第2章 国外纳米功能材料发展现状

2.1 纳米功能材料科技与产业规模

2.1.1 纳米科技发展现状

1．纳米技术发展史

1959年12月29日，美国著名物理学家理查德·费曼作了著名的演讲“There is plenty of Room at the Bottom”。他在演讲中作了一个很大胆的预测：我们未来只需要127μm大小灰尘尺寸的原子，就可以把世界所有的书籍里面的信息都储存起来，而这么大的灰尘我们只能勉强用肉眼看见。他提到了微观尺度下移动和控制原子的可能性，并预测了实现这一可能的工具以及实验方法。费曼的演讲是近代科学史上人类首次设想并预测纳米科技。

而真正做到在纳米尺度下观察和操作原子，则要追溯到20世纪80年代。1981年，扫描隧道显微镜的发明标志着人类可以直接观察纳米世界，从而正式打开纳米科技的大门；1989年，美国IBM公司唐·艾格勒博士实现了人类历史上首次使用扫描隧道显微镜操纵原子；四年之后的1993年，中国科学院的科学家们同样操作硅原子写出了“中国”两字，这是世界上最小的汉字。

1984年，德国物理学家H·格兰特教授领导的研究组成功研制出一种黑色纳米金属粉末，并用实验证明任何金属颗粒在纳米尺度时都呈黑色，纳米固体材料随之诞生。1991年，日本NEC公司的饭岛澄男发现了一种重要的纳米材料——碳纳米管。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开，正式提出了纳米生物学、纳米材料学、纳米电子学等一系列概念，从而引发了全世界研究纳米技术的热潮。2000年美国开始实施国家纳米技术计划，次年日本在国家基础技术计划中把纳米列为重点战略学科，标志着全世界范围内大规模研究纳米技术的开始。

纳米材料的研究大致可以分为四个阶段：

第一阶段（1977—1990年）：以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议为标志，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

第二阶段（1990—1994年）：以第二届国际纳米科学技术会议为标志，会议认为纳米科学应该着眼于不同种类纳米材料的具体描述。

第三阶段（1994—2001年）：纳米技术开始遵循人的意愿，用纳米颗粒、纳米丝、纳米管为基本单元组装纳米体系。

第四阶段（2001年至今）：以美国国家纳米计划的开展作为标志，碳纳米管、石墨烯等新型纳米材料的大规模应用研究，标志着纳米技术进入了国家计划研究和快速发展阶段。

2．纳米科技研究现状与科研投入

从20世纪80年代纳米技术兴起至今，纳米学科已经发展为包括由纳米材料学、纳米生物学、纳米医学、纳米化学、纳米电子学等多种方向交叉的新兴学科。在以美国国家纳米计划为首的一系列国家级纳米研发计划促进下，纳米学科已经成为世界范围内最具竞争力的学科之一。

在这20多年的发展中，纳米技术从无到有，其工业和技术应用的可行性与社会重要性已经得到广泛认可。在应用上，纳米产品实现了从单纯利用纳米结构作为材料成分向主动改变纳米结构以及纳米器件的转变。在方法和工具上，单原子以及单分子表征方法已经出现，研究人员已经能以前所未有的方法探测复杂的纳米结构动态特性。同样在安全和可持续发展问题上，新的纳米材料不仅降低了环境危害系数，同时也将帮助人们解决环保问题。

在科研成果方面，图2-2-1列出了2005—2013年在SCI发表的纳米功能材料论文数。可以看出，除了在2009年发表论文数稍有回落以外，每年发表的有关纳米技术的论文数均呈上升趋势。从发表论文的国家分布（图2-2-2）看，美国（981篇）和中国（787篇）发表的纳米技术相关论文最多，日本（390篇）、德国（287篇）、印度（218篇）、韩国（213篇）等国依次位居其后。

在科研投入方面，世界各国都制定了自己的纳米研发战略和经费投入计划。自美国国家纳米技术计划以来，全世界陆续有60多个国家和地区实施了相关的纳米研发投入计划。根据世界前沿技术研究和技术信息供应商Cientifica在2011年发布的报告，当年世界各国政府对纳米技术的研发投资约为100亿美元，且近来年均涨幅达到20%以上，其中美国用于纳米技术的投资为21亿美元。图2-2-3展示了2000—2015年各国纳米技术投资及预测情况。

2.1.2 纳米技术应用潜力预测

从科技发展历史来看，新技术往往需要新材料的支持。随着纳米科技方法和纳米科技产品逐渐渗透到人类生产生活的各个角落，崭新的纳米技术必将在不远的将来改变传统产业甚至是创造出新产业，在未来经济中发挥越来越大的作用，从而极大地改变人类的经济、社会、文化等各种形态发展，其应用潜力不可估量。

1．医疗领域：精确至细胞级别的治愈能力

当今社会现代医学已经进入了一个发展瓶颈区，疾病治疗方法有待新的突破。以最困扰人们的癌症为例，传统的放、化疗方法在治疗的同时也在严重伤害着人的身体健康，目前没有更好的方法代替放、化疗，其最主要原因就是癌症细胞的隐蔽性和易扩散性。利用纳米技术的微观优势，科学家们已经研制出“纳米生物导弹”，可以将抗肿瘤药物连接到磁性超微粒子上，从而定向射到癌细胞上以实现准确治愈的效果。除此以外，科学家们甚至预测可以使用纳米技术对人体细胞进行基因修复，从而达到根治某些遗传病的目的。运用纳米技术，同样也可以协助人体细胞自我修复，纳米级改进植入组织表面，可以预防移植后的排斥反应。治疗心血管疾病的纳米机器人同样也可以进入人的血管和心脏中从而完成目前尚不能做到的血管修补。纳米技术的发展，在提高人类健康水平和生活质量方面拥有不可限量的潜力。

2．机械制造领域：制造更精细的材料零件

随着机械技术的不断发展，具有较高误差的传统宏观制造工艺已经越来越不能满足市场的需求。传统宏观技术由于还局限于宏观观测层面，提高材料的制备精度受到了很大的限制。而纳米技术的发展让人类具备直接从原子层面观察、测绘甚至改造物质材料基本结构的能力。如今人们已经能够做到小范围内直接控制原子排列：IBM公司在20世纪80年代用扫描隧道显微镜操控氙原子排列成字母；1993年中国科学院科学家通过移动单个硅原子写出世界上最小的“中国”二字。随着纳米技术持续发展，未来人们可以进一步控制纳米颗粒的尺寸、表面、形状和微型结构，从而使制备出的材料更加精细。届时，精细度达到原子大小的机械零件也并非不可能。更精细的材料、细致的机械结构，伴随而来的可能是前所未见的机械新特性。

3．电子产品：更加微型快速化发展

目前，工业级半导体芯片的加工尺寸已经达到纳米级别。以Intel公司为例，2013年推出了基于16纳米制造技术的P1272芯片。考虑到在这个级别尺度下量子效应越来越大的影响，传统芯片制备工艺已经接近了设计极限，更小尺寸的芯片由于量子效应的影响，已经很难获得应有的性能。因此，改变传统芯片，为其设计新种类的零件也成为电子流域的难题之一。这需要着重研究纳米尺度的物理学，随之而来的纳米电子学着重于微观领域，使用纳米理论改造微电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息能力。而未来采用纳米技术发展的新型微型晶体管和存储器芯片将使计算机的速度和效率在现有基础上再提高几个数量级，在不远的未来计算机信息采集和处理能力必将得到革命性的突破。

目前，人们利用纳米电子学技术已经成功研制出各种新型纳米电子器件，其中最为突出的是石墨烯和碳纳米管，纳米技术在电子产品领域有很好的应用前景。

4．军事领域：更加强大的国防能力

纳米材料的优良性能使其在军事领域同样也能大显身手。相同体积的纳米材料对比一般材料，其强度和韧性均有很大的提高。以碳纳米管为例，与钢筋材料相比，抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，并且同样也具有较好的稳定性。因而纳米技术的发展会使得科学家与工程师设计出强度更高、质量更轻、稳定性更好而又廉价的纳米材料，应用于武器、基站等军事设施的建造。纳米技术的应用必将导致未来军事和战争形态的全面改变，不仅仅是军事材料的变革，纳米微型机器的研究将使未来战争格局向微型化、快速化发展。

随着我国经济的不断发展，国防的投入也在不断加大，2014年我国国防经费达到了1320亿美元。而我军新阶段离完全信息技术化还有很大差距。未来十几甚至是几十年内，纳米技术在我国国防事业有着深远的市场潜力。

作为21世纪的关键技术之一，纳米技术已经并且正在以空前的影响力改变着人类的生产和生活方式，其应用和市场潜力不可估量。