作者:倪伟波/整理 来源: 发布时间:2017-10-12 18:28:7
用纳米丈量未来

 
58年前,美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主Richard Feynman曾憧憬:试想如果有一天,人们可以按自己的意志来安排一个个原子,将会产生怎样的奇妙景象?
 
这是对纳米时代和纳米科技的最早预言。
 
而如今,机器已能将DNA分子链穿过纳米级宽的孔来进行基因组测序,防晒霜里已有纳米陶瓷粒子帮助阻挡有害紫外线,制造计算机芯片的晶体管也只有10纳米大小……而这一切都是很平常的事。
 
作为最具突破性的战略性前沿技术之一,纳米科技已在材料、医疗、环境等领域引起颠覆性改变。今天,越来越多的国家和地区对纳米技术的发展信心增强,并将纳米技术列入促进国家经济发展和解决重要问题的关键技术领域。
 
就中国而言,科研产出和专利申请数量的迅速增长,都描绘出中国纳米科学发展的美好前景。不论是传统的强项学科,还是新兴领域,中国的纳米科学都表现出巨大的潜力。然而展望未来,中国纳米科技的发展仍是机遇与挑战并存。
 
立足优势 乘势而上
 
在中国经济持续增长以及政府大力扶持和倡导科技创新的前景之下,中国的科技投入,尤其是对纳米科学和技术的投入有望继续增加。
 
中国政府各部委和相关机构已制定了科研计划,为纳米科学和技术提供持续的经费支持。这包括了科技部、教育部和国家自然科学基金委员会等中国主要的科研经费资助机构。最近5年,仅教育部就为各高校拨付了逾5亿元的纳米科研预算资金。中科院也启动了纳米先导专项,投入了约10亿元。
 
依据当前中国纳米技术的发展,业内专家们认为,催化技术和纳米催化材料、纳米能源以及纳米医药等是最具发展前景的领域。其实,专家们指出催化技术和纳米催化材料是中国最有发展前景的纳米科学领域并不出人意料,因为中国在该领域已拥有丰富的专业知识。
 
以纳米结构为基础的催化剂能够加快化学反应,因此在化学或化工产业及炼油行业有广阔的应用前景。例如,中国科学家最近研发了一种新的双功能催化剂,能将煤气化产生的合成气直接转化为低碳烯烃生产塑料等材料的重要原料。工业需求的不断增长会继续推动纳米催化剂的发展,因此中国有望继续在该领域保持领先优势。
 
能源的重要性和发展可再生能源的必要性已被广泛认可,尤其是在中国,日益突出的环境问题已引起了政府的高度重视。中国致力于长期投资新能源的研究,这为中国纳米能源的发展带来光明前景。
 
据专家介绍,太阳能产业的上游在中国,这为做新能源研发的科研人员带来丰富资源,有利于他们挖掘源头。由于中国政府具有强大的资源调动能力,因此在开发纳米能源技术和推广可再生能源方面,中国比美国更有优势。
 
不仅如此,中国某些领域的纳米能源研究已引领世界,尤其是锂离子电池的开发。最近,一个中国研究团队发明了一种折叠式氧化石墨烯薄膜设备,能利用太阳能淡化盐水,淡化过程中的热量损失被降到最低,效率很高。中国还有许多研究团队正在为开发低成本、高效率的钙钛矿太阳能电池作出重要贡献。
 
与能源一样,健康和医药与每个人的日常生活息息相关,这使纳米医药成为一个新的充满潜力的领域。而中国巨大的人口基数也为临床研究提供了大量案例和病人,这有助于促进纳米医药的转化研究。
 
而且将纳米材料用于药物传送,以及纳米粒子用来制成治疗药物,其潜力也不可小觑。此外,专家们还对纳米技术在医疗器械和医学成像上的应用前景寄予厚望。
 
然而,与西方一些发达国家相比,中国的基础生命科学研究和生物医学研发仍较为薄弱,生物医学专业知识的缺乏限制了纳米医药的发展。
 
目前中国从事纳米医药研究的科学家大多拥有化学或材料科学背景,但动物模型和临床研究的经验相对有限。不过,中国政府已对生命科学和生物医学进行大量投入,这些领域的高质量研究产出正在迅速增加。
 
应对竞争 提升科研影响力
 
无论是科研产出总量还是影响力的科研产出,中国都是当今世界纳米研究的主要贡献者,并遥遥领先,这一成就主要是建立在化学和材料科学的传统优势之上。同时,中国也在纳米科学应用于生物技术方面逐渐发展新的优势。但如此快速的发展也不可避免地面临着挑战。
 
据《中国纳米科学与技术发展白皮书》调查显示,如何加强纳米科研成果的应用被认为是中国纳米科学发展所面临的最大挑战之一。如何平衡基础研究与应用研究,如何让产业界更多地加入到基础研究中来,将是中国未来需要着力解决的问题。
 
“相对来说,我们国家对基础性纳米科学研究提供的支持还是很充裕的。”一名研究人员表示,“但是对应用研究的投入还是不够。”这里所说的应用研究是指以产品商业化为目标的研发工作。
 
在一些研究人员看来,这类应用研究要比基础性纳米研究耗费更多的资金,一项产品或技术的产业化,或生产规模的相应提高可能需要数十亿元。“企业在产品研发和商业化方面占有优势,他们应该参与进来。”另一位研究人员表示,“他们(企业)作为纳米技术开发和应用的重要参与者,应受到鼓励在研发上有更大的投入。”
 
目前,产业部门在一定程度上参与了进来。许多纳米科研人员频繁与企业开展合作,也有越来越多的企业愿意与大学或研究机构的科学家合作,为他们提供科研资金并一起研发新技术或产品。有些企业还大力投资研发,建立了自己的研究部门。
 
但这远远不够。中国纳米科学的产业合作程度(以与产业界人士合著的论文所占比例来看)虽然在逐年提高,但与其他科研大国相比,仍旧较低。就像一位纳米科研人员所说:“政府需要进一步鼓励企业的研发工作,并优化有利于科技成果产业化的机制。”
 
当然,强调纳米科研成果的应用,并不是说不应当继续去大力支持那些好奇心驱使的研究,尤其是这类研究常常能够带来意想不到的、改变世界的发现。因此,当强调以应用为重心的科技创新时,保持基础研究和应用研究之间的平衡就显得尤为重要。
 
世界上大多数意义深远的创新都源于基础科学的发现。然而,中国在真正的创新研究方面仍相对落后。正如一位研究人员所言,“创新的种类有很多。中国研究者可能善于从1走到10(的创造发明),但从0到1的突破仍十分罕见,这对我们来说仍是一大挑战。”为了实现从0到1,给真正的创新打好基础,中国还需要有更多高质量的基础研究。
 
加强合作 助推青年人才
 
虽然纳米科学由物理学家和化学家创立,但它已逐渐演化成一种在本质上具有跨学科、广泛性、合作性特点的科学领域,其发展速度取决于是否能够吸取各个不同学科的专业知识,也就是取决于物理学家、化学家、生物学家、材料科学家、临床研究者和工程师是否能建立一种共同语言。
 
然而现实情况是,中国在跨学科研究上仍相对薄弱。“目前,纳米科学领域的跨学科合作范围仍旧很窄。打个比方,大多数(研究纳米科学)的人都是学化学或材料背景的,而有物理学或医学背景的却不多。从这点来看,真正意义上的跨领域交流还不够……我们需要组织更多的跨领域交流的论坛,还要学习彼此的语言,才好展开相互理解的对话。”一位研究人员如是说。
 
不仅如此,大多数科研资助机构还是按照传统学科分类来划分资助项目,这并不利于支持像纳米科学这类跨学科领域的发展。一个鼓励化学家与生命科学家、环境科学家,甚至是地质科学家等开展更广泛的跨学科合作的机制,尚有待建立。
 
除了加强学科间的深入合作外,国际合作也亟待进一步加深。十多年之前,中国的国际合作主要为了学习国外先进的专业知识或技术,而现在的国际合作则有所不同,更多是为了寻求知识和技能的互补。
 
不过,在政府的大力支持下,越来越多有海外经历的中国科学家回到国内工作。中国与其他国家的科研合作将会不断增加,国际合作网络也会进一步扩展。
 
对于任何科学发展来说,人才无疑是创新最有力的源泉。纳米科学的发展自然也离不开人才资源的鼎力助推。为此,中国政府为年轻科学家提供了大量支持,启动了多项针对年轻科学家的高端资助项目。比如,国家自然科学基金委的国家杰出青年科学基金,中央组织部的“青年千人计划”,还有中科院的“百人计划”等等。
 
但是充足的经费并不能解决全部问题,教育同样重要。国家纳米中心等其他的中国机构已为此开发专门的课程,帮助学生掌握传统的物理学、化学或生物学之外的广泛技能。
 
尽管纳米科学未来的发展面临诸多机遇与多方挑战,但正如中国科学院院长、党组书记白春礼所说,“希望通过我们的共同努力,纳米科技在基础前沿领域能实现更多原创性突破,更多应用成果开花结果、落地生根,服务国家、造福人民,为中国早日建成世界科技强国作出应有的贡献。”■
 
《科学新闻》 (科学新闻2017年9月刊 封面)
发E-mail给:      
| 打印 | 评论 |