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纳米技术的战略地位和外国纳米科技产业发展的机遇

一、纳米技术的基本概念

 就象毫米、微米一样,纳米是一个尺度概念,是一米的十亿分之一,并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后,大约是在1—100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。过去,人们只注意原子、分子或者宇宙空间,常常忽略这个中间领域,而这个领域实际上大量存在于自然界,只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家,他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微离子,并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后,它就失去原来的性质,表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此,象铁钴合金,把它做成大约20—30纳米大小,磁畴就变成单磁畴,它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期,人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

 纳米技术是一种在纳米尺度空间内的生产方式和工作方式,并在纳米空间认识自然、创造一种新的技能。比如进入血管的机器人很小,将来它要工作的工具就必须是纳米材料。最近,科学家已经发明了纳米铲子、纳米勺子,血管机器人可以在血管里用这些工具来进行操作,这就是纳米工具,绝不象现在工具这样。

 纳米技术的内涵非常广泛,它包括纳米材料的制造技术,纳米材料向各个领域应用的技术(含高科技领域),在纳米空间构筑一个器件实现对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。但是,我们不要把纳米技术仅仅看作是纳米材料,也不能把纳米材料仅仅理解为是纳米粉体。纳米粉体仅仅是纳米材料的一个内涵,实际上纳米丝、纳米管、纳米线、纳米电缆、纳米薄膜、三维纳米块体、复合材料等等都是纳米材料,范围相当广。另外,纳米材料不单纯是固态的,也有液态,例如纳米水,用高频超声处理,使水分子结成小汽团。

二、纳米技术的战略地位

 2000年3月,美国总统克林顿向国会发布了关于美国纳米技术促进计划,标题是《纳米技术:要引发下一场工业革命》。这个报告一发布,立即在全世界引起强烈反响。接着,中国、日本、欧洲各国都纷纷布置,其他一些发展中国家也把发展纳米技术作为极其重要战略决策来进行实施。纳米技术是21世纪科技发展的制高点,是新工业革命的主导技术。原因是这种技术能对社会发展、经济振兴、国家安全乃至人民生活水平的提高等各个领域都能起到关键作用,而且这种技术影响面极广,向各个领域渗透能力相当强,可以带动很多行业的发展。把纳米技术称为主导技术这是历史发展的必然结果。从第一次工业革命到现在,真正的主导技术出现过4次。第一次是在18世纪中叶,英国率先开展了一场革命,由农业经济过渡到工业经济,当时主导技术是蒸汽机将热能转换成机械能,利用这种能量的转换,给作坊式生产带来了一场变革,使英国成为当时世界上最先进的国家,当时的英国工业总产值位居世界第一;第二次是在18世纪末到19世纪初,随着冶炼技术的发展,钢铁技术和机械制造技术成为当时促进工业发展的主导技术,这时,德国异军突起,成为当时可以与英国抗衡的一个有代表性的先进国家;第三次是在19世纪中叶到19世纪末,电气化技术成为当时主导技术,美国把电气化技术作为主导技术来促进各个行业发展,使美国成为当时世界上最有代表性的先进国家;第四次是在20世纪,科学发展到登峰造极的地步,物理学、相对论、量子论促进了各个学科的发展,同时也带动各个领域技术的发展。50年代半导体研究和技术的发展及60年代激光的发现和各种晶体管的出现,引发了70年代一场新的变革,微电子全面代替真空电子,而日本抓住了这个机遇,以微电子技术、微米技术为中心,以家用电器为契机,把彩电、录音机、照相机、录相机、电冰箱、洗衣机等等产品推向全世界,使日本成为二战以后发展速度最快的经济大国,现在它的GDP仍然保持世界第二位。这场微电子代替真空电子的技术变革造就了一个新日本,同时,它也带动了今天IC、IT产业的集成电路、网络通讯、计算机等领域的发展。

 21世纪前20年,是发展纳米技术的关键时期,纳米技术将成为第5次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前,纳米技术已经成为全世界非常关注的技术,纳电子代替微电子,纳加工代替微加工,纳米材料代替微米材料,纳米生物技术代替微米尺度的生物技术,这已是不以人的意志为转移的客观规律。只有认识它、发展它,才有可能在未来经济竞争的格局中占据有利地位。

 之所以把纳米技术称为21世纪的主导技术,主要是基于以下几个方面:

 1.从信息技术及其产业发展来看,计算机技术从20世纪70年代开始,每5—7年都有一个大变化。一是每18个月单位面积存储信息量要增加一倍,而且价格更便宜;二是计算机每隔5—7年尺寸要缩小10倍,价格便宜10倍,同时计算的速度提高10倍。1998年,美国明尼苏达大学率先研制出量子磁盘,已经进入市场,2005年将创造400亿的产值。一个量子磁盘只有100纳米大小,完全是纳米阵列,它的存储密度是465G,相当于1011,我们现在磁盘是106,一个量子磁盘相当于我们现在的磁盘10万个到100万个。这样一个器件,就要用纳米材料,在纳米尺度内加工。

 2.从生物技术及其产业发展来看,在人类测定出基因组排序以后,我们对遗传疾病、疑难病症又有了新的认识,而且利用基因排序,可以进行医药、医疗方面的研究。目前,基因芯片研究已经进入实验室,生物芯片组装就是用纳米技术,而生物酶也是纳米尺度,这些研究对象是纳米生物学研究内涵之一,下一步生物技术的发展,就要和纳米技术相结合。譬如为什么病毒顽固,现在没有一种药物能治疗,就因为它非常小,用纳米结构组装一种寻找病毒的药物后,艾滋病、病毒性感冒等都可以治疗,2003年以后这将成为又一个研究热点。生物技术,包括生物制药等相关产业发展应用纳米技术已是刻不容缓。

 3.从下一次工业革命的特点来看,节约资源、节约能源、净化环境是下一次工业革命的必然趋势。在下一次工业革命中要想节约资源、能源,就要用纳米尺度的材料做成器件,它的特点是工具小、节省材料、能耗低。纳米技术在新的工业革命当中将发挥重要的作用。

 4.从纳米产业未来的市场发展来看,世界各国正在纷纷抢占纳米产业这个巨大的市场。对未来纳米材料所创造的产值,德国早在1997年就预测:2000年全世界纳米技术和相关产业产值为3700亿马克。实际上,2000年是3700亿美元,比预测高出2倍,而且主体纳米材料产业贡献比较大;2005年是7800亿马克;到2010年要达到22000亿马克,按当时比价可达14400亿美元,相当美国现在的GDP。在这个市场中,美国要占据一半,理由是现在美国GDP为8万亿美元,几乎也是接近全世界的一半。近年来,美国、日本、德国加大了对纳米技术研究的投资力度。1997—2000年,美国是1.9亿美元,还不如日本多,日本1.98亿美元,但是在2000年,美国在这方面的研究投资增加了一倍,达4.98亿美元,尽管日本经济不太景气,仍投入了4.2亿美元,德国决策投资3.7亿美元。我国也十分重视在这方面的投入,2000年,朱镕基总理接见中国科学院副院长白春礼院士时说,中国也要投资5亿人民币,5年累计投入25亿来发展纳米技术。今年1月18日,国家纳米科技协调指导委员会成立,组织专家起草了中国纳米科技发展纲要。《纲要》提出:除了支持现有项目外,还要开展若干个纳米专项研究,建立两个技术平台、若干个核心实验室,要在全国布局若干个纳米技术工程示范中心,建立若干个示范产业,而且要辐射若干个相关产业

本文来自纳米技术网,纳米专家说系列。

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