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國內外納米材料研究的新進展


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一、國際納米科技發展態勢和特點

    納米材料制備和應用研究中所產生的納米技術很可能成為下一世紀前20年的主導技術。美國科學技術委員會,2000年3月向美國政府提出報告,把啟動納米技術的計劃,看作是下一次工業革命的核心。世紀之交世界先進國家都從未來發展戰略的高度,重新布局納米材料研究。納米材料誕生10多年來所取得的成就及對各個領域的影響和滲透一直引人注目。進入90年代,納米材料研究的內涵不斷擴大,領域逐漸拓寬。一個突出的特點是基礎研究和應用研究的銜接十分緊密,實驗室成果的轉化速度之快出乎人們預料,基礎研究和應用研究都取得了重要的進展。它是當今新材料研究領域中最富有活力,對未來經濟和社會發展有著十分重要影響的研究對象。

    從1999年開始,美國政府決定把納米技術研究列入21世紀前10年的11個關鍵領域之一,《美國商業周刊》在掌握21世紀可能取得重要突破的3個領域中就包括了納米技術領域(其它兩個為信息科學和技術、生命科學和生物技術)。即使是信息技術和生物技術在21世紀內涵也要發生變化,這二個重要領域的發展也必須和納米技術相結合,推動技術全面升級。如下一代的超高密度存儲、器件的超小型化、單電子器件、自旋器件和隨穿器件的問世;生物芯片技術進入生物體內工作的超小型機器人、超微型生物傳感器都是以納米技術為基礎才有發展的機遇。布什總統上臺以來,比克林頓時代更重視發展納米技術,并制定新的目標,到2010年美國要培養80萬真正懂納米科技的人才,要提供200萬個新就業機會,要使美國納米技術對GDP的貢獻達到10000億美元。美國從2000年開始,政府對納米技術的投資逐年增加,2001年為5.7個億,2002年為6.3個億,預計2003年為7.1個億。美國白宮之所以在21世紀初如此重視發展納米技術,其原因有兩個方面:一是德科學技術部和其它權威部門預測到2010年,估計能達到2萬億美元,美國試圖在這樣一個誘人的市場中占有一半的份額。美國基礎研究的負責人威廉姆斯說:納米技術未來的應用遠遠超過計算機工業。美國白宮戰略規劃辦公室還認為納米材料是納米技術最為重要的組成部分。在《自然》的報道中還特別提到美國已在納米結構組裝體系的高比表面納米顆粒制備與合成方面領先世界的潮流,在納米功能涂層設計改性及納米材料在生物技術中的應用與歐共體并列世界第一,納米尺度的元器件和納米固體也要與日本分庭抗禮。1999年7月,美國加尼福尼亞大學洛杉機分校與惠普公司合作研制成功100nm芯片,2002年3月7日在美國硅谷正式建設一條納米鋅片生產線,從實驗室的研究成果,經過二年的努力,就實現了規模生產,轉化速度之快令人吃驚。美國明尼蘇達大學和普林斯頓大學于1998年制備成功量子磁盤,這種磁盤是由磁性納米棒組成的納米陣列體系,10-11bits/in2,美國商家已組織有關人員迅速轉化,預計2005年市場為400億美元。1988年法國人首先發現了巨磁電阻效應,到1997年巨磁電阻為原理的納米結構器件已在美國問世,在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫磁頭將有重要的應用前景。最近美國柯達公司研究部成功地研究了一種既具有顏料、又具有染料功能的新型納米粉體,預計將給彩色印像帶來革命性變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統產業和產品注入新的高科技含量,在未來市場上占有重要的份額。2002年美國科學進展正式發布消息,經過科學家們的努力,分子結構和納米結構器件和線路的研究成果已基本接近或達到工業界要求的水平,美國康乃爾大學和密歇根大學以成功的制備了近入血管的機器人,利用激光和單壁碳管技術解決了機器人的動力,發展了微軸承、微齒輪、微連桿和微傳感器一體化的組合技術;值得重視的是美國正在研發新的機器人,通過與生物酶相配合,可以從人體實物鏈獲取能量,維持生物體內機器人的正常工作。加拿大多倫多的科技人員以C60為載體,高聚物為過渡層,外包覆生物蛋白和抗病毒的藥物,并以納米硒為靶向,制備了新型抗愛滋病的藥物,這些成果都顯示出納米技術的魅力。權威人士估計納米技術比原預計提前到來5年~6年,納米時代正在向我們大踏步走來。納米材料和技術領域是知識創新和技術創新的源泉,新的規律新原理的發現和新理論的建立給基礎科學提供了新的機遇,美國計劃在這個領域的基礎研究占有絕對優勢地位。

  在富有挑戰的21世紀,世界各國都對富有戰略意義的納米科技領域予以足夠的重視,特別是發達國家都從戰略的高度部署納米材料和納米科技的研究,目的是提高在未來10年乃至20年在國際中的競爭地位。日本國會正式提出要把發展納米技術作為日本國特別是前20年的“立國之本”,重振日本經濟。最近又出臺了一系列發展納米技術的戰略規劃,日本一些大的公司,如日立、三井物業、三菱化工、五田藥業、松下、東芝等今年以來紛紛制定了二年內發展納米實用化技術的計劃,十分重視從IT產業切入,加速納米技術的發展。韓國在漢陽大學成立了納米技術研究院,并與三星公司合作,共建納米科技中心,以顯示技術為主體,全面發展納米技術,力爭在這領域做出二、三項領導世界潮流的新產品。最近以成功制備了1m´0.5m的以碳管為場發射主體材料平板顯示器。臺灣地區僅工研院今年獲得了50億新臺幣的科研經費用于發展納米技術,要以IT產業為突破口,帶動應用納米技術的發展,以繼續保持臺灣在微電子時代IT產業的優勢。德國、英國、法國、瑞典、加拿大、澳大利亞、墨西哥等國家都根據國際納米科技發展的最新動態,重新制定了納米科技的發展戰略。從各國對納米材料和納米科技的部署來看,發展納米材料和納米技術的戰略是:(1)以未來的經濟振興和國家實際的需求為目標,牽引納米材料的基礎研究、應用開發研究;(2)組織多學科的科技人員交叉創新,做到基礎研究、應用研究并舉,納米科學、納米技術并舉,重視基礎研究和應用研究的銜接,重視技術集成;(3)重視發展納米材料和技術改造傳統產品,提高高技術含量,同時部署納米材料和納米技術在環境、能源和信息等重要領域的應用,實現跨越式的發展。根據國際納米科技的發展趨勢,應把重點放在納米技術的實用化方面,以推動生產方式的變革和生產力的高速發展,為經濟繁榮作貢獻,并以此來帶動納米科學技術的基礎研究。

二、國內納米科技研究的現狀

  國內關于納米材料和技術的研究,也取得重要的進展。為了使我國納米材料和技術研究走向世界,在國際上占有重要地位,搶占國際市場,從前瞻性、戰略性、基礎性來考慮,應該合理布局納米材料、基礎研究和應用研究,要重視納米技術的創新。納米技術內涵廣泛,從材料的角度,納米技術包括納米材料的制備技術、納米顆粒表面的控制、改性和修飾技術,以及把納米材料應用到各個領域和各種產品上的關鍵技術。

    近年來,我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果,引起了國際上的關注。大面積定向碳管陣列合成:利用化學氣相法高效制備純凈碳納米管技術,用這種技術合成的納米管,直徑基本一致,約20nm。長度約100mm,納米管陣列面積達到3mm×3mm。其定向排列程度高,碳納米管之間間距為100mm。這種大面積定向納米碳管陣列,在平板顯示和場發射陰極等方面有著重要應用前景。今年,中科院物理所和長春物理所合作,以納米碳管為發射源,制備了2英寸場發射動態掃描顯示屏,為設計新型場發射平板顯示器件奠定了基礎;超長納米碳管制備:首次大批量地制備出長度為2-3mm的超長定向碳納米管陣列。這種超長碳納米管比現有碳納米管的長度提高1-2個數量級;氮化嫁納米棒制備:首次利用碳納米管作模板成功地制備出直徑為3-40nm、長度達微米量級的發藍光氮化鎵一維納米棒,并提出了碳納米管限制反應的概念。該項成果被評為1998年度中國十大科技新聞之一;硅襯底上碳納米管陣列研制成功,推進碳納米管在納米器件方面的應用;準一維納米絲和納米電纜:應用溶膠凝膠與碳熱還原相結合的新方法,首次合成了碳化鉭(TaC)納米絲外包覆絕緣體SiO2、TaC納米絲外包覆石墨、GaN外包BN、和GaN外包SiO2納米電纜,還合成了以SiC納米絲為芯的納米電纜,當前在國際上僅少數研究小組合成這種材料,近年來Si3N4、SiO2和InN3納米線也是我國科技工作者率先合成的。在軟化學方法合成準一維納米半導體材料,我國科技工作者也做了有顯示度的工作;用苯熱法制備巖鹽相納米氮化鎵微晶:發展了溶劑熱合成技術,首次在300℃左右制成粒度達30nm的氮化鎵微晶;還用非水熱合成法,制備了金剛石納米粉。發表在1998年的《科學》雜志上。美國《化學與工程新聞》雜志還發表題為"稻草變黃金-一從四氯化碳(CCl4)制成金剛石"一文,予以高度評價;仿生超雙疏納米結構二元協調界面的設計與合成技術有新的突破:合成了大面積類荷葉結構的超雙疏納米碳管薄膜,論文發表在國際著名的應用化學刊物;有序納米結構微陣列的制備技術有新的推進:納米線微陣列合成質量顯著地提高,掌握了在納米孔洞內生長單晶納米線的基本條件,首次合成了納米In2O3、GaO、Bi納米微陣列,研究了納米Bi線微陣列的磁學性質和導電特性,受到了國外同行的重視,其中納米硅單晶微陣列高分辨點陣線的研究很有特色。

    在體材料巨磁電阻研究領域,中國也做出了有顯示度的工作。在Zn0.5+yFe2.5-yO4/a-Fe2O3的結構中發現了低場巨磁電阻效應:在磁場為0.5個特斯拉,溫度為4.2K時這種復相材料的磁電阻高達1380%。這屬于首次發現,并對機理進行卓有成效的討論。

    最近我國科學家又成功地合成了直徑最小的碳納米管;還發現了納米金屬銅的超延展性。在"八五"研究工作的基礎上初步形成了幾個納米材料研究基地。無論從研究對象的前瞻性、基礎性還是成果的學術水平和適用性來分析,都為我國納米材料研究在國際上爭得一席之地,促進我國納米材料研究的發展,培養高水平的納米材料研究人才做出了貢獻。在納米材料基礎研究和應用研究的銜接,加快成果轉化中也發揮了重要的作用。制備包括金屬、合金、氧化物、氮化物、碳化物、離子晶體和半導體等多種納米材料和納米復合材料。近年來,根據國際納米材料研究的發展趨勢,建立和發展了制備納米結構(如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、MCM-41等)組裝體系的多種方法,特別是自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長、介孔內延生長等也積累了豐富的經驗,已成功地制備出多種準一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進一步研究納米結構和準一維納米材料的物性,推進它們在納米結構器件的應用奠定了良好的基礎。納米材料和納米結構的評價手段基本齊全,達到了國際90年代末的先進水平。

    當前納米材料應用開發正處于一個千載難逢的大好時機,挑戰嚴峻,但也充滿了機遇。納米材料應用開發合作應做到三個結合:一、納米技術和傳統技術相結合;二、納米專家與各領域技術革新專家相結合;三、納米專家與企業家相結合。這種做法是開發納米材料和技術新產品,進入市場十分重要的措施。納米材料和技術領域新產品的創新必須以市場為導向、需求為索引,要十分重視納米材料向各個領域的應用技術的創新,開拓納米材料產品的市場,帶動上游納米粉體技術的創新,必須明確納米粉體的應用目標,以市場為推動力,帶動納米技術的成熟。

    到目前為止,我國已建立納米材料和技術的生產線10多條。納米復合、塑料、橡膠和纖維的改性、納米功能涂層材料的設計和應用、納米材料在能源和環保等方面的應用開發已在我國興起。以納米材料和納米技術注冊的公司有三百多個,企業家對納米材料和技術的關注和介入,為納米技術產業的形成注入了新的活力。在富有挑戰的21世紀,一批新興的納米技術產業一定會嶄露頭角,為我國國民經濟可跨躍的發展做出新的貢獻。

    三、發展我國納米科技的基本策略和建議

    面對國際納米科技快速發展的新形勢,我們必須重新思考發我國發展納米技術的總體戰略,要充分認識到發展納米技術是關系到我國在未來政治經濟競爭格局中的地位,只有把認識提高到這樣的高度,才能積極的制定適合我國國情的發展納米技術上戰略規劃。

    我國發展納米技術的指導思想是:納米材料和技術蘊藏著巨大的潛力,為傳統產業升級帶來新的商機,為高科技產業注入新的活力。腳踏實地的有效運用和開發納米材料和技術,將為我國國民經濟的增長帶來不可多得的機遇。

1. 結合國家的戰略需求,重點在能源(石油開采和煤的綜合利用),環境和水處理、醫藥健康和新材料等領域加快發展納米技術,促使這些領域在技術上實現跨越式的發展。

2. 納米技術向傳統產業切入,調整產品結構,注入高科技含量,為實現我國傳統產業升級,促進GDP的增長做出貢獻。

3. 向高科技產業滲透,要抓住信息領域中產品升級對新材料需求的機會,開發納米材料和技術。

我國發展納米產業的目標是:在5年到10年的時間,建立十到二十個國家級納米技術工程中心,成為我國發展納米實用化技術的創新源頭。通過技術轉移,為我國納米技術產業成為新經濟增長點奠定基礎,力爭在10年內,在全國建立十個到二十個納米技術骨干產業。

    主要任務和優先發展的領域是:近期重點發展納米材料和技術的實用化,部署應用和基礎研究加快進入市場的步伐。要貫徹政府引導和市場競爭相結合的方針,重視調動社會的積極性,多渠道籌措資金,發展多種納米技術。重點解決納米材料產業化中的粉體分散、生產過程中的環保以及應用中的高成本等問題,在帶有共性的關鍵納米技術方面要擁有自主知識產權,推動我國納米產業的快速發展。應重點發展的領域:納米材料在石油開采中的應用技術、煤燃燒綜合利用的納米材料和技術、納米材料和技術在水處理上的應用、特種納米材料產業。這包括納米碳管、納米稀土材料、高含能納米材料、納米硅及其化合物粉體、天然納米材料改性的工程塑料和橡膠產業、納米電子陶瓷基料和添加材料的產業、納米功能涂層、納米建筑涂料和納米固體潤滑產品產業。還要注意在信息產業、醫藥衛生和生物技術產業發展和應用納米技術。



    為了使我國納米科學技術健康快速發展,必須采取有力的措施,推動我國納米科學技術的繁榮。當前急需要做的幾件事情是:

1. 媒體要全面正確宣傳納米材料和技術的科學內涵,糾正亂用和炒作納米概念的不正之風,提倡各領域專家協同創新,促進納米技術向各個領域交叉滲透。

2. 建立納米技術實用化和產業化基金,加大對納米技術和產業發展的資金扶持力度。形成政府、企業、金融部門、社會等多面的投資渠道,支持納米產業的發展。制定優惠稅率、貸款貼息等相關政策,引導企業、金融部門、風險投資機構及社會閑散資金投入到納米技術和產業的發展中。

3. 建立一批從事納米技術研究和產業化開發的重點實驗室和工程技術研究中心,并與納米產業掛鉤,增強納米產業發展的動力。

4. 建立國家級納米技術產業認定、評價中心和納米技術產品標準制定中心。負責和指導納米技術的行業標準和產品標準。

5. 制定納米產業核心技術自主知識產權的保護措施,鼓勵申請國際發明專利,并予以適當財政補貼。

6. 成立非常設納米產業發展指導協調委員會和咨詢專家組,對全國納米材料和技術的發展進行宏觀咨詢、指導和協調。

7. 建議成立國家納米技術學會和國家納米產業協會,促進納米技術的交流,推進納米產業健康發展。

8. 從現在開始要特別重視納米技術人才的培養,教育部門要把納米科學和技術作為重要的學科加強建設,傳統學科領域要注意與納米科學技術相結合,充實納米科學技術的內涵,使傳統學科的知識與國際前沿接軌。
(作者:張立德研究員 中國科學院固體物理研究所)
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