中國納米白皮書：國之大器，始於毫末

序

白春禮中國科學院院長

納米科學是在納米尺度（從原子、分子到亞微米尺度之間）上研究物質的相互作用、組成、特性與製造方法的科學。它匯聚了現代多學科領域在納米尺度的焦點科學問題，促進了多學科交叉融合，孕育著眾多的科技突破和原始創新機會。同時，納米科技對高技術的誕生，對我們的生產、生活也將產生巨大的影響。

從上世紀八十年代開始，納米科技引起了人們的廣泛關注。2000年美國率先發布了「國家納米技術計劃（NNI）」掀起了國際納米科技研究熱潮。中國高度關注納米科技發展，與國際同步進行了布局，於2000年成立了國家納米科技指導協調委員會，2003年成立了國家納米科學中心，在國家中長期發展規劃中部署了納米科技研究計劃，同時，基金委和中國科學院也都部署了納米科技相關研究。這些措施極大地推動了中國納米科技的發展。

施普林格 ? 自然集團、國家納米科學中心、中國科學院文獻情報中心共同合作，編製了中國納米白皮書，從高水平文獻發表、專利申請、重點發展領域分布、國際合作網路等視角，運用大數據分析和可視化方法，綜合專家解讀和意見，科學詳實地揭示出近年來中國和世界納米科技的發展態勢。文章定性分析與定量分析相結合，主觀判斷與客觀數據相印證。該報告，一方面，讓我們看到了過去二十年，納米科技在世界範圍得到了很大的發展，對人類社會生活進步產生了巨大影響；另一方面，我們也看到相關領域的變遷和影響。納米科學研究和技術應用已經遍布材料與製造、電子與信息技術、能源與環境、以及醫學與健康領域。與此同時，納米技術的迅速發展給社會帶來的巨大影響也帶來了倫理和安全問題，潛在風險值得關注和研究。

報告顯示，中國在納米科學領域已成為當今世界納米科學與技術進步重要的貢獻者，是世界納米科技研發大國，部分基礎研究躍居國際領先水平。中國納米科技應用研究與成果轉化的成效也已初具規模。在專利申請量方面，中國位於世界前列。這些都與中國在納米科技領域的持續投入密切相關，同時也展示了中國納米科技研究正在實現從量的增加到原創以及質的轉變，並更加關注納米科技的產業化應用。

展望未來，納米科技面臨諸多機遇和多方挑戰。我們需要實現對於納米尺度基礎研究的突破，需要加快填補基礎與應用之間的溝壑，更需要滿足更多來自於世界能源、環境與健康領域的重大需求。為此，我們將進一步加大創新人才的培養，加快構建和培育價值鏈和創新鏈，開展更加廣泛和有效的全球合作。希望通過我們的共同努力，納米科技在基礎前沿領域能實現更多原創性突破，更多應用成果開花結果、落地生根，服務國家、造福人民，為中國早日建成世界科技強國作出應有的貢獻。

從一顆小種子到參天大樹

25年前，《 自然》在東京召開了一次會議，彙集了當時一個新興研究領域的世界頂尖專家。該領域研究的是從原子尺度上了解和操縱物質1，他們稱之為「納米技術」。不過，不是所有人都喜歡這個名字。Don Eigler曾利用單獨排放的氙原子在鎳表面上拼出字母「IBM」，這成為該領域最具標誌性的圖像之一，但他對是否存在納米技術表示了懷疑。 來自IBM的另一位代表Paul Horn則認為，儘管他們可使用的工具是「奇妙的科學工具」，但預計未來25年內這不會對主流電子技術產生任何影響。

1992年，全球只有屈指可數的幾個實驗室，主要是物理或化學實驗室，在開展納米尺度的物體研究——將其描述為納米科學，或許要比納米技術更合適。當時，並沒有專門針對這個領域的期刊，而且勉強算起來也只有六家研究機構在其名稱中使用了「納米」這個前綴。如今，在科睿唯安（Clarivate Analytics）發布的2016年度《期刊引用報告》中，「納米科學與納米技術」分類下已有86本期刊。在數碼科研（Digital Science）所維護的全球研究識別符資料庫（Global Research Identifier Database）當前收錄的研究機構中，已有192個研究機構明確在其名稱中使用了納米科學或納米技術。

雖然我們掌握的技術還無法實現在原子尺度上建構事物，但是事實證明，該領域許多奠基人所主張的謹慎是過於悲觀的。現在，計算機晶元常規製造尺寸僅有幾十個納米大小，IBM 最近宣布推出的商業化量產晶元，其晶體管大小僅為5納米。許多電視機的發光元件採用了被稱為量子點的納米級熒光粒子。目前使用了納米技術的產品還有塗料、防晒霜、藥物、太陽鏡、污染檢測器和基因測序儀等，林林總總，不勝枚舉。

中國早就意識到納米科學對其科學、技術和經濟發展的潛在貢獻。2003年，中國科學院和教育部共同成立了國家納米科學中心。其成功的關鍵在於中國最優秀研究機構的代表——清華大學、北京大學和中國科學院都參與其中。過去二十年，在國家納米科學中心、中國科學院科研院所和國內一流大學等機構的共同推動下，中國已成為當今世界納米科學與技術領域的領先國家。

在這份白皮書中，我們將首先概述中國納米科學與技術的現狀。然後，在第二部分中簡要介紹該學科的發展歷史和迄今以來的里程碑事件。這包括納米科學如何改變構成我們世界的各種材料，如何改變通訊方式，如何發展新能源及提高新能源的使用效率，以及如何幫助診斷和治療疾病等。

在第四部分，我們將呈現一些業內專家在訪談中所表達的對於中國納米科學發展現狀和未來發展方向的看法，以及研究機構、資助機構和決策者如何才能繼續推動該領域的蓬勃發展。

納米科學與技術的過去、現在和未來

納米科學，簡而言之，主要研究的是尺度在1到100個10億分之1米，即1-100納米之間的極小物體。在如此小的尺度上，材料的物理、化學和生物學特性跟宏觀尺度的物體相比， 會大相徑庭——通常有巨大的差異。比如，低強度或脆性合金會獲得高強度、高延展性，化學活性低的化合物會變成強力催化劑，不能受激發光的半導體會變得能夠發射強光。納米尺度級的處理能夠改變物質屬性，這對大多數的科學、技術、工程和醫學領域都具有實用意義。

納米技術發展的里程碑

納米科學和技術作為一個獨立的研究領域， 是最近才發展起來的。大家通常都老生常談地引用費曼（Richard Feynman）去世後才出名的演講作為該領域的開端 —— 即1959年他在加州理工學院的演講「（微觀）之下還有充足的空間（There』s plentyof room at the bottom）」。費曼在演講中指出，如果可以控制單一原子，理論上可以在大頭針的針頭上寫下整套大英百科全書的內容。但是這次演講在隨後幾十年，僅有少數幾次的引用。「納米技術」這個術語直到1974年才出現，由谷口紀男在論文「關於『納米技術』的基本概念」里首次提出，他介紹了如何運用離子濺射在硬質表面蝕刻形成納米結構。

不過，納米材料的使用可追溯到幾個世紀前，例如其在陶瓷釉和有色窗玻璃染色劑中的使用。領先費曼控制單一原子的設想大約一個世紀，英國物理學家、電磁學先驅法拉第（Michael Faraday）已闡述了光的波長相關散射（丁達爾現象），其研究對象是通過化學方法製備的金膠體懸浮液。他注意到金的膠體懸浮液顏色會隨著金納米顆粒的大小發生變化，並意識到極小黃金顆粒的存在。

意識到通過控制原子來改造世界的可能性是一回事，如何實現卻完全是另一回事。從這個意義上說，開發用於觀察和控制物質的工具一直在決定著納米科學與技術發展的時間表。最先被開發出來的工具是1931年由ErnstRuska 和Max Knoll發明的電子顯微鏡——儘管歷經幾十年的發展這些設備才達到原子級別的解析度。但真正宣告納米時代到來並進入公眾視野的是1990年Don Eigler及其同事展示了在鎳表面通過擺放單個氙原子能夠拼寫出『IBM』三個字母， 當時他們使用 的是Gerd Binnig和HeinrichRohrer在九年前發明的掃描隧道顯微鏡。

同樣在20世紀80和90年代，科研人員開始將光學儀器解析度的極限推進到納米領域。可見光的波長起點大約在400納米，按照傳統的理解， 可見光並不適用於觀測與納米技術相關的100納米以下的結構。1928年，Edward Hutchinson Synge提出了『近場』顯微鏡的構造，用以突破所謂的『阿貝衍射極限』，即制約傳統顯微鏡分辨約250納米以下結構的限制。但直到1994年，Stefan Hell和Jan Wichmann才提出第一個可實施的方案，即超解析度熒光顯微鏡（stimulated-emission-depletion，STED顯微鏡），實現遠小於前述250納米尺寸限制的分子尺度光學成像。

納米尺度研究能力的提升起初讓人們發現了許多天然形成的納米結構。1981年，俄國物理學家Alexei Ekimov和Alexander Efros在研究摻雜半導體的玻璃時，發現了內嵌的納米級結晶體，後被稱為半導體量子點。僅僅幾年後，貝爾實 驗室的Louis Brus展示了在溶液中合成這種顆粒的方法。

1985 年， 美國萊斯大學的Harold Kroto,Sean O』Brien, RobertCurl和Richard Smalley發現了富勒烯（C60）——這是一種完全由碳原子組成的、形如足球並且異常穩定的分子。這打破了碳只有石墨和金剛石兩種同素異形體的傳統認知，並開啟了化學家的想像力，令他們開始思考合成比之前設想要大得多的一系列新型分子結構的可能性。1991 年，飯島澄男報告合成了碳納米管——一種具有特殊電子、熱學、機械性能的材料，為這種管狀納米結構的廣泛應用鋪平了道路。

隨後不久，Charles Kresge及其同事發明了可過濾分子的介孔納米材料MCM-41和MCM-48，現已廣泛應用於石油煉化、污水處理及藥物輸送。1990年代後半期，Charles Lieber,Lars Samuelsson和Kenji Hiruma領導的團隊開發了合成晶狀半導體納米線的技術——為推動納米技術進入光子學和光電學領域又邁出至關重要的一步。2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov實現了單層石墨烯的分離，獲得單原子厚度的二維碳原子結構，開啟了通向不可限量的未來技術的大門。超輕、高柔性、高強度、高導電性等特點使得石墨烯被譽為一種新的神奇材料。

1990年代末和本世紀初，納米技術更多地投入應用。1998年電子墨水的發明就是一例，這是一種類似紙張的顯示技術， 墨水由極小的膠囊組成，現已廣泛應用於Kindle等電子閱讀器產品。另一個例子是1988年Albert Fert 和PeterGrünberg發現的巨磁阻效應，據此開發的磁性讀出頭大幅縮小了電腦硬碟的尺寸，並提高了存儲容量。Ekimov, Efros, Brus（及其他眾人）發現並開發的量子點也得到了廣泛的實際應用，這包括平板電視背光源，以及用於活體細胞和組織內最小結構成像的染色劑。

納米技術的社會影響力

納米級材料的研究規模雖然比較小，但對我們生活方式的潛在影響卻很大。全球各地的科學家和工程師們都在對這個微觀世界展開新的探索，並將其科學發現轉化為新的產品和技術，由此重塑了一系列的產業，主要是材料和製造業、電子和信息技術、能源與環境，以及醫療與健康產業。由於具有廣泛的社會影響力，納米技術的快速發展也隨之帶來倫理和安全問題，需要我們在享用納米技術預期的成果之前加以解決。

材料和製造

納米技術的優勢主要體現在通過控制原子級或分子級的物質所創造的新材料上。由於具備理想的機械、化學、電學、熱學或光學性能，這些新型納米材料被應用於日常用品及工業製造之中。

威爾遜中心曾發起一個關於新興的納米技術的項目，根據其中的一份製造商清單估計2，市場上有 1600 多種基於納米技術的消費產品。納米材料在健康和健身產品中的應用最廣，例如化妝品、個人護理用品和服裝等。普通的電吹風或直發器就有可能使用納米材料降低重量或延長使用壽命。防晒霜已使用了從皮膚表面上看不到的納米二氧化鈦或氧化鋅等防晒成分。納米工程製備的纖維被用於製造防皺、防沾污的衣物，不僅質輕，甚至還可能防止細菌的滋生。納米材料還被應用於各類產品中，從輕便、剛性好的網球拍、自行車和箱包，到汽車零件和可充電電池等。

在製造業，納米結構的材料被用於機器零件的表面塗層或潤滑劑中，以減小磨損、延長機器使用壽命。具有納米結構的合金，由於強度高、耐久、質量輕的特點，是製造飛機和航天航空零部件的理想高性能材料。它們被用於製造機身、過濾材料及其他零部件，帶來更強的耐蝕、抗震和防火性能，以及優良的強度 - 重量比。金屬、氧化物、碳和其他化合物的納米顆粒也是很好的催化劑，在石油精鍊、生物燃料等領域有著重要的工業應用。由於出色的表面積 - 體積比、高催化活性及低能耗的特點，納米催化具有多種優勢，如最優的原料利用率、高能效、最低限度的化學廢料排放，以及更高的安全性等。

信息技術

納米技術作為促進信息技術和數碼電子行業發展的關鍵驅動力，進一步提升了諸多電子產品的性能，如電腦、手機和電視等。

英特爾公司的共同創始人Gordon Moore在1965年提出了著名的摩爾定律——集成晶元上的晶體管數量每年就會翻倍（後修改為每兩年翻倍）。彼時，納米技術還在發展的初期。由於納米技術的進步，集成晶元和晶體管已如摩爾所預測的那樣，變得越來越小，計算速度卻日趨提高，儘管摩爾定律近年來正在逐漸失效。2016年誕生了世界上首個1納米的晶體管。該晶體管由碳納米管和二硫化鉬，而不是硅製備而成，展示了進一步縮小電子器件尺寸的潛力，使得摩爾定律至少能在一段時間裡繼續有效。

人們對納米材料物理特性的深入理解推動了量子器件的發展，其應用遍及光感應、激光和晶體管，實現了更低能耗下的高速數據傳輸。元器件如採用了納米級的半導體量子點，就可以感應或發射單個光子，器件在應用到加密系統中之後，就可以提升信息系統的性能和安全性。量子點或無機半導體納米晶體的另一個應用領域是顯示屏產業。由於納米技術，電視、計算機和移動設備的顯示屏就可實現超高清、節能、甚至可彎曲，併產生更加逼真的圖像。人們在設計新型透明導電材料時採用了碳納米管或銀納米線，這為開發各種使用柔性屏幕的電子設備開啟了大門。

能源和環境

納米技術可促進可替代能源的發展，提高能源使用效率，並為環境治理提供新的解決方案，因此有助於環境保護事業。在傳統的能源領域，基於納米技術的方法或新型催化劑使得石油和天然氣的開採以及燃料的燃燒變得更加高效，這減少了發電廠、交通工具及其他重型設備的污染和能耗。

多年以來，科研人員通過在底層材料和結構上應用納米工程，來提高光伏發電設備（將太陽能轉化為電能）的性能並降低成本。例如，他們在這些設備里導入量子點，以吸收更多的陽光。另外，他們使用低溫條件下能在低成本的襯底材料上生長的材料，如鈣鈦礦型金屬 - 有機化合物和導電聚合物，為包括硅在內的傳統光伏材料提供低成本的替代物。

除了有助於提高陽光採集效率，納米材料還可用於廢熱轉化，如將汽車尾氣轉化為有用的能量。再如，人們開發了可將二氧化碳轉化為清潔燃料甲烷的納米顆粒，以及能提高氫氣製備產能的納米光催化劑，這都提升了發展新的可再生能源的前景。

在能源存儲方面，由於納米結構的電極材料能夠支持更多不同的電化學反應，因此可用來提高可充電電池的容量和性能。這不但能增加新一代電池的存儲容量，還能減輕電池重量，從而提高電動汽車這類交通工具的效能和續航距離。

納米技術還可用於水處理和污染物的清理。例如， 二硫化鉬（MoS2）薄膜等納米材料能以更高效的過濾性促進鹽水淡化，而多孔質的納米材料可以像海綿一樣吸收水中的重金屬和浮油等有毒物質。納米顆粒還可通過化學反應清除工業用水中的污染物。此外，納米纖維能夠吸附空氣中的微小顆粒，因此可用作凈化空氣的濾網。

納米技術在環境治理中的應用還包括空氣、水和土壤中污染物的檢測。由於其獨特的化學和物理特性，納米顆粒對化學或生物試劑的靈敏度更高，因此可用在感測器中鑒別有毒物質，這要比傳統的現場測試方法更加簡單快捷，甚至能在檢測的同時去除污染物。

醫療和健康

可以說納米技術最成熟的形式就是生命本身所表現出來的形式。從細胞器一直到底層的核糖體、DNA、ATP，這些生物系統為納米科學家提供了源源不斷的靈感源泉。或者，正如合成生物學家TomKnight曾說過的那樣，「生物學就是在發揮作用的納米技術！」正因如此，納米技術對醫療和健康產業的影響日趨顯著，並在藥物輸送、生物材料、造影、診斷、活性植入及其他醫療應用中得到了穩步發展。

納米技術在生物醫學方面最引人矚目的應用或許是被稱為納米孔基因測序技術的出現。其工作原理是利用電場驅動每個DNA單鏈穿過薄膜上納米尺寸的孔，即納米孔。當DNA單鏈通過納米孔時，記錄孔上產生的電流變化，從而識別出單鏈上的基因編碼序列。該技術有望大幅降低基因測序成本並提高測序速度。

納米技術另外一個富有前景的醫學應用是藥物輸送。納米技術能讓藥物突破化學、解剖和生理學阻礙，抵達病變組織，提高藥物在病灶位置的聚集量，減小對健康組織的損害，較之傳統藥物具有顯著優勢。例如，經過精心設計的納米藥物可以經血管滲漏點滲入癌變組織，並在靶點位置積聚，從而提高癌症靶向治療的精準度。其他的應用還包括用納米顆粒封裝諸如抗體之類的生物活性分子，以促進特定靶向的藥物輸送。

納米顆粒因其尺寸微小和特殊的化學性質，在醫學造影方面也有獨特的應用前景。傳統的熒光染色劑是用有機化合物製備的，通常壽命短，其光學性能也很難調製以適應任意的工作波長。利用無機量子點，其工作波長可根據尺寸調製，上述兩個不足都能得到了克服。而且，設計起來也更加方便，可以形成在特定組織和腫瘤位置的積聚，從而實現更便捷、更準確的診斷，並提高治療效果。

納米科技還應用於生物組織工程。石墨烯、納米管、二硫化鉬等納米材料可用來製造支架，幫助修復或重塑受損的組織。納米結構支架能夠模仿組織特有的微觀環境，促進細胞的附著、繁殖和長成，並誘導正常細胞機能及組織生長。

倫理和安全問題

新技術就像雙刃劍一樣，帶來利益的同時也可能帶來風險。納米技術也不例外。人們在歡呼其快速發展之際，也應小心它所帶來的意料之外的環境、健康和社會影響。

當前人們最大的擔憂是納米顆粒對健康的威脅，因為納米顆粒很容易經肺或皮膚進入人體系統。例如，人們已發現碳納米管內的金屬污染物和柴油的納米顆粒對健康有不良影響。生產作業中暴露於納米污染物的工人會有較高的健康風險，基於納米技術的產品也會讓消費者面臨風險。納米藥物雖然前景光明，但因為尚不清楚其在人體內是否參與代謝以及如何代謝，所以也有可能帶來意料之外的後果。而且，納米藥物的長期使用效果仍不明朗。

此外，納米材料製造過程中所產生的工業排放，以及納米產品用後的回收，也會帶來污染環境的風險。納米顆粒活性高、尺寸微小，有可能對生態系統產生不利影響，對動植物生存構成威脅。由於納米技術會給產品生產方式帶來翻天覆地的變化，分子製造即是一個例子，並讓很多商品的尺寸發生改變，人們尚不清楚這會帶來怎樣的經濟影響和社會巨變，這要求我們對該技術應用的倫理問題進行審慎的判斷。

為應對這些擔憂，全球許多國家都已採取行動。美國出台了「國家納米技術計劃（National Nanotechnology Initiative）」，其主要目標之一是支持以負責任的方式發展納米技術。此外，美國還組織了若干工作組，探討和應對納米技術所帶來的倫理、法律和社會問題。歐盟也與美國合作，建立了一個政策制定的平台，以應對納米技術發展過程中所產生的問題。中國自 2001 年就已投入資金研究納米安全問題，約有 7% 的納米技術研究預算用於有關納米技術潛在的環境、健康及安全問題的科學研究。這些研究也將支持制定標準的方法，以量化相關的環境及健康危害，同時有助於形成監控和管制納米污染的指導方針。

通過仔細考量其潛在的風險，人們將能有效駕馭納米技術，讓我們的生活和環境變得更加美好。

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納米科學的里程碑事件

1856: 觀察到納米粒子

Michael Faraday發現製備的金溶膠中顆粒的大小不同，就會呈現出不同顏色的丁達爾散射。

1928: 近場光學顯微鏡

Edward Hutchinson Synge提出以近場掃描光學顯微鏡獲得超越衍射極限的圖像。

1931: 電子顯微鏡

Ernst Ruska和Max Knoll展示了第一台電子顯微鏡。

1935: 單分子薄膜

Irving Langmuir和Katharine Blodgett發明了製備單層分子薄膜的技術。

1946: 分子自組裝

Zisman、Bigelow和Pickett報告了有序單分子層在表面上的自組裝。

1959: （微觀）之下還有充足的空間

Richard Feynman在加州理工學院舉辦的美國物理學會會議上發表題為《（微觀）底下還有充足的空間》的演講，推測在原子級別上操控物質的可能性。

1968: 分子束外延

John Arthur Jr和Albert Cho研發出用於製備高質量單晶薄膜的分子束外延。

1974: 「納米技術」一詞誕生

谷口紀男創造「納米技術」一詞。

1974: 表面增強拉曼光譜

Martin Fleischmann、Patrick Hendra和James McQuillan報告了拉曼散射的異常增強，隨後Richard van Duyne和Alan Creighton將這種現象解釋為納米級金屬結構形成的場增強所造成的。

1974: 分子電子學

Mark Ratner和Arieh Aviram提出分子二極體的想法。

1976: 原子層沉積

Tuomo Suntola發明原子層外延薄膜製備技術。

1980: 觀察到自然形成的量子點

Alexei Ekimov和Alexander Efros報告了納米晶體量子點的存在及其光學特性。

1981: 掃描隧道顯微鏡

Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發明掃描隧道顯微鏡。

1982: DNA納米技術

Nadrian Seeman提出DNA納米技術的概念。

1983: 半導體量子點的生長

Louis Brus報告了膠體半導體量子點的合成。

1985: 發現富勒烯

Harold Kroto、Sean O』Brien、Robert Curl和Richard Smalley發現了C60富勒烯分子。

1986: 原子力顯微鏡

Gerd Binnig、Calvin Quate和Christoph Gerber發明了原子力顯微鏡。

1988: 巨磁電阻

Albert Fert和Peter Grünberg在多層膜中發現了巨磁電阻。

1990: 原子尺度的操控

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，寫出字母「IBM」。

1991: 碳納米管

飯島澄男報告了碳納米管的生長。一年之後，Millie Dresselhaus及同事提出一種可以準確預測金屬與半導體納米管比例的理論。

1992: 分子篩

Charles Kresge發明了介孔分子篩材料MCM-41和MCM-48。

1993: 量子圍欄

Michael Crommie、Christopher Lutz和Don Eigler報告鐵原子在銅表面形成的量子圍欄囚禁了電子。

1994: 受激發射損耗顯微技術

Stefan Hell和Jan Wichmann提出受激發射損耗顯微術，打破了光學成像的衍射極限。

1994: 雙穩態分子梭

Fraser Stoddart演示了一個可通過化學方法切換的雙穩態分子梭。

1994: 模板納米線

Martin Moskovits使用多孔陽極氧化鋁作為模板，製備有序納米線陣列。

1996: 納米孔基因測序

John Kasianowicz、Eric Brandin、Daniel Branton和David Deamer將一個DNA單鏈穿過脂質雙層膜內的納米孔。

1997: 球差校正掃描隧道顯微鏡

Ondrej Krivanek校正了掃描隧道電鏡的球差。

1998: 光異常透射

Ebbesen、Lezec、Ghaemi、Thio和Wolff觀察到了金屬薄膜上的亞波長孔陣的光異常透射現象。

1998: 電子墨水

Comiskey、Albert、Yoshizawa和Jacobson發明了電子墨水。

1998: 晶態納米線

Charles Lieber、Lars Samuelsson和Kenji Hiruma獨立開發出製備晶態半導體納米線的技術。

1999: 分子馬達

Ben Feringa和Ross Kelly分別報告了光碟機分子馬達和化學驅動分子馬達。

2001: 納米線激光器

楊培東展示了室溫納米線激光器。

2004: 石墨烯的分離

Andre Geim和Konstantin Novoselov發明了一種剝離單層石墨烯的技術。

2006: DNA摺紙術

Paul Rothemund展示了一種將DNA單鏈摺疊成複雜的二維形狀的方法。

2013: 人造核糖體

David Leigh創造了一個相當於人工核糖體的分子機器，可將氨基酸按特定順序連接起來。

不斷崛起的中國納米科研

過去二十年，中國的科研產出實現了人類有史以來前所未有的增長速度，這已不是 什麼秘密。1997年，中國的科研人員參與撰寫的科研論文約佔科學引文索引（簡稱 SCI，現由科睿唯安編製）期刊全球所發表的論文數量的2%。目前，中國幾乎貢獻了全球四分之一的原創論文。其中，最能突出展現這一發展趨勢的研究領域幾乎非納米科學與技術莫屬了。

為了更好地理解中國納米科研的興起，我們將分別從原創科研論文數量、自然科研最新推出的Nano 資料庫收錄的科研貢獻，以及專利產出情況這幾個方面，將中國與世界其他主要科研國家的科研產出進行對比。

過去二十年的論文產出

為了開啟這個有關中國納米研究狀況的調查，我們根據 SCI 的擴展資料庫，使用與『納米科學與技術』相關的關鍵詞進行檢索，由此獲得全球主要科研強國逐年的論文發表數量。計入的這些論文主題涵蓋了諸如『納米管』、『量子點』、『原子力顯微鏡』等專業詞（詳細的研究方法見附錄 1）。

1997 年，全球共發表了約 1.3 萬篇與納米科學相關的論文。到2016年，已增至15.4萬篇，複合年均增長率達 14%，高於所有領域平均3.7%的論文複合年均增長率，幾乎是其四倍。同期，中國納米方面的論文產出由1997年 的820篇增至2016年的5.2萬餘篇，複合年均增長率達24%（圖1）。

毫不令人驚訝，納米領域的科研產出佔總體科研產出的比例也有大幅提升（ 圖 2）。20年前，全球發表的科研論文中，大約只有 2% 涉及納米科學與技術。如今，這一比例已增至10%以上。在此期間，納米領域的科研論文對整體科研產出的貢獻率，只有中國和韓國超過了全球平均水平。現在，印度也加入了這一陣營。這三個國家的納米研究佔總體科研產出的比例，幾乎是該領域其它所有領先國家的兩倍左右。

與全球產出進行對比，中國納米科研的增長就更加令人印象深刻了（圖3）。中國對全球納米科研的貢獻一直保持穩步增長。1997 年，與納米相關的SCI論文中只有6%涉及中國作者，到 2010 年，中國已與美國旗鼓相當。目前，中國貢獻了全球超過三分之一的納米科研論文，幾乎是美國的兩倍。在中國飛速增長的背景下，只有韓國和印度也實現了增長，而其它多數國家的納米科研論文產出的全球佔比，不是增長平緩，就是緩慢下滑。不過，必須強調的是，雖然這些國家的相對貢獻在下降，但多數國家納米科研論文的總產出仍在繼續增長（圖 1）。

中國高影響力納米研究的增長

當衡量任何特定科研的影響力時，應該注意單純的數量並不等同於質量。而且，雖然衡量一個國家或機構科研產出的數量相對直接，但確定產出的質量則更具有挑戰性。目前尚無普遍接受的評估科研質量的統一標準。不過，通常用來衡量一項研究影響力的方法之一就是它的被引用次數。為此，我們分析了 SCI 中與納米科學和技術相關的被引頻次在前 1% 的論文（圖 4）。

我們發現，與納米科研在總體科研產出中的增長比率相似，中國對納米科研領域高被引論文的貢獻率也有大幅增長，甚至超越了前者。2007 年以來，中國在納米領域的高被引論文佔比更高，逐年增長率甚至超過了該領域總產出佔比的增長，達到了22% 的複合年均增長率，是全球增長率的三倍多。中國在 2014 年超過美國，其貢獻已是除美國以外其它國家的數倍之多。

中國科研機構引領全球

在中國崛起為納米科研強國的過程中，中國科學院發揮了重要的推動作用。十年前，中科院對該領域高被引論文的貢獻已頗為可觀，在全球機構中排名第三，僅次於加州大學系統和美國能源部。自那時起，其地位日益提升，目前已是全球納米領域最主要的高影響力論文產出機構，並大幅領先其它機構。目前，中科院在前 1% 高被引納米科研論文的產量上，已經是位居其後的競爭者的兩倍以上。

除中科院之外，另有五家中國機構在前 1% 高被引納米科研論文的總產出方面，位列全球前 20，即清華大學、復旦大學、浙江大學、中國科學技術大學和北京大學（圖 5）。

中國納米科研的飛速發展，與其對該研究領域持續和大力的資金支持密切相關。早在 1990 年，國家科學技術委員會，即中國科學技術部（簡稱科技部）的前身，便將納米材料科學列入國家「 攀登」項目。大約十年後，科技部又資助了國家級納米材料與納米結構基礎研究項目，並提供持續的資助，促進了中國納米材料領域的科研產出。1990年代，國家自然科學基金委員會也資助了近千項小型的納米科研項目3。在 2006 年初中國國務院發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006 ～ 2020年）》中，納米科學被列為四項重點發展的基礎研究領域之一，並是其中獲得資助最多的領域4。

政府有力的資金支持，吸引了越來越多的中國科學家投身於納米材料的研究。此外，越來越多有海外留學背景的科學家在「海歸潮」中回國，這也有助於中國納米科研的迅速崛起——這一發展趨勢有望在可預見的未來繼續保持下去。

Nano資料庫中見趨勢

為了更詳細地了解中國納米科學發展的特別優勢和側重點，我們將藉助於Nano 資料庫。這是自然科研新近開發的一個綜合平台，旨在幫助研究人員及時了解最新的納米科學與技術發展。該資料庫包括了幾千種納米材料和設備在性能、應用和製備方法上的詳細信息，這些信息定期摘選自發表納米研究的 30 本最頂級的期刊，如《科學》、《自然》、《先進材料》、《納米通訊》等（完整名單見附錄2）。

該資料庫的建立得到 60 余名納米科研專家的支持，他們將這些期刊發表的論文中所包含的信息進行篩選整理並加以歸類。在人工篩選的同時，他們的這些知識被用來訓練機器學習演算法，以實現自動檢索，使之能夠從167本同行評議期刊所發表的論文中提取詳細的納米相關信息。為了編寫這份白皮書，我們採用了建立 Nano 資料庫所用的人工整理信息，這些信息是從30本納米科研頂級期刊2014至2016年發表的論文中提取的。

納米科學的重點研究方向

通過分析Nano資料庫中發表於2014-2016年期間的涉及納米材料的論文，我們發現中國科學家對多種納米材料都有研究，其中最常見的是納米結構材料、納米顆粒、納米片、多孔納米材料和納米器件。這與其它納米研究強國最熱門的納米材料類別大同小異（圖 6）。值得注意的是，中國對納米多孔材料的研究力度相對更大，有關納米器件的論文在過去三年有快速的增長。

新興的納米結構是指十大重點研究類別之外的， 但 在2014至2016年期間有更顯著科研產出增長的納米結構。在我們分析研究的八個納米科研強國中，超分子化學是最受關注的新興納米結構方向。除此之外，其他新興納米結構的研究，如富勒烯、DNA 折 紙 術 和 納 米凝膠等，在中國也有快速增長。而在其它國家，如美國、德國、韓國和日本，一個快速發展的研究領域是納米囊。

研究的不同應用

納米結構的研究通常有助於功能材料的開發。Nano 資料庫中收錄的論文在報告各種納米材料的時候，也會討論材料的應用前景。在我們調查的八個納米科研強國中，與催化、電子產品、醫藥和能源相關的應用是最普遍的應用研究領域，但國與國之間會有差別。例如，中國催化研究方面的論文最多，美國則以用於電子產品的納米材料研究領先全球（圖 7）。

中國的催化研究有明顯的領先優勢，大部分高質量的納米科研論文都出自催化研究領域。一些受訪的中國納米科研專家指出，中國的催化研究有傳統優勢，中國以前發展化工工業或許對此有帶動作用。中國很多頗有建樹的化學家都專註於催化材料研究，並為該領域培養出一批年輕科學家，推動了納米催化研究的持續發展。

納米醫學是Nano資料庫收錄的中國科研論文所專註的第二大應用研究領域，尤其是醫療診斷方面的研究很突出。這或許令一些人感到意外，因為中國的生命科學研究，不論是產出還是影響力，通常都落後於美國和歐洲。這表明納米醫學或有助於中國發揮其化學和材料科學上的優勢，在生命科學方面拓展一個重要的特色領域。

與能源相關的應用，尤其是儲能和產能，是中國納米科研常常關注的又一領域。這也是近三年來中國十大熱門納米材料應用中，增長最快的領域。由於面臨著應對日益惡化的環境問題的壓力，中國正在大力投入研發新能源，以及有助於節能和環境治理的新技術。納米材料所展現的潛力，讓能源納米技術成為一個頗具前景的領域，並吸引中國眾多科研人員投入其中，他們許多人在納米材料電池和能源存儲與轉化的研究方面已處於世界領先地位。

與其它科研強國相比，中國在納米材料的電子應用方面還相對較弱。但機器人和激光已成為中國新興的納米應用研究領域，即不在十大應用研究之列，卻在近三年取得研究產出的快速增長。同時，中國涉及光子和數據存儲等應用的納米科研論文也有顯著增長。

基礎研究和應用研究的對比

納米科學與技術，因其廣泛的應用前景和社會影響力，從本質上來說具有很強的應用性。所以，與納米技術相關的專利申請數量很龐大且穩步增長。但在全球範圍，專利申請的增長速度卻不及SCI論文。兩相對比，我們會發現不同的國家各有優勢。

中國專利申請數相較於SCI論文數的比率明顯高於美國和歐洲多數的納米科研強國，這與全球趨勢相反，但與日本和韓國的情況相似。在這三個亞洲國家，納米方面的專利申請量通常高於SCI論文發表量，而在大多數西方國家，情況剛好相反。

基於Nano資料庫的分析也得到類似的結果。資料庫所收錄的論文中，中國有更多的論文明確提及論文所描述的納米結構或材料的應用，其比例顯著高於美國、德國、英國、日本和法國等多數科研強國（圖 8）。只有韓國和澳大利亞與中國的情況相似。

一些受訪的中國納米科研專家指出，政府的資助政策和科研評估體系發揮了重要的導向作用。通常，世界各國都很重視科研的應用價值。在中國，由於政府對科研的資助力度很大，其導向作用容易被放大。

合作發揮的作用

合作可以吸引來不同的科研資源、專長和觀點，因此日益成為科學研究的重要組成部分。納米研究作為一個跨學科程度很高的領域，其合作範圍也更為廣泛。與 SCI 論文的整體產出相比，與納米相關的科研產出通常有更高的國際合作程度。

中國非常重視國際科研合作，因此中國涉及國際合著的論文比例也在逐年增高。根據SCI的數據，中國總體科研產出中涉及國際合作的比例自2010年一直在增長，2016年已達24%5。Nano資料庫收錄的與納米材料相關的高質量論文中，涉及中國與國際合作的論文比例也從2014年的36%增至2016年的44%（圖 9）。然 而，中國在納米領域的國際合作程度雖與韓國相近，但明顯低於西方國家，而且合作增長的速度也不如美國、法國、德國等國。

美國是中國納米科研領域最大的國際合作國。在Nano資料庫收錄的30本頂級期刊中，中國發表的納米方面的國際合作論文有55%是與美國合作的。2014至2016年，美國與中國合作發表了2,123篇納米科研論文，佔美國這三年來所發表的高質量納米科研論文總數的21%。接下來，與中國在納米領域有高質量科研合作的國家依次為德國、澳大利亞和日本。尤其是，中國是澳大利亞重要的科研合作國，雙方合作的論文約佔該國在這 30 本頂級期刊所發表的納米科研論文的三分之一。

中國的專利產出

儘管專利只是基礎知識轉化為商用技術過程中的一小部分，但它通常是反映科研實際影響力的主要指標。科睿唯安的德溫特專利資料庫（Derwent InnovationIndex）收集了近二十年來納米科學與技術方面的專利申請數據。我們利用這些專利數據，對中國納米科研應用於納米技術的趨勢進行了分析。

以納米科技相關的關鍵詞和國際專利分類代碼為檢索策略，我們檢索了1997至2016年之間（基於最早優先權年或基本專利申請時間）申請的與納米科技相關的466,884個專利家族，結果發現納米技術方面的專利申請量在全球呈總體上升趨勢。專利申請量從1997年的2,826件增至2015年的51,389件6。其中，中國專利申請數量的增長尤為迅速，現已領先世界。同時，中國納米專利申請所涉領域非常廣泛，儘管各領域的增長模式各有不同。

中國的納米專利申請量位列世界第一，這與中國納米科研強國的地位相一致。過去二十年，中國的納米專利申請量累計達209,344件，佔全球總量的45%，是美國同期累計申請總量的兩倍以上，美國是全球第二大納米專利貢獻國。自2008年起，中國的年度專利申請量即已超過美國，成為世界第一，其增長速度遠高於世界平均水平（圖 10）。

很多對自己的研究成果或技術充滿信心的中國科研人員還會去申請國際專利 , 以求自己的專利技術能在其他國家也受到法律保護。中國的國際專利申請量近年來在穩步增長，從2000年的10件左右增至2014年的748件。但是，中國國際專利的增長遠不及其納米專利申請總量的飛速增長。與其它科技發達的國家相比，中國在國外申請的納米專利數量仍較少，僅佔過去 20年累積專利申請總量的2.61%，而在美國，這一比例高達近50%。一些歐洲國家，如英國和法國，有超過70%的納米專利都是非本國專利。

中國有五家機構，即中國科學院、浙江大學、清華大學、鴻海精密工業股份有限公司和天津大學，位列全球十大納米專利的機構申請者。其中，中科院自 2008 年即位居全球首位，過去20年總共申請了11,218件納米專利。有意思的是，位居前十的其他機構申請者，如韓國的三星集團、LG集團、日本的富士膠片公司和美國的IBM都是商業公司。而中國在專利申請中居主導地位的往往是科研和學術機構。這也許反映出中國科研人員很重視研究成果的應用轉化，以及中國科研機構在研發上的相對優勢。但另一方面，這也凸顯出中國企業在研發上的相對弱勢。

中國納米技術專利的覆蓋範圍

從全球範圍來說，納米專利申請主要集中在基本電氣元件和電子產品、化學和冶金、醫藥衛生、超微技術和材料等領域。近二十年來，與醫藥衛生類的器件和技術、高分子材料，以及催化和膠體化學相關的專利申請呈持續增長趨勢；而半導體器件相關的專利，雖然是最常見的納米技術專利類別，卻在2012年之後不斷下降。超微技術的專利曾在該段時間的前15年迅速增長，但在 2011 年達到頂峰後開始下降。

中國在多個熱門納米技術應用領域都有大量的專利申請，其中最多的是高分子合成和超分子化合物的專利。相比較而言，美國、日本、韓國主要申請的是半導體器件和電子產品的專利，其中美國半導體器件的專利申請總量位居全球第一（圖11）。 這與Nano資料庫中涉及應用的科研論文的情況基本一致。

從專利增長趨勢上來看，高分子合成和超分子化合物是中國納米專利申請量增長最快的領域。這包括了塗料、列印墨水、染料、粘合劑、纖維材料和紡織品加工處理技術等。此外，催化等促成物理或化學過程的技術或裝置的專利申請，在中國的增速也很快。

行業專家展望中國納米科技前景

科研產出和專利申請數量的迅速增長，都描繪出中國納米科學發展的美好前景。不論是傳統的強項學科，還是新興領域，中國的納米科學都表現出巨大的潛力。但是，機遇與挑戰並存。為了對此有更深入的理解，我們採訪了中國納米科研界不同研究方向的專家。

機遇

在中國經濟持續增長，以及政府大力扶持和倡導科技創新的前景之下，中國的科技投入，尤其是對納米科學和技術的投入有望繼續增加。

中國政府各部委和相關機構已制定了科研計劃，為納米科學和技術提供持續的經費支持。這包括了科技部、教育部和自然科學基金委員會等中國主要的科研經費資助機構。最近五年，僅教育部就已為各高校撥付了逾5億元人民幣的納米科研預算資金。中科院也啟動了納米先導專項，投入了約10億元人民幣。具體來說，大量優質資源被投入納米材料、表徵技術、納米器件與製造、納米催化技術與納米生物醫藥等領域的基礎和應用研究中。在採訪中，專家們指出了納米科學幾個最具發展前景的領域。

催化

不少受訪專家認為，催化技術和納米催化材料是中國最有發展前景的納米科學領域。這一觀點並不出人意料，因為中國在該領域已擁有豐富的專業知識。以納米結構為基礎的催化劑能夠加快化學反應，因此在化學或化工產業及煉油行業有廣闊的應用前景。例如，中國科學家最近研發了一種新的雙功能催化劑，能將煤氣化產生的合成氣直接轉化為低碳烯烴——生產塑料等材料的重要原料。他們的方法突破了煤化工業一直沿襲的費托合成的選擇性限制，大幅提高了轉化效率，並已經成功吸引了多家化工企業，共同開發催化劑製備和工藝過程，將這一原創性成果實現產業化。工業需求的不斷增長會繼續推動納米催化劑的發展。中國有望繼續保持該領域的領先優勢。

不過，受訪專家也認為，對納米結構進行更為精準的控制仍舊是一項挑戰，這需要能生產出高效率、高活性、高選擇性和長壽命的催化劑。有些專家指出，合成一種新的催化劑並就此發表論文相對而言並不困難；我們真正需要努力的，是尋找新的合成方法和更好地控制組裝過程。而且，發表更多的論文並非唯一的目標。「它們（論文）真那麼重要嗎？（合成的催化劑）真能用於工業生產嗎？」一位專家指出，他強調科研人員應該思考科研的價值，讓中國納米催化的發展更上一層樓。

能源

能源的重要性和發展可再生能源的必要性已被廣泛認可，尤其是在中國——日益突出的環境問題已引起了政府的高度重視。中國致力於長期投資新能源的研究，這為中國納米能源的發展帶來光明前景。該領域的一位青年專家說：「納米技術在能源產業的應用有著廣闊的前景，我們很可能在接下來的5到10年里就會有重大突破。」據其介紹，太陽能產業的上游在中國，這為做新能源研發的科研人員帶來豐富資源，有利於他們挖掘源頭。由於中國政府具有強大的資源調動能力，因此開發納米能源技術和推廣可再生能源方面，中國比美國更有優勢。

中國某些領域的納米能源研究已引領世界，尤其是鋰離子電池的開發。最近，一個中國研究團隊發明了一種摺疊式氧化石墨烯薄膜設備，能利用太陽能淡化鹽水，淡化過程中的熱量損失被降到最低，效率很高。中國還有許多研究團隊正在為開發低成本、高效率的鈣鈦礦太陽能電池作出重要貢獻。

醫藥

與能源一樣，健康和醫藥與每個人的日常生活息息相關，這使納米醫藥成為一個新的充滿潛力的領域。該領域一位專家說：「納米醫藥令人振奮的地方在於它在診斷和治療上的應用。通過運用納米技術，我們能夠控制藥物釋放並更好地實現靶向治療。」中國巨大的人口基數為臨床研究提供了大量案例和病人，這有助於促進納米醫藥的轉化研究。

納米材料用於藥物傳送，以及納米粒子用來製成治療藥物，其潛力巨大。除此之外，受訪科學家們還對納米技術在醫療器械和醫學成像上的應用前景寄予厚望。該領域一位專家說：「若將納米材料用到醫用電子設備或可穿戴設備，我們將會得到一些非常有價值的產品。」

然而，與西方一些發達國家相比，中國的基礎生命科學研究和生物醫學研發仍較為薄弱。生物醫學專業知識的缺乏限制了納米醫藥的發展。目前中國從事納米醫藥研究的科學家大多擁有化學或材料科學背景，但動物模型和臨床研究的經驗相對有限。一位納米醫藥專家說：「缺乏生物學和醫學知識，是我在研究中面臨的最大挑戰。」不過，中國政府已對生命科學和生物醫學進行大量投入，這些領域的高質量研究產出正在迅速增加。

挑戰

提升科研的社會影響力

中國政府對納米科學和技術有大量投入，旨在開發可用來產業化的技術，以促進經濟增長。然而，儘管學術論文發表量及專利申請量都很高，中國納米技術的產業影響力仍舊有限。納米科學和納米技術產業化之間仍存在差距。

多數接受採訪的納米科研人員都認為，政府需要在應用研究上有更多投入，以促進納米科研成果的轉化。「相對來說，我們國家對基礎性納米科學研究提供的支持還是很充裕的。」一名研究者說。「但是對應用研究的投入還是不夠。」他所說的應用研究是指以產品商業化為目標的研發工作。在一些研究人員看來，這類應用研究要比基礎性納米研究耗費更多的資金，一項產品或技術的產業化，或生產規模的相應提高可能需要數十億元人民幣。「企業在產品研發和商業化方面佔有優勢，他們應該參與進來。」另一位研究者說。「他們（企業）作為納米技術開發和應用的重要參與者，應受到鼓勵在研發上有更大的投入。」

「在我看來，基礎研究就是產生新知識、新觀念或新想法，而應用研究則側重於能產生實際影響的應用和新產品。但是現在，許多人遊走在兩者之間，因此有了許多重複研究。還有很多人只是跟風。我個人認為，我們要更加（重視）應用。」

目前，產業部門在一定程度上參與了進來。許多納米科研人員頻繁與企業開展合作，也有越來越多的企業願意與大學或研究機構的科學家合作，為他們提供科研資金並一起研發新技術或產品。有些企業還大力投資研發，建立了自己的研究部門。但是這還不夠。中國納米科學的產業合作程度（以與產業界人士合著的論文所佔比例來看）雖然在逐年提高，但與其他科研大國相比，仍舊較低。就像一位納米科研人員所說：「政府需要進一步鼓勵企業的研發工作，並優化有利於科技成果產業化的機制。」人們知道，要真正動員企業投入研發，就需要有完善的機制，為科學界和產業界架起一座對話的橋樑，簡化科技成果產業化的流程，並保持投資渠道通暢。

「如果問我最想看到什麼變化，那就是對納米技術研發和應用研究的投入應該更大。」

如何加強納米科研成果的應用被認為是中國納米科學發展所面臨的最大挑戰之一。這是一項長期任務，相關研究者建議產業化過程需要循序漸進，並警惕急功近利的行為。中國政府承諾資金支持納米技術的全產業鏈發展，這是一大利好。為了擴大科研的社會影響力，科學家應在引導經費投資方向上發揮更大的作用，他們掌握前沿的科技知識，因此對顛覆性技術的預見力，要強於產業領袖或政策制定者。

平衡應用研究與基礎研究

實現科技成果轉化和產生積極的社會影響是納米技術發展的目標，但是基礎研究仍是應用的立足點與推動力。對大多數供職於大學或科研機構的科學家來說，他們的研究活動還是應該由科學上的好奇心所驅動。因此，當強調以應用為重心的科技創新時，保持基礎研究和應用研究之間的平衡就尤為重要。

世界上大多數意義深遠的創新都源於基礎科學的發現。然而，中國在真正的創新研究方面仍相對落後。為了實現從零到一，給真正的創新打好基礎，我們需要有更多高質量的基礎研究。就像一位研究者所言：「現在有很多針對應用的討論，但是（我們）同樣需要做更多的基礎研究來理解不同納米材料的基礎結構，並更好地控制這些結構。」的確，這是最終推動開發新型催化劑、高效太陽能電池和創新藥物傳送方法的根本。

「創新的種類有很多。中國研究者可能善於從1走到10（的創造發明），但從0到1的突破仍十分罕見，這對我們來說仍是一大挑戰。」

統計數據顯示，和多數西方國家相比，中國科研支出總量中通常只有一小部分用於基礎研究。這似乎與本白皮書中大多數受訪的納米科研人員的觀點相左。這可能是因為人們對基礎研究和應用研究有不同的定義造成的。自然科研在兩年前曾做過一次調查，當時受訪的科學家將納米科學和技術視為應用研究，而認為基礎研究指的是生命科學、物理科學或地質科學，因為沒有明確跡象表明它們能立即投入應用。但是，在目前這項研究中，大部分納米科研人員所認為的應用研究是轉化研究，也就是將實驗室的研究結果轉化為市場上的產品。然而，就像一些研究者所建議的，或許商業公司應該在縮小產業化與科研之間的差距上發揮領導作用，而「教授的主要職責範圍應該仍舊集中於科學研究。」或者，如另一位研究者所說的：「只要你在做好的研究，不必太在意它是基礎研究還是應用研究。」

從這個意義上來說，給予科學家充分的空間，讓他們自由探索自己的創新想法，追隨自己真正的科學興趣才是關鍵。過於追求論文發表數量或專利申請數量，都會讓研究目的從發現新知識偏離到成為一種生產論文和專利的手段。

「加強研究的應用性非常重要，但是當科研評估過分強調（衡量）應用（價值）的定量指標時，專利申請能帶來的實際意義往往會被削弱，」

「研究就像高斯曲線——很糟糕的研究不多，但是具有深遠影響力的研究也很少。僅僅依靠引用次數並不是判斷研究重要性的好方法。」

鼓勵國際合作

在政府的大力支持下，越來越多有海外經歷的中國科學家回到國內工作。因此，受訪的納米科研人員相信，中國與其他國家的科研合作將會增加，國際合作網路也會擴展。數位年輕的研究者介紹說，他們經常與海外的前同事、導師或同行開展合作，因為他們相互間已建立起密切的聯繫。

十多年之前，中國的國際合作主要為了學習國外先進的專業知識或技術，而現在的國際合作則有所不同，更多是為了尋求知識和技能的互補。「不同國家的研究者有不同的背景，也有自己的專業領域。」一位納米科學專家說。「比如，我們最近與日本合作進行一個針對治療胰腺癌的基因表達干預項目。我們擅長處理納米材料，而日本研究者有紮實的醫學背景，以及動物模型方面的豐富經驗。我們就可以取長補短。」

此外，基於中國在納米科學一些領域的技術專長，中國在越來越多的國際合作項目中正在發揮重要的領導作用。「我們已經在能量轉換和存儲研究中處於領導地位，並在幾項新能源電池的合作項目中扮演重要角色。」一位專攻納米能源的研究者說。

就像一位資深研究者所說的，我們應該進一步鼓勵基於項目的合作，以便集中互補性的專業知識，提升研究的效率。儘管私人關係對合作非常重要，但「要想使合作研究真正可持續發展，培養合作的文化至關重要。」他表示，隨著人們日益意識到改善研究評估體系的必要性，一些可喜的變化正在慢慢發生。

加強學科間的合作

如前所述，納米科學本質上是跨學科的，它涉及許多不同的傳統學科，如化學、物理、工程學、生物和醫學等。從下一代計算機晶元到未來的癌症治療，所有這些領域的發展進步都取決於我們對這個世界如何在納米尺度上運轉的理解。但是，即使是來自相近學科的研究者，比如物理和化學，他們往往用截然不同的語言描述自己眼中的世界。打破傳統學科之間的界限，建立真正跨學科的研究方法，對於促進納米科學和技術的發展至關重要。

「納米科學非常廣泛，其本質就是跨學科的，這符合不同科學領域一體化的全球趨勢。因此，我們需要更多的跨學科合作。」

跟隨全球趨勢，目前許多中國大學和研究機構都十分重視跨學科研究。然而，就像一位研究者所指出的，中國在跨學科研究上仍相對薄弱。「大多數科研資助機構，比如自然科學基金委，還是按照傳統學科分類來劃分資助項目，這其實不利於支持像納米科學這類跨學科領域的發展。」他說道。

但是，大部分受訪科研人員對這種按傳統學科劃分經費資助項目的做法並不十分介意，因為多數納米科學研究者是化學家，他們只要申請化學類資助項目就可以了。此外，自然科學基金委還有一些針對納米科學的專門項目，科技部也是一樣。然而，有些研究人員提出，跨學科研究如囿於有限的範圍內，就會阻礙納米科學的多樣化發展。多數時候，合作僅限於材料科學家或化學家，儘管也涉及某些不同的子學科方向。一個鼓勵化學家與生命科學家、環境科學家，甚至是地質科學家開展更廣泛的跨學科合作的機制，尚有待建立。

「目前，納米科學領域的跨學科合作範圍仍舊很窄。打個比方，大多數（研究納米科學）的人都是學化學或材料背景的，而有物理學或醫學背景的卻不多。從這點來看，真正意義上的跨領域交流還不夠……我們需要組織更多的跨領域交流的論壇，還要學習彼此的語言，才好展開相互理解的對話。」

培養年輕科學家

我們在採訪納米領域專家的時候，大家都會談到一個話題：寄望下一代研究者能有更多了不起的想法和靈感，推動納米科學的創新（所有學科都是如此）。利用好這一珍貴的人才資源，並不僅僅是確保中國的年輕研究者有足夠的研究經費，還要為他們的事業發展提供支持，或許更重要的是，讓他們能夠發出自己的聲音並傾聽他們的聲音。

中國政府已為年輕科學家提供大量支持，啟動了多項針對年輕科學家的高端資助項目。比如，自然科學基金委的國家傑出青年科學基金，中央組織部的青年千人計劃，還有中科院的百人計劃。這些項目並 不限定特定的學科，讓入選的青年科學家能自由探索自己感興趣的領域。接受採訪的納米科學專家中有幾位在美國工作，他們說中國年輕的納米科學家從中國政府獲得的經費支持超過了美國或其他發達國家的同行。

但是經費申請的競爭正變得日益激烈，因為越來越多的青年科學家進入這個領域，或從國外歸來。雖然太過激烈的競爭可能會妨礙創新，但是大部分受訪青年科學家並不十分擔心經費的競爭，而是更強調軟環境的重要性。他們希望能有渠道來表達自己的建議或創新的想法。

「在中國科研圈裡，新陳代謝的速度要比美國和其他發達國家較慢。我們需要更加努力地推動這個領域的研究更新……這不僅包括提供硬體設施或經費支持，軟環境同樣很重要。為了鼓勵新想法不斷冒出來，應該支持年輕科學家有更多的話語權。」

而且，當前許多面向年輕人的經費項目都是基於申請人已取得的科研成就。目前的評估體系也偏向於重視過往成就或海外經驗。這讓一些有才華的青年研究者可能永遠也得不到所需經費，一展宏圖。如何在事前選擇有潛力的研究者，這仍舊是一個難題，因此人才選拔機制需要加以改進。

培養人才應從優化教育開始。要發展納米科學，使之成為可持續發展的科學學科，提升其跨學科合作的程度，並提高研究質量，都離不開有針對性的教育項目。過去幾十年，隨著納米技術的高速發展，許多世界知名大學建立了納米科學和納米技術專業，培養這方面的碩士和博士研究生。2010 年，蘇州大學與蘇州工業園區、加拿大滑鐵盧大學合作，成立了中國首個納米科學技術學院。為了培養納米科學領域的專業人才，該學院首創了連貫式的本科、碩士和博士課程，將教學、科研和納米科學與技術的應用結合在一起，是中國建立跨學科納米科學教育的首次嘗試。

為了滿足人們對納米專業人才不斷增長的需求，中國科學院也決定在中科院大學建立一所納米科學技術學院。這所新學院由國家納米科學和技術中心牽頭，著重把納米科學研究融入本科和碩博教育，旨在成為世界一流的培養具有納米科學和技術能力的跨學科人才的基地。國家納米中心主任指出，生物醫學、能源和信息技術等不同產業的發展，都需要有掌握納米知識的跨學科人才。納米科學技術學院還有助於建立一個新的知識框架，融合多個學科，促進人們對納米科學的理解，並使之成為學術系統中一個新的跨學科領域。

展望未來

50 年前，實現對材料世界的納米級操控似乎還只是幻想。25年前， 正在研發工具將這個幻想變為現實的人們甚至也不相信這些工具會在不久的將來催生納米技術的商業化。如今，機器已能將DNA分子鏈穿過納米級寬的孔來進行基因組測序，防晒霜里已有納米陶瓷粒子阻擋有害紫外線，製造計算機晶元的晶體管也只有10納米大小，這一切都是很平常的事。

中國納米科學和技術取得引人矚目的發展速度，這隻有中國科技的發展是與之同步的。無論是科研產出總量還是影響力的科研產出，中國都是當今世界納米研究的主要貢獻者，並遙遙領先。這一成就主要是建立在化學和材料科學的傳統優勢之上。同時，中國也在納米科學應用於生物技術方面逐漸發展新的優勢。但如此快速的發展也不可避免地面臨著挑戰。

雖然納米科學由物理學家和化學家創立，但它已逐漸演化成一種在本質上具有跨學科、廣泛性、合作性特點的科學領域。其發展速度取決於是否能夠吸取各個不同學科的專業知識，也就是取決於物理學家、化學家、生物學家、材料科學家、臨床研究者和工程師是否能建立一種共同語言。這意味著研究機構、政策制定者和科研資助機構需要建立並擴大有利於跨學科合作的項目，並避免簡單地按物理學、化學、生物學和其他傳統學科來對研究項目進行分類。

第一個用來全面描述該學科的詞語是納米技術，而不是納米科學，這並非巧合。雖然這個詞在幾十年就被創造出來，早於納米科學工具的商業使用，但這個領域的指導原則一直都是利用這些工具，幫助我們建設一個更美好的世界。這並不是說不應當繼續去大力支持那些好奇心驅使的研究——尤其是這類研究常常能夠帶來意想不到的、改變世界的發現。但是，我們白皮書訪談中的專家們都一致認為，必須進一步縮小基礎科學和應用科學之間，以及應用科學到實際解決方案的距離。

最後，我們與專家交談得最多的話題——也是對中國納米科學的未來有最重要意義的話題，就是他們期待中國下一代的納米科學家能成為該領域科研創新的最有力源泉。自然科學基金委等科研資助機構對此並不會感到驚訝，因為他們已率先設立了面向青年科學家的資助項目。但是充足的經費並不能解決全部問題。教育同樣重要。國家納米中心等其他的中國機構已為此開發專門的課程，幫助學生掌握傳統的物理學、化學或生物學之外的廣泛技能。

參考文獻：

[1] Garwin, L. & Ball, P. Nanotechnology: Science at the atomic scale. Nature 355, 761–766 (1992); doi: 10.1038/355761a0

[2] See http://www.nanotechproject.org/cpi/

[3] See Bai, Chunli. Ascent of Nanoscience in China Science 2005, 309, 61– 63

[4] See Weiss, P. S. A Conversation with Dr. Chunli Bai: Champion of Chinese Nanoscience ACS Nano 2008, 2(7), 1336– 1340

[5] Nature Index-China 2017 http:// www.nature.com/nature/journal/ v545/n7655_supp/full/545S39a. html

[6] 由於專利保密期的要求，2015 和 2016 年的數據不完全。

附錄 1 | 數據收集和研究方法

這項研究採用了定量和定性的方法來分析中國納米科學和技術的發展趨勢，並揭示其所面臨的機遇與挑戰。定量分析藉助自然科研開發的 Nano 資料庫，以及科睿唯安的引文資料庫和德溫特專利資料庫，來分析和納米相關的科研論文產出與專利申請情況。

具體來說，我們利用科學引文索引 (SCI) 資料庫的主題檢索功能，用與納米科學和技術相關的關鍵詞做檢索，從1997年到2016年間出版的論文中，搜索到1,372,510篇符合標準的論文。數據檢索的截止日期為2017年6月16日。檢索中使用的關鍵詞包括一系列以「納米」為前綴的詞、自組裝、原子模擬、分子電子學、量子點、原子力顯微鏡、掃描式隧道顯微鏡等等。我們分析了全球，尤其是納米科研論文的主要產出國，在1997年到2016年間納米科研論文的年度產出變化。

以納米科技相關的關鍵詞和國際專利分類代碼為檢索策略，我們也對德溫特專利資料庫做了類似的關鍵詞檢索，該資料庫包括了來自全世界40多個專利發放權威機構的專利信息。我們總共檢索了1997-2016 年之間（按其最早優先權年）申請的納米科技發明專利家族，計466,884個。數據檢索的截止日期為2017年6月9日。

對科學引文資料庫和德溫特專利資料庫的分析由中國科學院文獻情報中心完成，對Nano資料庫的分析則由自然科研的相關工作人員完成。

本項研究所用的定性數據取自我們與中國在職納米科學專家的一次圓桌會議和數次單獨訪談。會議與訪談的主題是中國納米科學和技術發展中所面臨的機遇和挑戰。圓桌討論舉辦於 2017 年 5 月底召開的第十二屆中美華人納米論壇，並獲得國家納米科學中心的大力支持。單獨訪談由自然科研的工作人員在 2017 年 6 月初通過電話進行。

附錄 2 | Nano 資料庫簡介

Nano.nature.com 簡稱 Nano，是自然科研旗下的一個非期刊平台，於 2016 年 6 月正式推出。它旨在提供索引完善、結構完整、易於搜索的有關納米科學和技術的信息，包括對幾千種不同納米材料和納米設備的詳細描述，諸如它們的物理、化學和生物屬性，潛在用途，以及構成和製備方法等。這些數據來自實行同行評議的期刊所發表的文章。研究人員從許多不同的來源將這些信息匯總，並經人工整理為有關納米材料和設備的檔案。在這裡，納米材料被定義為在三維空間中至少有一維處於1到100nm的材料。同時，利用機器學習演算法，對超過 167 種期刊的信息進行定期掃描，生成關於納米材料與技術的數據索引。人工智慧檢索的信息來自於施普林格·自然（主要包括自然科研、BMC 和施普林格等品牌）旗下的主要期刊，以及 AAAS, Elsevier及Wiley等出版機構旗下的期刊。

在本白皮書中，涵蓋納米材料屬性、合成和應用信息的摘要主要是由納米技術專家從 30 本期刊（請看以下完整列表）中人工提煉和彙編而成，這些期刊是納米科學研究領域公認的高影響力期刊。這些人工匯總的數據取自2014-2016年期間發表在這30本期刊上的論文，其分析結果呈現在這份白皮書中，為我們展現了納米技術發展的趨勢。

版權聲明：

2017 Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature. All Rights Reserved

來源：Nature自然科研

編輯：yangfz

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