中科院白春禮：跑步前行的中國納米研究

白春禮 中國科學院常務副院長、國家納米科學中心主任

 

[科學時報易蓉蓉張巧玲報道]『十五』期間，由我國研究人員撰寫的與納米科技有關的論文數以年均30%左右的速度增長。近年，美國《科學引文索引》核心期刊發表論文數統計顯示，中國納米科技論文總數已位居世界前列，其中不乏在《科學》和《自然》等世界著名科技期刊上發表的研究結果。

 

這是記者從2007中國國際納米科學技術會議(ChinaNANO2007)上獲悉的。從這些數據中不難看出近年來我國納米科技發展的活躍態勢。為詳細了解中國納米科技研究的具體情況，《科學時報》記者特別采訪了中國科學院常務副院長、國家納米科學中心主任白春禮。

 

 

『現在，整個國家的納米科技研究處於一個活躍、有序和快速發展的態勢。』白春禮欣慰地對記者說。

 

白春禮介紹，2001年，科技部、國家計委、教育部、中國科學院和國家自然科學基金委員會等單位聯合成立了全國納米科技指導協調委員會，統籌規劃全國的納米科技研究方向。在2001年7月聯合下發的《國家納米科技發展綱要》中提出，今後5?10年，我國納米科技發展的主要目標是：在納米科學前沿取得重大進展，奠定發展基礎；在納米技術開發及其應用方面取得重大突破；逐步形成精乾的、具有交叉綜合和持續創新能力的納米科技骨乾隊伍。在這份發展計劃中還規劃了建立全國性的納米科技研究發展中心和以企業為主體的產業化基地，以促進基礎研究、應用研究和產業化的協調發展。2006年初，國務院制定的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》將納米科學列入了這段時期內基礎科學研究的4個主要方向之一，將納米材料和納米器件作為發展先進材料的重點目標。與納米技術相關的重點研發項目有：納米電子學和納米生物學的核心技術；新功能材料的研發及工業化；發展亞微米尺度上的微納電子機械系統。

 

國家的規劃帶來了全國納米科技研究熱。據不完全統計，目前，國內已有50多所大學，中國科學院的20多個研究所，300多家企業在從事與納米科技相關的研發，並有一支來自研究所、大學和企業的3000多人的研究隊伍。

 

『隨著納米科技研究領域取得的一系列實質性進展，對由學術界和工業界組成的具有技術孵化功能的多學科交叉研究平臺的需求變得更為強烈。』因此，白春禮說，中國建立了若乾跨學科研究中心，通過資源的共享，促進和加強從事不同領域研究機構之間的合作。在北京成立的國家納米科學中心和在上海成立的國家納米技術工程中心都是對跨學科合作研究和促進技術轉化的重要補充。

 

『此外，與國際學術界和工業界間的交流與合作也促進了我國的納米科技發展。』白春禮介紹，在過去的16年中，我國已主辦了幾十個有關納米科技的國際國內會議，如2005年6月召開的『ChinaNano 2005』吸引了來自國內外的1000多名科研人員參加。其他合作形式包括雙邊專題討論會、共同研究項目等。2006年，僅德國BASF公司就與中國的35個大學和研究單位簽署了51個有關大分子材料、工業催化劑研究、納米技術和生物技術的研究課題。此外，還有國家納米科學中心和日本三菱公司以及德國Merck公司合作發展復合材料的項目；2005年，北京化工大學和新加坡納米材料技術公司共建的納米技術研究中心正在與BASF、3M等國際著名公司開展合作研究。

 

 

采訪中，白春禮著重介紹了中國研究人員在納米科技的基礎研究方面取得的一系列重要進展，這些進展主要體現在納米材料、納米結構的檢測與表征、納米器件與加工技術、納米生物效應等領域。

 

以納米材料為例，中國對功能性納米材料的研究一直給予高度重視，在碳納米管的制備、納米塊體金屬合金和納米陶瓷體材料制備和力學性能、介孔材料的可控合成領域、納米有機材料及高分子納米復合材料等方面取得了世界上有影響的前沿研究成果。中國科學院化學研究所不僅在高聚物插層復合、分子電子學、富勒烯化學與物理以及二元協同納米界面材料方面獲得顯著進展，還發展了具有自主知識產權的技術，有些已開始走向產業化。最近，廈門大學和國外合作采用一種新的電化學方法，首次制備出具有高表面能的二十四面體鉑納米晶粒催化劑，顯著提高了鉑納米催化劑的活性和穩定性，在能源、催化、材料、化工等領域具有重大的意義和應用價值。

 

在納米結構的檢測與表征方面，中國科學技術大學的研究人員在表面吸附單分子的研究中精確測定了硅表面C60單分子的吸附取向和電子狀態，為設計構築分子器件提供了一些基本數據。最近，侯建國院士和朱清時院士領導的課題組利用STM誘導了分子的化學結構變化，觀察到由單個磁性分子所引起的近藤效應，成功實現了對單分子自旋態的控制。

 

納米科技的一個最重要的應用方向是發展基於新原理的納米尺度功能器件。白春禮介紹，納米器件與加工技術方面，中國在對量子電子器件的探索、有機超高密度信息存儲器件的基礎研究等方面都取得了重要成果。像中國科學院化學所有機固體實驗室，不僅在利用有機半導體材料制備微納場效應晶體管的研究方面取得許多重要的研究成果，並申請了多項發明專利，最近他們還采用晶核原位外延的方法得到了緊貼氧化硅基板生長的取向控制的有機半導體單晶納米帶，得到了平行的、交叉的等各種基於有機半導體單晶的納米復雜結構，為進一步開展有機半導體單晶納米電路的研究打下了基礎。如何實現單壁碳納米管的管徑與手性控制，是其能否應用特別是在未來納米電子器件中應用的瓶頸問題。

 

最近，北京大學科研人員通過有效調控化學氣相沈積生長單壁碳納米管的生長過程，在其手性調控生長方面取得突破。這也是從單一催化劑粒子出發制備異徑單壁碳納米管的首次報道。

 

納米生物效應也是近年中國納米科技研究的一個熱門領域。上海硅酸鹽所的研究人員發現一種幾百納米大小的顆粒可以在外磁場的引導下在血管中承載和輸運藥物到指定區域再可控釋放，這將大大提高藥物的療效並降低毒副作用。與此同時，中國科學院高能物理研究所、生物物理所和軍事醫學科學院正在合作開展有關富勒烯和納米顆粒的毒理研究。這些研究直接關系到使用納米材料作為藥物載體的安全性，以及大量使用納米粉體材料對環境和人體的影響。

 

『不可能把所有研究成果都一一列舉，但是中國在納米科技研究方面的成果確實讓人欣慰。』白春禮說。

 

 

『不過，也應該看到，中國在納米科技研究方面依然存在不足之處。』白春禮介紹，目前，我國納米材料研究的基礎設施還相對薄弱，納米材料的設計與創新能力不強，自主知識產權不多。在對納米新材料的物性檢測和表征以及納米器件的探索方面，我國的研究工作受條件所限，研究力量比較薄弱。國內的研究工作主要集中在北京大學、清華大學、復旦大學、南京大學和中國科學院等研究基礎相對較好、設備設施相對齊全的高等學校及科研院所。雖然我國已有約1000餘所大學和研究機構發表了與納米科技有關的論文，但是絕大多數研究成果僅來自20多所著名的大學和研究單位，工業界對納米科技研發的重視程度還亟待加強。

 

『為了真正使納米技術轉化為生產力，我國應加大納米材料產業化的投入，尤其要注重納米科學的工程化研究和納米材料的應用研究，鼓勵在產業化方面有基礎和經驗的研究單位與其他研究單位聯合，或研究單位與企業聯合。』白春禮介紹，國家也在不斷加大對納米器件基礎研究的投入力度，改善現有實驗設備與研究條件。不過，要使中國納米科技向前發展並更具有競爭力，需要鼓勵各研究單位開展合作研究，優勢互補，多學科聯合攻關。

 

『另一個需要提及的重要方面是納米標准的制定。』白春禮說，由於納米科學技術是一門新興的綜合性學科，社會公眾對納米科技的認識並不全面，社會上存在著對納米科技概念的某些誤解，甚至出現了偽納米產品，這提醒我們需要盡快制定納米技術和納米產品的相關標准。

 

事實上，世界各國現在都缺乏納米檢測技術和方法的規范與標准。由於檢測納米材料的儀器設備基本分布在科研型的研究院所和高等院校，主要為科研服務，儀器操作人員個體的實驗步驟不能被認為是標准的檢測方法；同類儀器由於生產廠家不同，檢測方法也不完全相同；納米研究與檢測中涉及了許多未知過程和現象，現有的檢測技術難於滿足納米檢測的需要，也很難用傳統的術語和定義進行解釋。這些因素給開展實驗室間的比對實驗帶來較大的困難。另一方面，對用於同一類儀器的不同儀器之間，或不同類型儀器之間的檢測結果進行比對而采用的標准樣品也相對缺乏。作為納米標准物質，這些樣品需要具有相當高的均勻性和穩定性。

 

『現在，人們研究納米尺度現象的基本工具和對這些現象的理解水平還只是初步的，納米器件的研制水平和應用程度將是人類進入納米科技時代的重要標志。』白春禮指出，要想實現納米技術這一目標，尚有很多基礎科學問題需要解答，包括對分子自組裝的理解、如何構造納米器件、復雜的納米結構系統是如何運作的等。只有在物理、化學、材料科學、電子工程學以及其他相關學科的很多方面得到充分發展的情況下，纔能真正形成一項具體的納米技術。(責任編輯：詹巍)