電性很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銅 是最佳超微導(dǎo)線和超微開關(guān)的首選新材料 納米管最終可以用于納米級(jí)的電子線路 2008年2月1日亞利桑那州立大學(xué)DavidK Ferry提出利用納米線連接電路建立三維堆砌芯片的構(gòu)想 將大大提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度 利用納米磁學(xué)中顯著的巨磁電阻效應(yīng) giantmagnetoresistance 和很大的隧道磁電阻 tunnelingmagnetoresistance 現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍 1997年 明尼蘇達(dá)大學(xué)電子工程系納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室采用納米平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)的磁盤 長(zhǎng)度為40納米的Co棒按周期性排列成的量子棒陣列 由于納米磁性單元是彼此分離的 因而稱為量子磁盤 它利用磁納米線陣列的存儲(chǔ)特性 存貯密度可達(dá)400Gb in 2 碳納米管場(chǎng)發(fā)射顯示器 1999年韓國 2000年日本制成顯示器樣管 1 汽車尾氣 含鉛汽油中的鉛很容易通過血液長(zhǎng)期蓄積于人的肝 腎 脾 肺和大腦中 從而導(dǎo)致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果 汽車尾氣的處理 加入納米級(jí)的復(fù)合稀土氧化物后 對(duì)尾氣的凈化特別明顯 尾氣中的CO NOx幾乎完全轉(zhuǎn)化 在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用 2 拯救水資源 特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化 納米TiO2可以用來降解有機(jī)磷 降解毛紡染整廢水 降解石油 利用具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3 TiO2 ZnO等做成涂料 由于具有較高的導(dǎo)電特性 因而能起到靜電屏蔽作用 將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中 則可以有效地遮蔽紫外線 一般認(rèn)為 其體系中只需含納米二氧化鈦0 5 1 即可充分屏蔽紫外線 目前 日本等國已有部分納米二氧化鈦的化妝品問世 3 走進(jìn)你家里 納米TiO2 在光照條件下 會(huì)產(chǎn)生具有非常強(qiáng)的氧化能力的空穴 從而將附在表面上的有機(jī)物 細(xì)菌及其它灰塵分解掉 直至生成CO2和H2O 殺菌 除味 由于納米ZnO具有大的比表面積 可以很快地吸收并分解臭氣 同時(shí)還能有效地殺菌 對(duì)黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率高達(dá)95 以上 二個(gè)月不用洗 信不信由你 納米服裝 納米泵人造紅細(xì)胞 它比體內(nèi)血液中的紅細(xì)胞要多攜帶200多倍的氧氣 血液形態(tài)圖 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 納米藥包 諾貝爾獎(jiǎng)得主斯莫利的預(yù)言 美國麻省理工學(xué)院的研究人員正在研究一種只有20nm的藥物炸彈和包含了1000個(gè)納米藥包的微型芯片 在固定的DNA鏈上連接上殺癌的藥物膠囊 放到病人血液和組織內(nèi) 一遇上癌細(xì)胞的DNA時(shí) DNA鏈就與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合 這時(shí)藥物開關(guān)受觸發(fā)而開放 藥物便釋放出來 殺滅癌細(xì)胞 納米技術(shù)與基因療法的結(jié)合 瑞典科學(xué)家制作的微型醫(yī)用機(jī)器人 可移動(dòng)并撿起肉眼看不見的玻璃珠 用這種微型機(jī)器手將果蠅的染色體基因進(jìn)行信號(hào)移動(dòng) 培育出的果蠅多長(zhǎng)了一個(gè)胸脯和翅膀 甚至把果蠅的眼睛和翅膀挪位 果蠅 遺傳學(xué)和分子發(fā)育生物學(xué)的國王圖中左側(cè)為雌性 右側(cè)為雄性 成功利用納米SiO2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離 用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療 以減少副作用 科學(xué)家們?cè)O(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人 在血液中循環(huán) 對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè) 診斷 并實(shí)施特殊治療 疏通腦血管中的血栓 清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物 甚至可以用其吞噬病毒 殺死癌細(xì)胞 小型攝像機(jī) 用于檢測(cè)消化系統(tǒng)疾病 Molecular scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells Nature451 770 771 14February2008 納米機(jī)器人 納米機(jī)器人 的研制是根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計(jì)原型 設(shè)計(jì)制造可對(duì)納米空間進(jìn)行操作的 功能分子器件 第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體可注入人體血管內(nèi) 進(jìn)行健康檢查和疾病治療 還可進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作 作整容手術(shù) 從基因中除去有害的 把正常的 安裝在基因中 使機(jī)體正常運(yùn)行 第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置第三代納米機(jī)器人是包含納米計(jì)算機(jī) 可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的裝置 一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧?dòng)和生活方式 納米清潔工 科學(xué)家設(shè)想制造出負(fù)責(zé)清掃血管的納米機(jī)器人 清潔工 專門負(fù)責(zé)清掃血管壁上的膽固醇 凝血等沉積物 以預(yù)防腦血栓等心血管病 同時(shí)也可以制作出清掃體內(nèi)癌細(xì)胞的機(jī)器人 納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物 納米機(jī)器人小到可在人的血管中自由地游動(dòng) 對(duì)于腦血栓 動(dòng)脈硬化等病灶 可以很容易地予以清理而不用進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱 開胸手術(shù) 軍事方面的應(yīng)用 吸波 納米ZnO對(duì)雷達(dá)電磁波具有很強(qiáng)的吸收能力 所以可以做隱形飛機(jī)的重要涂料 防彈衣 因納米碳管既輕又強(qiáng)度極高 是鋼的10 100倍 用它來作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣 既可折來疊去 又能抵御強(qiáng)大的子彈的沖擊力 麻雀衛(wèi)星 蚊子導(dǎo)彈 蒼蠅飛機(jī) 螞蟻士兵 美欲五年裝備納米武器 麻雀衛(wèi)星 美國于1995年提出了納米衛(wèi)星的概念 這種衛(wèi)星比麻雀略大 重量不足10千克 各種部件全部用納米材料制造 采用最先進(jìn)的微機(jī)電一體化集成技術(shù)整合 具有可重組性和再生性 成本低 質(zhì)量好 可靠性強(qiáng) 一枚小型火箭一次就可以發(fā)射數(shù)百顆納米衛(wèi)星 若在太陽同步軌道上等間隔地布置648顆功能不同的納米衛(wèi)星 就可以保證在任何時(shí)刻對(duì)地球上任何一點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視 即使少數(shù)衛(wèi)星失靈 整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的工作也不會(huì)受影響 蚊子導(dǎo)彈 由于納米器件比半導(dǎo)體器件工作速度快得多 可以大大提高武器控制系統(tǒng)的信息傳輸 存儲(chǔ)和處理能力 可以制造出全新原理的智能化微型導(dǎo)航系統(tǒng) 使制導(dǎo)武器的隱蔽性 機(jī)動(dòng)性和生存能力發(fā)生質(zhì)的變化 利用納米技術(shù)制造的形如蚊子的微型導(dǎo)彈 可以起到神奇的戰(zhàn)斗效能 納米導(dǎo)彈直接受電波遙控 可以神不知鬼不覺地潛入目標(biāo)內(nèi)部 其威力足以炸毀敵方火炮 坦克 飛機(jī) 指揮部和彈藥庫 蒼蠅飛機(jī) 這是一種如同蒼蠅般大小的袖珍飛行器 可攜帶各種探測(cè)設(shè)備 具有信息處理 導(dǎo)航和通信能力 其主要功能是秘密部署到敵方信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的內(nèi)部或附近 監(jiān)視敵方情況 這些納米飛機(jī)可以懸停 飛行 敵方雷達(dá)根本發(fā)現(xiàn)不了它們 據(jù)說它還適應(yīng)全天候作戰(zhàn) 可以從數(shù)百千米外將其獲得的信息傳回己方導(dǎo)彈發(fā)射基地 直接引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo) 螞蟻士兵 這是一種通過聲波控制的微型機(jī)器人 這些機(jī)器人比螞蟻還要小 但具有驚人的破壞力 它們可以通過各種途徑鉆進(jìn)敵方武器裝備中 長(zhǎng)期潛伏下來 一旦啟用 這些 納米士兵 就會(huì)各顯神通 有的專門破壞敵方電子設(shè)備 使其短路 毀壞 有的充當(dāng)爆破手 五角大樓的一次電腦模擬的納米武器作戰(zhàn)演習(xí) 戰(zhàn)爭(zhēng) 發(fā)生在2010年 美國與敵方的飛機(jī) 坦克 大炮在戰(zhàn)場(chǎng)上頻繁調(diào)動(dòng) 就在雙方劍拔弩張之時(shí) 天空中出現(xiàn)了許多 蒼蠅 黃蜂 等 小昆蟲 地面上也擁出數(shù)以萬計(jì)的 螞蟻 這些 小動(dòng)物 有的在戰(zhàn)場(chǎng)上空盤旋 有的則直接進(jìn)入敵方的指揮機(jī)關(guān) 雷達(dá)站 彈藥庫等 突然間 隨著一聲巨響 敵方彈藥庫率先發(fā)生爆炸 緊接著 敵方指揮通信系統(tǒng)也莫名其妙地炸開了花 在前線待命的飛機(jī) 坦克和航母 因接不到指令 失去彈藥和能源補(bǔ)給 全都成了廢鐵 隨著納米技術(shù)的發(fā)展 人類也許能夠研制出各種 難以有效防御 的先進(jìn)武器 尖端的納米技術(shù)有可能成為 本世紀(jì)人類面臨的最大威脅之一 第一屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議1990年7月 在美國巴爾德摩召開了國際第一屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議 正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支 它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子 分子的中間領(lǐng)域 NanostructuredMaterials Nanobiology Nanotechnology1992年9月 在墨西哥CauCan城召開了第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議 張志焜和崔作林參加80年代以來 各國已投入大量人力 物力開展納米超微粒的研究 如美國 日本 三 各國納米技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1美國的納米科技 美國發(fā)展納米科技的歷史回顧 1991年 美國正式將納米技術(shù)列入 國家22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 和 2005年的戰(zhàn)略技術(shù) 1997年 美國國防部將納米技術(shù)提高到戰(zhàn)略研究領(lǐng)域的高度 1996 1998年 納米技術(shù)發(fā)展情況調(diào)查研究 2000年2月 國家納米技術(shù)計(jì)劃 NNI 微米科技 納米科技占中心地位 發(fā)揮革命的作用 美國總統(tǒng)科學(xué)顧問委員會(huì)由此認(rèn)為 納米技術(shù)是自二戰(zhàn)以來美國將要經(jīng)歷的第一場(chǎng)不具備絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的具有重要經(jīng)濟(jì)意義的科技革命 如果美國要在21世紀(jì)繼續(xù)保持其經(jīng)濟(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)地位和保證其國家安全 則需要在未來的10至20年中顯著地 穩(wěn)定地增加對(duì)納米科技研究開發(fā)的投入 2000年8月 美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)專門成立了 納米科學(xué) 工程與技術(shù)分會(huì) NSET 美國聯(lián)邦政府在推動(dòng)納米科技發(fā)展中的重要作用 我們的某些目標(biāo)可能需要花費(fèi)20年或者更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到 這也正是聯(lián)邦政府在其中處于重要角色的原因所在 美國前總統(tǒng)克林頓美國聯(lián)邦政府目前正努力在納米科技長(zhǎng)期和高風(fēng)險(xiǎn)投資中發(fā)揮作用 將政府對(duì)納米科技的投資重點(diǎn)放在刺激合作和支持基礎(chǔ)科學(xué)方面 幫助建立未來十年所需的納米技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施和研究支持 培養(yǎng)為未來納米產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的人才儲(chǔ)備 鼓勵(lì)跨學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)與合作 確保信息的傳播 鼓勵(lì)新興公司開發(fā)納米技術(shù) 納米科技研發(fā)投入策略 聯(lián)邦政府 國會(huì)高官 目前納米技術(shù)研發(fā)的投入應(yīng)以聯(lián)邦政府為主 并且在相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期內(nèi) 聯(lián)邦政府需要保持其投入的穩(wěn)定性 1999 2003年美國聯(lián)邦納米技術(shù)研究與開發(fā)經(jīng)費(fèi)分部門明細(xì)表單位 百萬美元 資料來源 SmallWonders EndlessFrontiers AReviewoftheNationalNanotechnologyInitiative 近五年美國納米科技發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù) 1 長(zhǎng)期 基礎(chǔ)性的納米科學(xué)和工程研究 這一發(fā)展主題旨在長(zhǎng)期扶持從事基礎(chǔ)性 創(chuàng)新性研究的單個(gè)研究人員和小型組織 并促進(jìn)大學(xué) 產(chǎn)業(yè)界 聯(lián)邦實(shí)驗(yàn)室和各機(jī)構(gòu)間的合作伙伴關(guān)系 2 重大挑戰(zhàn) 這一發(fā)展主題瞄準(zhǔn)了納米科技的應(yīng)用開發(fā) 美國確定了總計(jì)十二項(xiàng)重大的挑戰(zhàn) 這些挑戰(zhàn)將奠定美國納米科技發(fā)展的基礎(chǔ) 諸如 納米級(jí)微電子產(chǎn)品的低成本制造方法 更有效的能源儲(chǔ)存裝置 運(yùn)用于保健和生化恐怖威脅的生物傳感器等 3 優(yōu)秀的中心和網(wǎng)絡(luò) 這一發(fā)展主題是促進(jìn)研究的網(wǎng)絡(luò)化和共用學(xué)術(shù)界用戶設(shè)施 優(yōu)秀中心和網(wǎng)絡(luò)的建立被認(rèn)為是實(shí)施NNI計(jì)劃的關(guān)鍵 它們將有力促進(jìn)納米科技在不同學(xué)科間的融合 4 研究基礎(chǔ)設(shè)施 這一發(fā)展主題的目標(biāo)是建立一套能使新發(fā)明和新發(fā)現(xiàn)被產(chǎn)業(yè)界快速商業(yè)化的靈活 實(shí)用的基礎(chǔ)設(shè)施 投資重點(diǎn)主要在于度量衡 檢測(cè)儀器 建模和仿真以及用戶設(shè)施等方面 將建立擁有新的測(cè)試設(shè)備的研究中心 并保證各研究機(jī)構(gòu)都可以利用這些測(cè)試設(shè)備 5 道德 法律 社會(huì)影響及勞動(dòng)力教育和培訓(xùn) 這一發(fā)展主題主要在于培養(yǎng)納米技術(shù)所需的新一代跨學(xué)科技術(shù)人才 同時(shí)對(duì)納米技術(shù)在法律 道德 社會(huì) 經(jīng)濟(jì)和勞動(dòng)力準(zhǔn)備等方面對(duì)社會(huì)所產(chǎn)生的影響加以研究 美國聯(lián)邦政府在納米科技五個(gè)重要戰(zhàn)略布局中的經(jīng)費(fèi)投入 單位 百萬美元 資料來源 NationalNanotechnologyInitiative TheInitiativeandItsImplementationPlan 和 SmallWonders EndlessFrontiers AReviewoftheNationalNanotechnologyInitiative 兩個(gè)報(bào)告中相關(guān)數(shù)據(jù)匯總 美國納米科技研究與開發(fā)重點(diǎn) 納米科技的一個(gè)最顯著的特點(diǎn)是它的跨學(xué)科特性 它涉及到化學(xué) 物理 生物學(xué) 分子生物學(xué) 工程和材料科學(xué)等眾多學(xué)科 不過 在今年6月份發(fā)布的 SmallWonders EndlessFrontiers AReviewoftheNationalNanotechnologyInitiative 報(bào)告中 特別指出 納米研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域是考慮到納米科學(xué)發(fā)展的需要 而不僅僅嚴(yán)格局限于納米范圍 因?yàn)楹苊黠@ 微技術(shù)對(duì)于納米科學(xué)的發(fā)展是非常重要的 在基礎(chǔ)研究方面 目前美國正在進(jìn)行的研究重點(diǎn)領(lǐng)域包括 1 納米生物系統(tǒng) 2 納米結(jié)構(gòu)與量子控制 3 納米元器件與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4 納米過程與環(huán)境 5 多現(xiàn)象模型與模擬 在應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)方面 目前美國正在進(jìn)行的研究重點(diǎn)領(lǐng)域包括 1 納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì) 2 納米電子 光電子與磁性材料 3 用于保健 治療和診斷的納米技術(shù)和裝置 4 納米過程與環(huán)境改良 5 高效能源轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存 6 微型航天飛機(jī)與太空探測(cè) 7 用于監(jiān)測(cè)傳染性疾病和生物威脅的生物傳感器裝置 8 納米技術(shù)與經(jīng)濟(jì) 安全的交通 9 納米技術(shù)與國家安全 美國納米技術(shù)應(yīng)用研究的四大熱點(diǎn) 美國納米技術(shù)的應(yīng)用研究目前正在半導(dǎo)體芯片 癌癥診斷 光學(xué)新材料和生物分子追蹤等四大熱點(diǎn)領(lǐng)域快速發(fā)展 其中在芯片和癌癥診斷領(lǐng)域的應(yīng)用可望在 年內(nèi)出現(xiàn)劃時(shí)代的突破 2 日本納米科技發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 2 1日本納米科技發(fā)展回顧2 2日本政府在推動(dòng)納米科技發(fā)展中的重要作用2 3日本企業(yè)界在納米科技方面的作為2 4日本未來納米科技的發(fā)展動(dòng)向 2 1日本納米科技發(fā)展回顧 1981年 日本科學(xué)技術(shù)廳 現(xiàn)改為文部科學(xué)省 就推出了 先進(jìn)技術(shù)的探索研究計(jì)劃 ExploratoryResearchforAdvancedTechnology ERATO 每年啟動(dòng)4個(gè)ERATO基礎(chǔ)研究項(xiàng)目 每個(gè)項(xiàng)目實(shí)施5年 研究?jī)?nèi)容絕大部分是納米技術(shù)的前沿課題 如納米電子學(xué) 納米材料學(xué) 納米分子學(xué) 納米加工和納米結(jié)構(gòu)等研究領(lǐng)域的課題 1991年開始 日本通產(chǎn)省 2001 1 6更名為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省 先后實(shí)施了數(shù)個(gè)有關(guān)納米技術(shù)的大型10年研究計(jì)劃 原子技術(shù)研究計(jì)劃 1991 2001 1 85億美元 量子功能器件研究計(jì)劃 1991 2001 4千萬美元 原子分子極限操縱研究計(jì)劃 1992 2002 250億日元 1992年 國家先進(jìn)跨學(xué)科研究所 NAIR 和日本及美國的20余家大型企業(yè)聯(lián)合成立 原子技術(shù)聯(lián)合研究中心 JRCAT 2001年實(shí)施了 材料納米技術(shù)7年計(jì)劃 2002年建立國家級(jí)納米技術(shù)研究所 10個(gè)納米技術(shù)研究中心 2 2日本政府在推動(dòng)納米科技發(fā)展中的重要作用 1 制定計(jì)劃 1 由于日本納米技術(shù)研究起步早 目前在許多方面處于世界領(lǐng)先的地位 2 日本政府在新的 科技基本計(jì)劃 中把納米技術(shù)作為今后5年科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一 3 2001年實(shí)施了 材料納米技術(shù)7年計(jì)劃 4 實(shí)施 納米技術(shù)綜合支援計(jì)劃 該計(jì)劃旨在最大限度地發(fā)揮各科研機(jī)構(gòu)的潛在能力 主要內(nèi)容是 搜集和提供信息 促進(jìn)交流 組織聯(lián)合攻關(guān) 建設(shè)特殊研究設(shè)施等措施 向有關(guān)科研機(jī)構(gòu)提供各種支援活動(dòng) 推動(dòng)納米技術(shù)研發(fā) 2 成立組織2002年建立了國家級(jí)納米技術(shù)研究所 并建立了10個(gè)納米技術(shù)研究中心 3 投入巨資 2001年度日本政府納米投資領(lǐng)域分布單位 10億日元 資料來源 日本科學(xué)技術(shù)政策委員會(huì) CSTP 2 3日本企業(yè)界在納米科技方面的作為 日本企業(yè)界是發(fā)展納米技術(shù)的主力軍 80家大企業(yè)中 有大約40 設(shè)置了專門機(jī)構(gòu) 已經(jīng)或者即將著手發(fā)展納米科技 1 集中科研力量加強(qiáng)納米技術(shù)開發(fā) 日立集團(tuán)設(shè)立了 納米技術(shù)管理推進(jìn)中心 由日立制作所 日立化成 日立金屬 日立電線 日立超LSI系統(tǒng)組成 集中各家技術(shù)優(yōu)勢(shì) 共同攻克各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域相關(guān)的納米技術(shù)難關(guān) 東麗公司投資50億日元建立專門的納米技術(shù)研究所 2 建立專門從事納米技術(shù)研究或?qū)ｉT生產(chǎn)納米材料的分廠 分公司 三菱集團(tuán)建立了專門批量生產(chǎn)巴基球的分廠 富士通公司設(shè)立了納米技術(shù)研究中心 3 企業(yè)開始和大學(xué) 科研院所廣泛合作研究開發(fā)納米技術(shù) 日本昭和電工公司 產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 富士通公司 德國慕尼黑工科大學(xué)等4家科研機(jī)構(gòu) 松下電器產(chǎn)業(yè) 武田藥品工業(yè) 京都大學(xué) 大阪大學(xué) 三菱化學(xué)公司也與京都大學(xué)等 2 4日本未來納米科技的發(fā)展動(dòng)向 日本政府負(fù)責(zé)制定科技政策的綜合科學(xué)技術(shù)會(huì)議在2001年召開的 推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域戰(zhàn)略專家調(diào)查會(huì) 上 確定了未來日本納米技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向 1 確定的納米技術(shù)重點(diǎn)領(lǐng)域 應(yīng)用納米技術(shù)制成的信息通信元件 具有環(huán)境適應(yīng)性的高增值材料和微量影響環(huán)境因素的管理技術(shù) 對(duì)體內(nèi)病灶進(jìn)行診斷和治療的微小系統(tǒng) 仿生材料 觀察各種生物現(xiàn)象及應(yīng)用生物機(jī)制的納米生物技術(shù) 納米級(jí)的測(cè)量 評(píng)估及加工等基礎(chǔ)技術(shù) 具有新的物理性能的材料 2 引進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制 促進(jìn)不同學(xué)科的相互融合和人員交流 加速科研成果產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程 加強(qiáng)政府 大學(xué)和企業(yè)之間的聯(lián)合攻關(guān) 培養(yǎng)和確保人才 3 我國的納米科技發(fā)展現(xiàn)狀 天安門廣場(chǎng)飄揚(yáng)的納米國旗 2002 10 1 京工紅旗廠中商納米公司成本增加20 3 1國內(nèi)納米科技發(fā)展進(jìn)展3 2存在問題 國家納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地于2000年12月6日正式批準(zhǔn)成立 坐落在天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū) 占地2平方公里 3 1國內(nèi)納米科技發(fā)展進(jìn)展3 1 12010年納米科技發(fā)展的 三大目標(biāo) 中國科學(xué)技術(shù)部2003 8 26組織召開國家納米科技工作會(huì)議 并具體提出2010年中國納米科技發(fā)展的三大目標(biāo) 1納米科學(xué)前沿領(lǐng)域 要以納米電子學(xué) 納米尺度的加工及組裝技術(shù) 納米生物和醫(yī)學(xué) 納米材料學(xué)等前沿理論和方法為重點(diǎn) 建立 完善國際先進(jìn)的國家納米科技發(fā)展公用平臺(tái)和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng) 加強(qiáng)納米科技信息網(wǎng)絡(luò)和科研開發(fā)網(wǎng)絡(luò)建設(shè) 構(gòu)筑國家納米科技創(chuàng)新體系 2納米技術(shù)開發(fā)及其應(yīng)用方面 要在納米材料的制備 納米器件制造工藝及裝備 微型計(jì)算機(jī)和信息系統(tǒng) 環(huán)境和能源 醫(yī)療與衛(wèi)生 生物和農(nóng)業(yè) 航天和航空以及國防建設(shè)領(lǐng)域 攻克一批重大關(guān)鍵技術(shù) 取得一批對(duì)未來產(chǎn)業(yè)有重大影響的知識(shí)產(chǎn)權(quán) 為納米科技成果的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化奠定技術(shù)基礎(chǔ) 3形成納米科技骨干隊(duì)伍方面 吸引多學(xué)科專家參與納米科技的研究與開發(fā) 培養(yǎng)和引進(jìn)懂科技 懂經(jīng)營 懂管理的復(fù)合型人才 為納米科技的產(chǎn)業(yè)化提供力量 3 1 2發(fā)展現(xiàn)狀 政府重視我國已經(jīng)將發(fā)展納米技術(shù)載入十五屆五中全會(huì)的報(bào)告列入十五規(guī)劃列入 863 973 計(jì)劃 科研投入我國對(duì)納米科技的資金投入雖呈逐年上升的趨勢(shì) 但因基數(shù)太小 根本不能和美 日 歐盟等技術(shù)大國相比 主要研發(fā)力量我國納米技術(shù)研發(fā)力量表面相對(duì)集中 實(shí)際上仍很分散 難以形成規(guī)模優(yōu)勢(shì) 研發(fā)力量主要集中在高等院校和科研院所 企業(yè)介入納米技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域占5 力量薄弱且層次不高 80 的研發(fā)力量集中于金屬和無機(jī)物非金屬納米材料 高分子和化學(xué)合成材料等方面 但在較低層次的納米材料領(lǐng)域 就集中了一半以上的研發(fā)力量 在納米核心技術(shù) 納米電子 納米機(jī)械 納米生物 醫(yī)藥 納米檢測(cè)等重要領(lǐng)域 力量薄弱 科研成果盡管我國對(duì)納米技術(shù)研究投入嚴(yán)重不足 但在過去10年中我國科學(xué)家還是取得了非凡的成績(jī) 在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上共發(fā)表有關(guān)納米材料和納米結(jié)構(gòu)的論文2400篇 其中多篇發(fā)表在 自然 和 科學(xué) 等世界頂級(jí)學(xué)術(shù)雜志上 技術(shù)人才國內(nèi)有50多所高等學(xué)校 科研院所 名納米科研人員 產(chǎn)業(yè)化狀況據(jù)調(diào)查 全國共有納米企業(yè)323家 其中以 納米 注冊(cè)的企業(yè)共57家 但大多數(shù)企業(yè)尚處初創(chuàng)期 技術(shù)尚不成熟 處在微利或虧損的狀態(tài) 3 1 3存在問題 空有計(jì)劃虛有組織雖然有關(guān)部門制定了我國納米技術(shù)發(fā)展的十年規(guī)劃 并成立了國家納米技術(shù)指導(dǎo)小組 但因種種原因使我國納米技術(shù)發(fā)展幾乎空有計(jì)劃 虛有組織 發(fā)揮不了應(yīng)有的強(qiáng)大作用 科研投入嚴(yán)重不足 迄今為止 尚無有關(guān)納米技術(shù)的國家預(yù)算規(guī)劃出臺(tái) 項(xiàng)目重復(fù)投資由于我國傳統(tǒng)的科研體制和社會(huì)分工的不合理 造成在科研經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足的情況下 有相當(dāng)一部分科研項(xiàng)目屬于重復(fù)投資 例如納米隱身涂料 需求的領(lǐng)域?qū)I(yè)性很強(qiáng) 但全國就有40多家科研單位在搞 根本原因在于 傳統(tǒng)科研體制的條塊分割 后計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的弊端 信息不對(duì)稱 尚未形成跨學(xué)科 跨領(lǐng)域的聯(lián)合研發(fā)體制傳統(tǒng)的科研體制和教育體制決定了科研工作往往表現(xiàn)為各自為戰(zhàn) 單打獨(dú)斗 不能形成科研領(lǐng)域的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合 而納米技術(shù)的跨學(xué)科 跨領(lǐng)域等特點(diǎn)恰恰要求建立聯(lián)合研發(fā)體制 這嚴(yán)重制約了納米技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 沒有納米技術(shù)權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)造成市場(chǎng)上狂炒 納米 熱的主要原因 就是國家沒有建立一個(gè)權(quán)威的納米技術(shù)及材料的檢測(cè)機(jī)構(gòu) 不能對(duì)納米技術(shù)及其產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè) 鑒別 客觀真實(shí)地評(píng)價(jià)納米技術(shù)對(duì)新產(chǎn)品 新材料所帶來的性能等方面根本性的提升和改變 缺乏專業(yè)人才盡管我國有4500多人的納米技術(shù)研究隊(duì)伍 但以傳統(tǒng)分門別類的教育體制培養(yǎng)的 專業(yè)人才 不適合也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)納米技術(shù)發(fā)展需要 據(jù)初步測(cè)算 為推動(dòng)我國納米技術(shù)的發(fā)展 近期就至少需要1萬名復(fù)合型的納米科研人員 而目前我國從事納米技術(shù)研究的科研人員大都是從其它領(lǐng)域轉(zhuǎn)到或延伸到納米領(lǐng)域的 在知識(shí)結(jié)構(gòu)和知識(shí)面上存在著一定缺陷 人才缺口非常明顯 但每年還有大量的人才流失 原創(chuàng)性成果少文章數(shù)量多 高檔次少 專利少 已經(jīng)轉(zhuǎn)化的技術(shù)中 還有很多是不成熟的 這不僅造成了企業(yè)的損失 而且也給納米技術(shù)的發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響 我國與世界各技術(shù)大國在納米技術(shù)上的差距不僅僅在技術(shù)本身 更重要的是機(jī)制和體制上以及政府部門的支持力度上 因此 政府有必要支持建立一個(gè)強(qiáng)大的 跨學(xué)科的 開放的 流動(dòng)的 市場(chǎng)化的 綜合的研發(fā)平臺(tái) 推動(dòng)研發(fā)工作在聯(lián)合中競(jìng)爭(zhēng) 在競(jìng)爭(zhēng)中聯(lián)合 并以此作為研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)之間的紐帶 4 別的國家的納米科技 4 1英國1 成立組織為促進(jìn)大學(xué) 產(chǎn)業(yè)界和國家納米技術(shù)發(fā)展 英國政府早在1997年就建立了 英國納米技術(shù)研究院 主要負(fù)責(zé) 組織國內(nèi)各研發(fā)機(jī)構(gòu)共同從事納米技術(shù)研發(fā) 提供教育及培訓(xùn) 為企業(yè)提供可供產(chǎn)業(yè)化的納米技術(shù) 組織英國與其他國家的在納米技術(shù)領(lǐng)域的聯(lián)合攻關(guān) 最近英國與韓國共同簽署了在納米技術(shù)方面的合作協(xié)議 該協(xié)議涉及八個(gè)方面 組織了英國和韓國的多家大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)共同完成 2 制定計(jì)劃英國1998年創(chuàng)立納米技術(shù)聯(lián)系計(jì)劃 LINK 3 投入巨資除了LINK計(jì)劃每年的資助外 政府投入逐年增加 億美元 4 2德國 1 德國科學(xué)技術(shù)部曾經(jīng)對(duì)納米技術(shù)未來市場(chǎng)潛力作過預(yù)測(cè) 他們認(rèn)為到2010年 并預(yù)測(cè)市場(chǎng)的突破口在信息 通訊 環(huán)境和醫(yī)藥等領(lǐng)域 2 制定計(jì)劃德國納米技術(shù)的開發(fā)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展一直得到德國政府的大力資助 1991年 2000年實(shí)施BMBF計(jì)劃 從事微納系統(tǒng)的研發(fā) 3 成立組織 德國在全國范圍內(nèi)建立了六大納米研究中心 形成全國納米科技研究協(xié)作網(wǎng) 建立這些中心的目的是使德國的納米技術(shù)迅速處于國際領(lǐng)先水平 同時(shí)使德國納米技術(shù)盡快被工業(yè)界所利用 這些研究中心的成立 一方面可以向社會(huì)開放 另一方面 除了協(xié)調(diào)研究與開發(fā)以外 研究中心本身還承擔(dān)著各種納米研究項(xiàng)目 同時(shí) 中心也培養(yǎng)納米技術(shù)方面人才 創(chuàng)造一個(gè)具有濃郁產(chǎn)業(yè)化開發(fā)氛圍的環(huán)境 此外還向企業(yè)界提供咨詢服務(wù) 4 投入巨資5 加快行動(dòng)盡管如此 德國認(rèn)為自己的科技成果轉(zhuǎn)化能力與美 日存在著差距 為此 德國將重心放在了產(chǎn) 學(xué) 研聯(lián)合攻關(guān) 發(fā)展具有市場(chǎng)潛力的納米技術(shù) 加速推進(jìn)納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 6 領(lǐng)先的技術(shù)由于聯(lián)合了大學(xué)和工業(yè)界的力量 德國已在納米分析和測(cè)量技術(shù)方面占有十分重要的地位 在超薄膜的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平 在解決納米材料的分散方面居于領(lǐng)先地位 德國納米技術(shù)研發(fā)投入 億美元 4 3歐盟 1 制定了計(jì)劃1999年以來 歐盟國家都大大加強(qiáng)了對(duì)納米技術(shù)領(lǐng)域的爭(zhēng)奪 制定了一系列跨世紀(jì)的新計(jì)劃 微電子先進(jìn)研究計(jì)劃 支持納米集成電路的研究 納米技術(shù)信息設(shè)備計(jì)劃 開發(fā)納米級(jí)設(shè)備的信息處理系統(tǒng) 器件及生產(chǎn)技術(shù)和工具 2 投入了巨資2002年開始的五年計(jì)劃中 歐盟為了追趕美國和日本 加大了對(duì)納米技術(shù)的經(jīng)費(fèi)投入 達(dá)到11 55億美元 歐盟共同為納米技術(shù)研究提供資金 并呈逐年增長(zhǎng)的勢(shì)頭 從總體來看 歐盟委員會(huì)對(duì)納米技術(shù)的投入占?xì)W洲公共資助的15 歐盟國家主要依靠歐盟委員會(huì)的財(cái)政支持 盡管如此 美 日 歐等技術(shù)大國都明顯感受到了來自對(duì)方的競(jìng)爭(zhēng)壓力 都力爭(zhēng)在納米技術(shù)所涉及到的科技領(lǐng)域盡可能的獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷 日本和西歐1997年在這個(gè)領(lǐng)域的支出就超過了美國 而日本 德國 歐盟都在具體的納米技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)造了各自優(yōu)勢(shì) 可以說 美 日 德 歐盟在納米技術(shù)的研究方面已經(jīng)形成了爭(zhēng)鋒的局面 特別值得注意的是 近年來在韓國 新加坡 中國臺(tái)灣等國家和地區(qū)政府也對(duì)納米技術(shù)迅速加大了投資力度 近年來在韓國 新加坡 中國臺(tái)灣等國家和地區(qū)政府也對(duì)納米技術(shù)迅速加大了投資力度 1該數(shù)字為聯(lián)邦政府對(duì)國家級(jí)研究所和大學(xué)等專業(yè)單位的投入 受限于預(yù)算制度 美國沒有長(zhǎng)期預(yù)算計(jì)劃 國際納米科技發(fā)展態(tài)勢(shì)和特點(diǎn)2002 2006一 各國競(jìng)相出臺(tái)納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃 一 發(fā)達(dá)國家和地區(qū)雄心勃勃為了搶占納米科技的先機(jī) 美國早在2000年就率先制定了國家級(jí)的納米技術(shù)計(jì)劃 其宗旨是開展納米尺度的科學(xué) 工程和技術(shù)開發(fā)工作 2003年11月 通過了 21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案 標(biāo)志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計(jì)劃 從基礎(chǔ)研究 應(yīng)用研究到研究中心 基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開 三 發(fā)展中大國奮力趕超中國政府在2001年7月就發(fā)布了 國家納米科技發(fā)展綱要 并先后建立了國家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì) 國家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專門委員會(huì) 南非科技部正在制定一項(xiàng)國家納米技術(shù)戰(zhàn)略 在2005年度執(zhí)行 印度政府也通過加大對(duì)從事材料科學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目的支持力度 加強(qiáng)材料科學(xué)中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開發(fā) 二 世界各國納米科技發(fā)展各有千秋 一 在納米科技論文方面日 德 中三國不相上下2000 2002年納米研究論文 美國以較大的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于其他國家 3年累計(jì)論文數(shù)超過10000篇 幾乎占全部論文產(chǎn)出的30 日本 12 76 德國 11 28 中國 10 64 和法國 7 89 列在其后 它們各自的論文總數(shù)都超過了3000篇 在上述5國之后 英國 俄羅斯 意大利 韓國 西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多 各國三年累計(jì)論文總數(shù)都超過了1000篇 二 申請(qǐng)納米技術(shù)發(fā)明專利方面美國獨(dú)占鰲頭美國專利商標(biāo)局2000 2002年共受理2236項(xiàng)關(guān)于納米技術(shù)的專利 其中最多的國家是美國 1454項(xiàng) 日本 368項(xiàng) 和德國 118項(xiàng) 60 16 46 和5 28 列在第二位和第三位 英國 韓國 加拿大 法國和中國臺(tái)灣的專利數(shù)也較多 所占比例都超過了1 專利反映了研究成果實(shí)用化的能力 在論文數(shù)最多的20個(gè)國家和地區(qū)中 專利數(shù)所占比例超過論文數(shù)所占比例的國家和地區(qū)只有美國 日本和中國臺(tái)灣 這說明 很多國家和地區(qū)在納米技術(shù)研究上具備一定的實(shí)力 但比較側(cè)重于基礎(chǔ)研究 而實(shí)用化能力較弱 三 就整