纳米科技的发展现状

目

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录

纳米材料的发展过程纳米材料的五个热点领域国际纳米材料研究现状

纳米技术的国际竞争力对比分析中国纳米科技的发展现状

一纳米材料的发展过程

•1.1 纳米材料的发展历史。

•1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出有关纳米科技的构想。

•1974年，科学家唐尼古奇最早使用\"纳米技术\"一词描述精密机械加工。

•1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，对纳米科技发展产生了积极促进作用。

•1984年，德国萨尔大学Gleiter教授等人用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米晶体块状材料。这是纳米结构材料首次合成。

•1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

•1990年，美国加州的IBM研究所在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告，轰动全球。

•1991年元旦前夕，日本日立电子公司向公众展示了一个原子大小的新年祝词——“peace91”（和平91）。每个字母的高度均小于1.5纳米，。美国商业机器公司的“IBM”是在-263℃下拼出的，而日立公司的祝词则是在室温下完成的。该成就表明，纳米技术从此步入了实用阶段。

•1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的数倍,这成为了当年纳米技术研究的热点。

•1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。

•1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了（线宽2 nm）硅原子的“毛泽东”。

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1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。•1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。

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2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。•2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。

1.2 纳米科技发展阶段

•纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段：•第一阶段(1990年以前)主要是在实验室用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法以及纳米材料的特殊性能。

•第二阶段(1994年前)人们关注的热点是根据奇特物理、化学和力学性能，

•第三阶段(从1994年到现在)纳米组装研究。•它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。从此，纳米材料的应用成了人们关注的热点.

二纳米材料的五个热点领域

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2.1 纳米组装体系的设计和研究2.2 高性能纳米结构材料的合成2.3 添加纳米使传统材料改性2.4 纳米涂层材料的设计与合成2.5 纳米颗粒表面修饰和包覆的研究

2.1 纳米组装体系的设计和研究

•目前纳米科技的研究对象主要集中在纳米阵列体系；纳米嵌镶体系；介孔与纳米颗粒复合体系和纳米颗粒膜。

•（1）介孔与纳米组装体系和颗粒膜。主要设计思想是利用小颗粒的量子尺寸效应和渗流效应，根据需要对材料整体性能进行剪裁、调整和控制达到常规不具备的奇特性质，这方面的研究将成为二十一世纪引人注目的前沿领域。

•（2）纳米阵列体系。目前研究的体系主要集中在金属纳米颗粒或半导体纳米颗粒在一个绝缘的衬底上整齐排列的二维体系。

•（3）纳米颗粒与介孔固体组装。这种体系一个重要特点是既有纳米小颗粒本身的性质，同时通过纳米颗粒与基体的界面隅合，又会产生一些新的效应。其中小颗粒可以是：金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物。目前，这种体系按支撑体的种类可划分为：无机介孔和高分子介孔复合体两大类。按支撑体的状态也可分为有序和无序介孔复合体。

2.2 高性能纳米结构材料的合成

•对纳米结构的金属和合金研究的重点放在大幅度提高材料的强度和硬度，利用纳米颗粒小尺寸效应所造成的无位错或低位错密度区域使其达到高硬度、高强度。

•对纳米陶瓷材料，着重提高断裂韧性，降低其脆性。

•小结：这项研究的目的是根据需要设计新的材料体系，探索或改善材料的性能，最终目标是为纳米器件的制作进行前期准备。

2.3 添加纳米使传统材料改性

•1 纳米材料添加到塑料中使其抗老化能力增强，寿命提高。

•2 纳米材料添加到橡胶中可以提高介电和耐磨特性。

•3 纳米材料添加到金属中，可以调节阀值电压等特性。比如4mm的氧化锌，阀值电压为4kv/cm，添加适当纳米材料，可调制阀值电压范围将变为100v-30kv/cm之间。

•4 纳米材料添加到陶瓷中，可以降低其烧结温度等特性。

•小结：纳米材料添加到其他材料中都可以根据需要，选择适当的材料和添加量达到材料改性的目的，应用前景广阔。

2.4纳米涂层材料的设计与合成

•纳米涂层主要的研究聚集在功能涂层上，包括传统材料表面的涂层、纤维涂层、颗粒涂层以及纳米复合涂层等。

•1 功能涂层包括静电屏蔽的涂层，高介电绝缘涂层，磁性涂层，红外屏蔽涂层，紫外反射涂层，各种屏蔽的红外吸收涂层、红外涂层及红外微波隐身涂层等等。

•2 纳米复合涂层与传统材料涂层具有很多优异的力学性能，如更低的孔隙率，更高的结合强度，硬度，抗氧化性，耐腐蚀性。

•3 目前除了设计所需要的涂层性能外，为了工业的需要，喷涂的方法也是一项重要的研究。

•小结：纳米涂层具有很好的应用前景，但由于纳米涂层研究的时间不够长，许多问题还有待于研究和探讨，如纳米颗粒在涂层介质中的分散技术和稳定性的研究，各类纳米颗粒不同的性能以及应用的领域等。这些问题将成为接下来研究的热点方向。

2.5 纳米颗粒表面修饰和包覆的研究

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这种研究主要是针对纳米合成防止颗粒长大和解决团聚问题进行的，有明确的应用背景。

•1 包覆的小颗粒不但消除了颗粒表面的带电效应，防止团聚，同时，形成了一个势垒，使它们在合成烧结过程中（指无机包覆）颗粒不易长大。

•2 有机包覆使无机小颗粒能与有机物和有机试剂达到浸润状态。这为无机颗粒掺入高分子塑料中奠定了良好的基础。这些基础研究工作，推动了纳米复合材料的发展。

三国际纳米材料研究现状

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3.1 纳米材料国际发展现状与趋势3.2 美国纳米科技研究现状3.3 欧盟纳米科技研究现状3.4 日本纳米科技研究现状

3.1 纳米材料国际发展现状与趋势

•二十一世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期。世界各国对纳米技术的发展都非常重视。现在在纳米技术领域比较领先的主要是：美国、日本和欧盟。

•继美国2000年出台了“国家纳米技术计划”之后，各国也制定相应计划，现在出台了公共纳米技术研究计划的国家已超过80个。有关纳米技术科学的论文，在2006年已达20317篇；各国政府对纳米技术研究的投入，在2007年达100亿美元，根据德国一项调查显示,2010年全球纳米技术创造的市场将达1万4400亿美元,而日本的《周刊纳米技术》编辑部所做的调查,则推估2010年纳米技术全球市场规模约为167亿美元。

•据统计，目前仅仅对于全球纳米材料贸易这一项，全球已建立了10亿美元的可观市场，市场主要分布在美国、西欧和日本；到2011年纳米材料的市场需求将达到42亿美元；到2025年这一数字将上升至1000亿美元。

3.2 美国纳米科技研究现状

•3.2.1美国联邦纳米技术研发经费预算。•美国在纳米技术方面起步早，联邦对研发预算大幅度增加。但是美国的企业对纳米科学、研发与技术的投资是联邦的2倍。可以看出美国整体对于纳米科技的重视。•1999-2003年以及2005-2008年美国联邦纳米技术研究与开发经费分部门明细如下表

1999-2003年美国联邦纳米技术研究与开发经费分部门明细表

单位:百万美元

部门国家科学基金会国防部1999年85702000年97702001年1501232002年（估计2003年（预算值）值）199180221201能源部国家航空航天局商务部国家健康研究所司法部5851621585832882233401914638411.41395144431.4环保署农业部交通部总计2552705246451.52604.952.52709.92005-2008年美国联邦纳米技术研究与开发经费分部门明细表

单位：百万美元

部门国家科学基金会能源部航空航天局国家标准与技术研究院2005年38531734682006年42434737752007年44938040802008年4764154284环保局总计5.5 809.568896.4955.46.81023.83.2.2 美国纳米科技研究与开发重点

•在基础研究方面，目前美国正在进行的研究重点领域包括：•（1）纳米生物系统；

•（2）纳米结构与量子控制；•（3）纳米元器件与系统结构；•（4）纳米过程与环境；•（5）多现象模型与模拟。

•在产品开发方面，目前美国正在进行的研究重点领域包括：

•（1）纳米结构材料的设计；

•（2）纳米电子、光电子与磁性材料；•（3）用于保健、治疗和诊断的纳米技术和装置；

•（4）纳米过程与环境改良；

•（5）高效能源转化与储存；•（6）微型航天飞机与太空探测；

•（7）用于监测传染性疾病和生物威胁的生物传感器装置；

•（8）纳米技术与经济、安全的交通；•（9）纳米技术与国家安全。

3.2.3 美国纳米技术应用研究的热点

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美国纳米技术的应用研究热点：1 半导体芯片2 癌症诊断3 光学新材料4 生物分子追踪

其中在芯片和癌症诊断领域的应用可望在１０年内出现划时代的突破。

3.2.4 美国纳米技术的战略目标

•２００４年，美国制定了新的战略目标：到２０１０年要培养８０万纳米科技人才，确保美国在２１世纪上半叶占据纳米科技发展的领导地位。

战略目标内容

•1 纳米基础研究与应用研究要并重发展，加强跨学科的交流与合作；

•2 在应用研究方面，优先项目的安排应体现国家利益需求与产业驱动的特点；

•3 利用国家实验室、大学和工业界等科研优势进行联合攻关，联邦政府侧重于支持、引导和组织协调；

•4 注重与其它技术领域发展计划的协调，特别是纳米技术与信息技术、生物技术的交叉融合；

•5 重视基础设施及纳米技术人才队伍的建设；

•6 注重促进研究成果向创新技术转移。

3.3 欧盟纳米科技研究现状

•3.3.1 欧盟纳米技术研发经费预算。

•2002至2006年实施的欧盟《第六个框架计划》对纳米技术空前的重视。该计划总预算175亿欧元，其中有13亿欧元专门用于纳米技术、纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。

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欧盟有86个国内或跨国研究网络致力于纳米研究，其中涉及2000多个组织，它们当中有许多是由国家资助的。如果把欧盟成员国的投资计算在内，2002年欧洲的纳米技术投资应是美国的2倍。

3.3.2 欧盟制定纳米技术发展战略

•2005年06月13日，欧盟委员会公布了一项详细的欧洲纳米技术发展战略。这项战略主要包括八点：

•1 加强对纳米技术研究的资金投入；

•2 鼓励建立技术平台，特别是加强在纳米医学、纳米电子和纳米化学等关键领域的横向联合；

•3 建设多个顶尖级研究中心及一个旨在支持欧洲研究人员参与世界竞争的机构；•4 创造推动纳米技术成果转化的条件；•5 成立一个纳米技术数据库；

•6 建立纳米技术专利许可证管理体系；

•7 推动跨学科人才的教育与培养以及鼓励和资助纳米技术研究成果的出版等。•8 在推广纳米技术应用的同时，加强研究纳米技术对环境、健康及安全可能产生的负面影响，保证纳米技术在尊重伦理、尊重环境等条件下健康发展。

3.4 日本纳米科技研究现状

•3.4.1 日本重点发展纳米科技的方式。

•在日本企业界的80家大企业中，有大约40％设置了专门机构，已经或者即将着手发展纳米科技。具体措施：

•（1）集中科研力量加强纳米技术开发。•（2）建立专门从事纳米技术研究或专门生产纳米材料的分厂、分公司。

•（3）企业开始和大学、科研院所广泛合作研究开发纳米技术。

3.4.2 日本纳米科技的发展动向

•日本政府负责制定科技政策的综合科学技术会议在2001年召开的“推进重点领域战略专家调查会”上，确定了未来日本纳米技术发展的重点方向。

•会上确定的纳米技术重点领域：•1 应用纳米技术制成信息通信元件。•2 具有环境适应性的高增值材料和微量影响环境因素的管理技术。

•3 对体内病灶进行诊断和治疗的微小系统。•4 仿生材料。

•5 观察各种生物现象及应用生物机制的纳米生物技术。

•6 纳米级的测量、评估及加工等基础技术。•7 具有新的物理性能的材料。

四纳米技术的国际竞争力对比

分析

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4.1 研发政策与资金投入4.2 研发能力与出版物4.3 专利

4.4 三大主力外的新兴国家

4.1 研发政策与资金投入

•2004年全球在纳米方面研究投资经费来源具体数据如图1所示。

•2004年主要国家和地区在纳米技术领域的公共研发投资情况如表1所示

•欧洲和美国的纳米技术公共投资基本相当，远远高于日本和其它国家，例如中国、韩国、印度、俄罗斯等。另一方面，美国和日本的纳米技术私人投资远远高于欧洲。

4.2 研发能力与出版物

•在纳米技术研发领域，欧洲作为一个整体，其研究基础略强于美国。然而，如果从国家层面上来比较的话，实力最强的仍是美国，随后是日本和德国。数据如图：

•自2000年起，欧洲纳米技术出版物的全球份额一直比美国高出7个百分点以上。欧洲和美国一起，他们在纳米科学和纳米技术领域的出版物占了全球份额的一半以上。在新材料技术出版物方面，欧洲所占全球份额也仅次于美国，位居第二，随后才是日本。不过，从2002年，由于美国、日本以及新兴中国等所占全球份额的不断上升，欧洲在纳米技术领域出版物方面的领先地位正逐渐削弱。

•出版物数量是研究能力的一个指标，但出版物的质量及其科学影响同样重要。如果从出版物的平均被引用情况来比较的话，瑞士和荷兰最高，随后是美国、加拿大、比利时和爱尔兰。欧盟25国低于美国，但高于日本等欧洲以外的其他国家。

4.3 专利

•美国是世界上纳米技术专利注册最为积极的地区，但值得注意的是相当数量的发明人是在亚洲进行研发的，但却都是以美国公司注册专利。从近10年的专利注册情况来看，与美国和日本相比，欧洲的竞争优势正在丧失（参见图4）。

•如果从纳米技术具体领域近10年的专利注册情况来看，日本、德国、法国和加拿大等在纳米材料领域的排名位居前列；德国、韩国、荷兰在纳米电子学领域的排名位居前列；英国则在纳米光学领域占据重要位置；韩国在纳米磁学领域也占据重要位置。

4.4 三大主力外的新兴国家

近年来，新兴国家和地区在纳米技术领域的投资大幅提升。总的来说，中国和印度不仅是在生产集成技术和市场等方面已经迎头赶上，而且有望成为某些关键技术的领导者。

图5给出了1997-2005年间各国家/地区纳米技术领域的投资情况。

从图中可以看出，纳米技术投资增长最快的部分是“欧洲、日本和美国”这三大主力之外的其他国家和地区。

•2006年，印度启动国家纳米技术计划，在未来五年中将投资2亿美元，用于研究纳米管太阳能电池、诊断工具和药物传输系统。从研发投资、出版物和专利来看，韩国和中国台湾也是比较重要的新生力量。•俄罗斯是纳米技术领域中的另一个新兴国家。俄罗斯在生产科学家处理纳米目标所需的纳米器械和工具方面，拥有先进的能力。2007年，俄罗斯政府制订了一项新的研究计划，投资4亿美元开发纳米技术。

五．中国纳米科技的发展现状

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5.1 中国纳米材料研究在各领域上的分布5.2 中国纳米材料及技术专利现状5.3 中国纳米材料产业现状

5.4 中国纳米材料研究存在的问题。

5.5 2010年中国纳米科技发展的“三大目标”

5.1 中国纳米材料研究在各领域上的

分布

•中国政府对纳米材料及纳米技术的研究一直给予高度重视，国家和各地方通过“国家攻关计划”、“863计划”、“973计划”的实施，积极投入力量和资金，使中国纳米的研发水平获得了很大发展。

•1 从地域上分析，中国纳米材料和纳米技术的研究，已初步形成以各具特色的两大纳米研发中心—北方中心和南方中心为核心，辐射四周的格局。据分析约80%的纳米研发力量，集中在经济较发达的华东和华北地区。

•2 从系统分布上分析纳米研发的主要力量集中在高等院校和中科院系统，这两部分的科研力量占整个中国纳米研发力量的90%以上。

•3 从人员结构上分析中国现有纳米材料及纳米技术的研究人员共有4500余人，其年龄结构比较合理，学历背景也非常过硬，70%以上的纳米科研人员拥有硕士以上学位，拥有博士、高级职称的约占30%，拥有硕士、中级职称的约占40%。

•4 从研究的领域分析现有纳米材料的研究，主要以金属和无机物非金属纳米材料为主，占80%左右;高分子和化学合成材料，也是一个重要方面。但在较低层次的纳米材料领域，集中了一半以上的研发力量，而在纳米电子、纳米生物医药方面，则力量薄弱。

•5 从研究的成果分析十年来，中国纳米基础理论的研究人员在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文2400篇，其中发表在《自然》和《科学》等世界顶级学术杂志上的论文共6篇，影响因子在6以上的学术论文近20篇，影响因子在3以上的引篇，被SCI和EI收录的文章占整个发表论文的59%。

5.2 中国纳米材料及技术专利现状

•1. 1985年至2000年，中国超细材料、纳米技术领域已公开的专利数共1024项，其中已授权专刊的465项，占45.4%，公开尚未授权的559项，占54.6%。在所有1024项超细材料和纳米技术领域的专利中，涉及纳米材料领域已经公开的专利数共有582项，其中已授权的107项，占18.4%，公开尚未授权的475项，占81.6%。

•2 从申报的主体分析在所有涉及纳米材料领域的582项专利中，由大学及科研院所申报的有366项，占62.9%。由企业申报的有154项，占26.5%;由个人申报的有62项，占10.6%。可见，高等院校及科研机构依然是推动中国纳米材料与纳米技术研究发展的主力军。

•3 从切入的领域分析在所有1024项超细材料和纳米技术领域专利中，涉及材料的专利数量多达827项，占80.8%，居于绝对优势地位;电子类28项，占2.7%;医药类41项，占4.0%;其他128项，占12.5%。说明对纳米材料研究的力度较大，而纳米电子学及纳米医药学的研究力量相当薄弱。涉及超细材料与纳米材料制备技术的专利共528项，占51.6%;涉及超细材料与纳米材料制备装置的专利共241项，占23.5%，而且主要以超细材料的制备装置为主;涉及超细材料与纳米材料应用技术的专利共276项，占26.9% 。

5.3 中国纳米材料产业现状

•1.从地域分布分析截止2001年5月底，全国现共有纳米企业323家，其中，以纳米字样注册的企业共57家，社会投入资金约30亿元，并已形成以北京、上海、深圳为中心的三大纳米材料及纳米技术产业带。经济实力雄厚的华东、华北及华南地区的纳米材料企业，占全国纳米企业的80%左右。

•2.从企业类型分析主要分为纳米材料应用型企业和纳米材料生产型企业两类。全国共有纳米材料生产型企业30家，占所有纳米企业的15%。纳米应用型企业有200家，约占整个纳米企业的84%左右。

•3.从人员结构分析就企业员工人数而言，50人以下的小规模企业占70%;就科研人员占员工总数的比例，超过5%以上的占75%左右。显示中国纳米材料企业大都科技含量较高，符合高科技公司的特征。

•4.从资产规模分析注册资本在5000万以下的占90%左右，1000万的占6.5%，说明大多数纳米企业尚属初创期。

•5.从产品种类分析目前，中国已建立了纳米材料生产线30多条，

5.4 中国纳米材料研究存在的问题

•1 科研缺乏重点，信息沟通缺乏数据调研；•2 中国从事纳米材料和纳米技术研究的人员缺乏相互交流，更缺乏与一线企业的交流与合作，纳米应用研究力量分散、重复的现象严重;•3 项目重复投资，科研经费与专业人才不足；

•4 产权意识淡薄，行业标准缺乏；

•5 尚未形成跨学科、跨领域的联合研发体制；•6 没有纳米技术权威检测机构。

5.5 2010年中国纳米科技发展的

“三大目标”

•中国科学技术部2003.8.26组织召开国家纳米科技工作会议，并具体提出2010年中国纳米科技发展的三大目标：

•1 纳米科学前沿领域，要以纳米电子学、纳米尺度的加工及组装技术、纳米生物和医学、纳米材料学等前沿理论和方法为重点，建立、完善国际先进的国家纳米科技发展公用平台和重点实验室系统，加强纳米科技信息网络和科研开发网络建设，构筑国家纳米科技创新体系。

•2 纳米技术开发及其应用方面，要在纳米材料的制备、纳米器件制造工艺及装备、微型计算机和信息系统、环境和能源、医疗与卫生、生物和农业、航天和航空以及国防建设领域，攻克一批重大关键技术，取得一批对未来产业有重大影响的知识产权，为纳米科技成果的应用与产业化奠定技术基础。

•3 形成纳米科技骨干队伍方面，吸引多学科专家参与纳米科技的研究与开发，培养和引进懂科技、懂经营、懂管理的复合型人才，为纳米科技的产业化提供力量。

参考文献

[1]卢苏燕,《欧盟制定纳米技术发展战略》[N],新华网2005-06-14.

[2]兰泳,《全球科技经济瞭望》[N],2003年第04期.[3]廷灿,科学新闻杂志[J],2007-12-10.

[4]严东生，冯端，中国科学院院刊，[J],1997年第五期.

[5]韩寿鹏,纳米材料的研究历史及现状[D],河北联合大学，2008.1-4.

谢谢欣赏