（复旦大学）

　　2000年1月21日，美国总统克林顿宣布了国家纳米技术倡议（National Nanotechnology Initiative，NNI），并在2001年财政年度增加科技支出26亿美元，其中5亿给NNI。那么，纳米技术是什么？为何克林顿要把它作为单项专列的特别重大的项目？

　　什么是纳米技术

　　纳米（nanometer，nm）悬长度单位，原称“毫微米”，就是10^一9米（10亿分之一米）。纳米科学与技：术，有时简称为纳米技术（nanotechnology），是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

　　从具体的物质说来，人们往往用“细如发丝"来：形容纤细的东西，其实人的头发一般直径为20～50微米，并不细。单个细菌用肉眼看不出来，用显微镜测出直径约为5微米，也不算细。简而言之，最小的物质单位是原子。氢原子的直径为0.1纳米，一般金属原子为0.3～0.4纳米。1纳米大体上相当于4个原子的直径。每边2.5纳米的立方块可容纳1000个原子。目前最小的集成电路，每边为0.25微米；如为1个原子那么厚，就包含100万个原子。蛋白质的尺寸则为1～20纳米。

　　因此，纳米科学与技术的研究实际上就是同一小堆原子（称为“团簇”）、甚至于同单独的原子或分子打交道。

　　纳米技术包含下列四个主要方面：

　　第一方面是纳米材料（或称超微粒子，定义尺度为<100纳米），包括制备和表征。在纳米尺度下，物质中电子的波性（量子力学性质）和原子的相互作用将受到尺度大小的影响。如能得到纳米尺度的结构，就可能控制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至颜色，而不改变物质的化学成份。用超微粒子烧成的陶瓷硬度可以更高，但不脆裂；无机的超微粒子灰分在加入橡胶后，将粘在聚合物分子的端点上，所做成的轮胎将大大减少磨损和延长寿命。

　　第二方面是纳米动力学（nanodynamics），主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机被系统（MEMS），用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等。MEMS用的是一种类似于集成电路设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。

　　第三方面是纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米级粒度的胶体金固定DNA的粒子，在二：氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使之构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水：但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。

　　第四方面是纳米电子学（nanoelectromics），包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。“更小”是指器件和电路的尺寸更小，对集成电路来说集成度更高。“更快”是指响应速度要快。“更冷”是指单个器件的功耗要小。但是“更小”并非没有限度。以硅集成电路而言，国际上目前已经做出最小线宽为0.13微米（130纳米），如将来线度小于0.1微米（100纳米），则量子效应就要显现出来，常用的电路设计方法就不能够适应，常用技术也可能会很快达到它们的极限，因此需要急剧的更新。这就形成了一个新的领域，被称为“纳米电子器件”。

　　所有的纳米电子器件都将具有更小、更快、更冷的特点。可能的早期突破是在超高密度的存贮器、超灵敏传感器、医疗诊断用元件、高速数码信息的输入/输出（I/O）、逻辑电路、开关器件等方面，以及平板显示器用的微小电子源阵列。中期目标则为10¹²位存贮器及10¹²次/秒的运算器、共振隧道器件（10¹¹赫，1瓦），以及实时语音识别系统、自主决策系统、虚拟实感训练系统等。

　　二十一世纪的新领域

　　目前很多专家认为，下列各个领域将因纳米技术的发展而得益：

　　电子和通讯用纳米薄层和纳米记录点的全媒体（all-media）存贮器；平板显示器；全频道通讯工程和计算机用的器件（美国军方提出的初期指标是：在室温下，比现有的器件运算速度大10～100倍，信息存贮密度大5～100倍，能耗小50倍。将来则要求存贮密度和运算速度都要比现在大3～6个数量级，且廉价而节能）。

　　纳米医疗（nanodoc）新的纳米结构药物；基因和药物的传送系统（可到达身体的指定部位）；有生物相容性的器官和血液代用品；家用早期病情自诊系统；生物传感器；骨头和组织的自生长材料。

　　化学和材料催化剂（提高化工厂燃烧效率，减少汽车的污染）；超硬但不脆裂的钻头及切削工具；用于真空封接和润滑的智能磁性液体；化学/生物载体的探测器和解毒剂。

　　能源新型电池；使用人工光合作用的清洁能源；量子阱式太阳能电池；氢燃料的安全贮存。

　　制造工业微细加工（基于新的显微镜和测量仪器）；新的操纵原子的工具和方法；渗有纳米粒子的块状材料；使用纳米粒子的化学/机械磨削。

　　飞机和汽车由纳米粒子加强的轻质材料；由纳米粒子加强的轮胎（耐磨且可直接再生）；无须洗涤的外壳油漆；廉价的不燃塑料；有自修补功能的涂层和纤维。

　　航天轻型航天器；经济的能量发生器和控制器；微型机器人。

　　环境保护工业废污处理；廉价的海水除盐膜；确定环境中纳米粒子的效应；从原子或分子做起的（bottom-up）由小变大的工艺（与现有从大块材料开始的制造工艺不同，无切削、无化学处理，可减少材料消耗和环境污染）。

　　正是因为受益面如此之广，1998年4月美国总统科技顾问N·莱恩（Neal Lane）说：“如果我被问及明日似乎最能产生突破的一个科技领域，我将指出这是纳米科学与技术。”然后美国国家科学基金会（NSF）在1999年1月发表一个声明，指出：“当我们进入21世纪的时候，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”

　　除了政府部门以外，一些关心纳米技术的诺贝尔奖获得者也纷纷发表意见。哥伦比亚大学诺贝尔物理奖获得者H·斯托默（Horst Stormer）说：“纳米技术给了我们工具来玩弄自然界的极端一原子和分子。万物都由它而制成……创造新事物的可能性看来是无穷无尽的。”康奈尔大学的诺贝尔化学奖获得者R·霍夫曼（Roald Hoffman）说：“纳米技术是一种天才的方法，能对各种大小、性质十分错综复杂的结构进行控制。这是未来的方法，精确，而且对环境保护十分有利。”赖斯大学诺贝尔物理奖获得者R·斯莫利（Richard Smalley）则总结性地讲了一句：“纳米技术是建设者的最后边疆。”

　　其实早在40多年前，1959年12月29日，诺贝尔物理奖获得者R·费曼（Richard Feynman）就在一篇名叫《底层有很多余地》（There’s Plenty of Room at the Bottom）的演讲中说：

　　“当我们能够一个接一个地按照我们的要求安排原子时，将会发生些什么呢？……对大规模的物质而言，小规模原子的行为无足轻重，但它们都服从量子力学的定律。因此当我们下到微观世界把原子胡乱拨弄一通时，我们将在不同的规律下工作，而且可以期望做出不同的事情。我们能用不同的方法来制造。我们可以不仅用电路，也可用其他的某些系统，包括量子化的能级和量子化自旋的相互作用等等。在原子水平上我们有新的力和新的可能性。材料的制造和生产问题将十分不同。”

　　然而我们还要清醒地看到：虽然在纳米技术方面已经取得若干有益的成果，但这些工作严格说来尚属初步的探索。主要的困难在于单原子（或少量原子）时物理状态还不清楚；换句话说，在尺寸小到纳米级甚至原子尺度的时候，很多宏观或微观物理的定律不适用。比如在电学方面欧姆定律就不适用；我们常用的能带、逸出功等描述原子集体行为的概念也不适用。因此就要出现新的物理学。

　　我个人认为：目前首先要着重研究单原子现象。从物理来说，量子效应的定量知识是首要的，必须有深入的理论和实验研究。从化学来说，由于晶面上不同原子位置可以给出不同的化学反应，因此需要了解原子分辨级的反应分布（reaction distribution）。从电子学来说，要实现器件的可靠性，首先必须了解硅表面上单个原子（硅或其他元素）或单个有机分子的电子结构和其他物理化学性质。总之，在探索纳米科学和技术方面的工作是很艰巨的。但这种努力是值得的。这也就是二十一世纪的任务。

　　纳米技术的国际竞争

　　纳米技术已经受到国际上的重视。已经发现很多新的现象都在1～100纳米的范围内发生，在此尺度下有很多新的技术进展。1991年以后，美国正式把纳米技术列入“国家关键技术”的第8项和“2005年的战略技术”。报告指出：“微米级和纳米级制造涉及显微量级（微米）和原子量级（纳米）的材料及器件的制造和使用，对先进的纳米级技术的研究可能导致纳米机械装置和传感器的产生。……纳米技术的发展，可能使许多领域产生突破性进展”。日本也早在八十年代初就以巨资投入纳米技术研究，从1991年起实施一项为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划。日本制订的关于先进技术开发研究规划中有12个项目与纳米技术有关。德国在1993年提出了今后10年重点发展的9个关键技术领域，纳米技术就涉及其中4个领域。英国也制订了纳米技术研究计划，在机械、光学、电子学等领域遴选了8个项目进行研究。1999年美国对各国纳米技术的现况进行调查后发表的报告中，认为当前美国在合成、化学品和生物方面占优，而在纳米器件、纳米仪器的生产，超精密工程、陶瓷和其他结构材料方面落后于其他国家。日本则在纳米器件和汇合的纳米结构方面占优。欧洲在纳米分散剂、涂层和新型仪器方面占优。美国还发现日本、德国、英国、瑞典、瑞士等都已经建立了优秀的、研究纳米技术中某些专门领域的中心。

　　新千年伊始，2000年1月21日，美国总统克林顿在加州理工学院宣布了美国的国家纳米技术倡议（NNI），并在2001年财政年度给NNI研究经费5亿美元。为什么美国总统要亲自来关心纳米技术这样一个具体的项目？克林顿说：

　　“我的预算支持一个比较重要的、新的国家纳米技术倡议（NNI），即在原子和分子水平上操纵物质的能力，价值为5亿美元。试设想一下这些可能性：材料将10倍于钢的强度而重量只有其数分之一；国会图书馆内所有的信息可以压缩在一块方糖那样尺寸的器件之中；当癌病变只有几个细胞那样大小时就可以探测到。我们的某些目标可能需要20年或更长的时间才能达到，但这恰恰是为什么联邦政府要在此起重要作用。”

　　IWCN（即：The Internagency Working Group on Nanoscience，Engineering and Technology，这是根据美国国家纳米技术倡议成立的一个协调机构）还认为：纳米技术的研究目标过于基础性、长期性，而且特别具有高度交叉性（transdisciplinary）。纳米技术需要物理学家、化学家、生物学家和工程师一起组成一支队伍来使可行性成为现实。虽然企业会对它的高水平很感兴趣，但要很快占领这块高地（一般企业只肯投3～5年就能见效的项目），风险很大。因此只有大学和政府才能填补这个缺口。但是大学因为有传统的分系制，所以也有困难。应当在校园内不遗余力地成立几个系组成的中心。而联邦的“倡议”对于创建一个有效的、全国在纳米技术方面的努力则是关键性的。

　　他们认为，纳米技术目前已具有下列三个基本特征：

　　1.纳米技术的研究目前已到达一个高度竞争和具有很大推动力的水平，有着不平常的高度和波及各方面的挑战。

　　2.所有科技部门都必须明确地知道纳米技术的作用和贡献。

　　3.向纳米技术的研究开发（R&D）所作的投资对社会的回报将是巨大的，而且有战略上的重要性。

　　美国政府的结论是：

　　如所周知，集成电路的发现创造了“硅时代”和“信息时代”，而纳米技术在总体上对社会的冲击将远比硅集成电路大得多，因为它不仅在电子学方面，还可以用到其他很多方面。有效的产品性能改进和制造业方面的进展，将在二十一世纪带领许多产业革命。

　　于是大家注意到，克林顿宣布的NNI还有一个副标题：“领导下一次工业革命”（Leading to the Next Industrial Revolution）。这就是美国的动机、目标和政治野心。

　　考虑到未来的国际经济竞争可能会比军事竞争更为残酷，所有的国家对于纳米技术被赋予一定的政治性质这件事，绝不能掉以轻心。有的已经或正在采取认真的对策。因此我用5个字作为本文的结束：

　　中国怎么办？