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全球纳米科学和微纳技术发展动态

供稿人:张耘  供稿时间:2018-5-31   关键字:纳米科学  微纳技术  

全球纳米科学和微纳技术发展动态

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,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。

一、纳米科学和微纳技术的应用现状

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。纳米材料具有粒径小、比表面积大、光学/电学特性敏感、能带调节灵活和量子限域等特点,从而表现出显著的纳米效应:包括小尺寸效应、表面物理效应、表面化学效应等。随着纳米材料制备和表征技术的迅速发展,研究人员通过对纳米材料的化学构成、表面性质以及空间结构进行精确调控,构建出了数量众多,性能优异的新型纳米材料。进入21世纪以来,纳米材料更是在重大疾病的早期诊断、有效治疗和组织修复和新能源等方面表现出巨大潜力,为保障人类生命健康和改善能源结构等带来了革命性的新方法和新技术。

微纳技术是指微米、纳米的材料、设计、制造、测量、控制和产品的研究、加工、制造及应用技术。在基础科学前沿以及制造行业中,微纳制造技术的研究一出现就始终踞于行业的尖端位置。随着制造业的发展对加工精度要求越来越高,传统的加工精度已远远不能满足诸如硅芯片、大规模集成电路等高端制造的要求。在二十多年的发展过程中,微纳技术从最初的纯理论研究,衍生发展出微纳级表面形貌测量,微纳级表层物理、化学、机械性能的检测,微纳级精度的加工和微纳级表层加工原子和分子的去除、搬迁和重组,以及纳米材料、纳米级微传感器和控制技术、微型和超微型机械、微型和超微型机电系统和其他综合系统、纳米生物学等很多细分领域。同时,微纳技术的应用领域也正在极速拓展,目前已被广泛应用于国防军工和民用产品,主要应用于纳米级机械加工、电子束和离子束加工、LIGA技术、扫描隧道显微加工技术等。

二、全球多国制定各具特色的纳米发展计划

纳米科技引起了各国政府的广泛关注。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。英国、德国、俄罗斯、欧盟、中国、日本、韩国、印度、澳大利亚等国家随后也制定了本国或本地区的纳米技术发展计划。进入本世纪第二个十年,各国纷纷对原有计划进行了更新和调整。美国的纳米战略和研究目标比较具体,制定了关于碳纳米管研究、纳米纤维素商业化及纳米技术在水资源的可持续利用等使命导向型的研究计划。同时,希望通过纳米与其他学科的交叉研究,解决重大挑战问题,2016 年美国发布了《纳米技术引发的重大挑战:未来计算》白皮书,确认了纳米技术实现未来计算大挑战的7个技术优先领域和7个研究发展方向及未来5年、10年、15年的目标。日本的战略规划在纳米技术“尖端化”和“融合化”的已有成果基础上,对社会需求的纳米技术进一步体系化。德国的纳米研究计划将研究关注对现有研究成果的有效转化上,以提高德国企业的竞争力。欧盟的纳米技术战略计划侧重于石墨烯的研发和应用上,尤其是其在能源领域的应用。

三、我国高度重视纳米科学的研发

我国政府也高度重视纳米科技,将其列入我国“有望实现跨越式发展的领域之一”。2001年,我国设立了国家纳米科技指导协调委员会,印发《国家纳米科技发展纲要(2001-2010)》,对我国纳米科技工作做出顶层设计。2006年,国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,并设立了“纳米研究”重大科学研究计划。“十五”期间,科技部通过“973”计划、“863”计划、科技攻关计划等对纳米科技研究进行了全面部署。2006年起,科技部组织实施了“纳米研究”重大科学研究计划。科技计划管理改革后,2016年,科技部正式启动实施国家重点研发计划,“纳米科技”是首批重点专项之一。此外,教育部、中国科学院、国家自然科学基金委等中央有关部门以及地方政府等也都从不同层面对纳米科技研究予以支持和投入。例如,近5年,教育部为各高校拨付了5亿元的纳米科研预算资金;中科院启动了纳米先导专项,投入了约10亿元。得益于政府对纳米的持续投入,我国的纳米科研整体实力大幅跃升,已形成一批达到世界领跑水平的优势研究方向和优秀团队。

四、纳米科学和微纳技术的研究瓶颈

目前我国纳米研究更偏重于基础研究,重在纳米制造和测量及机理/机制的研究,部分规划涉及应用领域,如能源,医药、环境等,但多数处于应用研究的最前端,离真正的商业化或者产业化还有较长距离。由于受基础装备、工艺技术、科研经费、行业基础等诸多因素影响,我国的微纳制造技术的研究与世界先进水平之间存在较大差距。国内虽然在微电子技术、生命科学、生物工程及材料、机电工程等领域有应用,但总体技术成熟度不高,纳米制造在工业应用上更少,一些最适合应用微纳技术的领域如芯片、大规模集成电路、汽车与飞机发动机系统、高端制导系统等核心技术和核心装备都被国外所控制。基础研究的不足,高精密仪器设备及高精度制造、测量技术的薄弱,制约了我国微纳技术的发展,当务之急必须凝聚科学目标,集中优势力量,加强纳米科学与微纳制造技术的基础研究与应用研究。

 

参考文献:

1. 国家纳米科学中心  变革性纳米产业制造技术聚焦中国科学院院刊(J), 2016, 31(Z2): 63-68.

2.NNI Publishes Report on Carbon Nanotube (CNT) Commercialization. [2016-10-17]. http://www.nano.gov/node/1340.

 

 

 


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