時間：2023-03-23 15:23:19
序論：速發(fā)表網(wǎng)結(jié)合其深厚的文秘經(jīng)驗，特別為您篩選了11篇納米技術(shù)論文范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識！
這類專利申請在撰寫申請文件時，需要詳細(xì)記載如何合成新的納米材料，即納米材料的制備方法，如果制備得到的納米材料具有特殊的性能，需要在說明書中記載是因為反應(yīng)的條件還是制備方法殊的反應(yīng)方式得到的特殊的性能，并需要對該特殊的性能進(jìn)行表征，可以通過電鏡掃描或者其它方式進(jìn)行證明，這一點尤為重要，否則會影響專利說明書是否公開充分。利用納米材料的性能在農(nóng)藥領(lǐng)域可能的用途，需要通過活性實驗進(jìn)行驗證，說明書中需要給出具體的實驗效果舉例進(jìn)行說明。如果現(xiàn)有技術(shù)中已有類似納米材料用作農(nóng)藥的技術(shù)方案，則新制備的納米材料用作農(nóng)藥的用途需要比現(xiàn)有技術(shù)中已知的同類納米材料具有更加優(yōu)異的性能或者其他預(yù)料不到的效果才可能具有授權(quán)前景，比如提高了殺菌活性等，而如果是將已知的納米材料與已知活性成分組合，則需要在說明書中記載納米材料與活性成分之間的關(guān)系是功能上的互惠或表現(xiàn)出超越他們單獨效果之和的組合效果。納米材料用作農(nóng)藥使用時還要解決的技術(shù)問題是如何防止納米材料對有益菌的殺滅作用，以及將納米無機(jī)材料制成制劑后對環(huán)境的安全評價，如果能克服這些應(yīng)用上的技術(shù)缺陷，也可能具備授權(quán)前景。
二、納米生物農(nóng)藥
將生物農(nóng)藥納米化后，可改善制劑中有效成分的粒徑細(xì)度及穩(wěn)定性，提高其速效性和防治效果，通過納米工藝技術(shù)處理，將固體生物農(nóng)藥制成納米級的微粒，要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是通過怎么樣的制備方法將生物農(nóng)藥制備得到真正納米級的顆粒，而將生物農(nóng)藥制備成納米級顆粒的方法，使用該納米生物農(nóng)藥的方法都屬于專利保護(hù)的客體。由于生物農(nóng)藥一般都是已知的活性成分，一般需要將生物農(nóng)藥與助劑的組合物作為專利申請保護(hù)的主題，專利申請的主題名稱為：一種農(nóng)藥組合物，其特征在于……（包含納米生物農(nóng)藥）；一種農(nóng)藥組合物的制備方法，其特征在于……（納米生物農(nóng)藥的制備方法，或?qū)⒑猩镛r(nóng)藥的農(nóng)藥組合物制成納米生物農(nóng)藥的方法）；一種農(nóng)藥組合物用于防治病害的用途，其特征在于……（含有納米生物農(nóng)藥）。
由于生物農(nóng)藥本身即具有殺蟲活性，在專利申請文件撰寫時，需要提交微生物的保藏證明；詳細(xì)記載通過怎樣的方法將生物農(nóng)藥制備成納米生物農(nóng)藥，并且需要提供納米生物農(nóng)藥穩(wěn)定性的證明，納米生物農(nóng)藥顆粒的表征數(shù)據(jù)；還需要提供納米生物農(nóng)藥與生物農(nóng)藥的活性實驗比較例，或者納米生物農(nóng)藥與近似的生物農(nóng)藥制成納米級生物農(nóng)藥后的比較例，以備用于證明技術(shù)方案的創(chuàng)造性。目前，真正將生物農(nóng)藥制成納米級顆粒的方法較少，而如果能夠攻克這一技術(shù)難點，相信生物農(nóng)藥的推廣應(yīng)用定能爭奪更加廣闊的市場空間。
三、納米農(nóng)藥助劑農(nóng)藥
在制備成制劑時需要使用助劑，常規(guī)的助劑包括表面活性劑和載體，表面活性劑包括分散劑、潤濕劑、乳化劑、穩(wěn)定劑等。將一種或多種農(nóng)藥助劑制成納米級顆粒的制備方法，合成或制備得到的納米級助劑，如超級分散劑，使用納米級的農(nóng)藥助劑與活性成分組合使用的組合物，納米級的助劑在農(nóng)藥制劑加工中的應(yīng)用等，都屬于專利保護(hù)的客體。由于納米顆粒表面的特殊性能，農(nóng)藥助劑制成納米級的顆粒與活性成分組合使用，能夠顯著提高活性成分附著在靶標(biāo)上的能力，滲透能力，提高助劑的載藥量，提高活性成分的利用率，降低害蟲對活性成分的抗性，減少活性成分的使用量，例如已有制備乙?；举|(zhì)素兩親聚合物納米膠體球，能夠改變活性成分在水溶液中的溶解度。
這類專利申請的主題名稱為：一種適用于農(nóng)藥的納米助劑，其特征在于……（限定助劑的結(jié)構(gòu)和組成）；一種適用于農(nóng)藥的納米助劑的制備方法，其特征在于……（包含納米助劑具體的制備方法、工藝參數(shù)）；一種適用于農(nóng)藥的納米助劑作為……（分散劑）……在農(nóng)藥制備中的用途。在撰寫專利申請文件時，對納米農(nóng)藥助劑的表征是確定該納米助劑的結(jié)構(gòu)和組成的重要參數(shù)，合成納米助劑的反應(yīng)中其反應(yīng)條件的控制、工藝參數(shù)的設(shè)定都會影響納米助劑的結(jié)構(gòu)和組成，申請人需要詳細(xì)的記載合成或制備方法，并對納米助劑特殊的功能進(jìn)行具體闡述，對可能的特殊性質(zhì)進(jìn)行表征分析。由于納米農(nóng)藥助劑一般都是與農(nóng)藥活性成分組合使用制成制劑，申請人還需要提供使用納米農(nóng)藥助劑制成的制劑具有的預(yù)料不到的技術(shù)效果，比如提高制劑的分散性、穩(wěn)定性，提高制劑的防治效果，降低對原藥的需求量，降低制劑使用所帶來的環(huán)境污染和毒害以及對土地造成的毒害殘留，降低農(nóng)作物上的農(nóng)藥殘留量等，還可以提供類似的納米農(nóng)藥助劑與同一活性成分組合使用制成相同或相近制劑時的比較例。如果使用的納米助劑與活性成分制成的制劑能夠滿足國家或FAO/WHO標(biāo)準(zhǔn)，也需要記載在說明書中。
四、納米農(nóng)藥緩釋劑
農(nóng)藥助劑中的載體一般是起緩釋的作用，將活性成分吸附或包裹在載體中。緩釋劑能有效控制藥物釋放速度，使高毒農(nóng)藥低毒化，降低農(nóng)藥的急性毒性，減輕殘留及刺激性氣味，減少對環(huán)境的污染和對農(nóng)作物的藥害，從而擴(kuò)大農(nóng)藥的應(yīng)用范圍。但是，傳統(tǒng)的緩釋農(nóng)藥存在著自身的不足，如緩釋劑大部分是合成高分子材料，且大多數(shù)生物降解性能差，易污染環(huán)境；同時在合成高分子控釋材料時，也會對環(huán)境產(chǎn)生污染；再加上高分子控釋劑顆粒一般比較大，在施藥時顆粒大，容易施藥不均且易脫落，最終不能達(dá)到保護(hù)環(huán)境、減少農(nóng)藥用量的目的。為了克服上述高分子材料的缺陷，控釋載體的納米化是一個重要的研究方向。將農(nóng)藥載體制成納米級顆粒的制備方法，使用納米級的載體顆粒吸附或包裹農(nóng)藥活性成分的組合物，使用納米緩釋劑緩釋農(nóng)藥的方法，納米級的載體顆粒在農(nóng)藥制劑加工中的應(yīng)用等，都屬于專利保護(hù)的客體。
納米農(nóng)藥緩釋劑包裹農(nóng)藥有兩種方法，一種是先制得納米溶液，再包裹農(nóng)藥；另一種是用農(nóng)藥緩控釋薄膜，在農(nóng)藥表層形成納米級微囊，得到該控釋型納米級農(nóng)藥。由于真菌生物農(nóng)藥在紫外光照射下，活性降低，納米緩釋材料也常被用作真菌生物農(nóng)藥的紫外保護(hù)劑。已知的納米緩釋劑包括空心多孔二氧化硅納米顆粒、中空介孔納米二氧化硅微球、雙孔二氧化硅微粒、介孔納米氧化鋁固相吸附劑、納米碳粉、二氧化鈦納米球或二氧化鈦納米線、改性納米二氧化鈦、納米粉煤灰、殼聚糖納米粒、殼聚糖的接枝共聚物、海藻酸鈣納米微球、粘土納米復(fù)合緩釋劑、二氧化鈦和碳酸鈣復(fù)合顆粒、多微孔納米載體材料、生物可降解的聚乳酸-羥基乙酸共聚物。專利申請的主題名稱為：一種制備納米緩釋劑的方法，其特征在于……（納米緩釋劑具體的制備方法）；一種適用于農(nóng)藥的納米緩釋劑，其特征在于……（限定具體的納米緩釋劑的結(jié)構(gòu)和組成）；一種適用于農(nóng)藥的納米緩釋劑在農(nóng)藥制劑中的應(yīng)用。
在撰寫專利申請文件時，需要詳細(xì)記載制備納米緩釋劑的方法，包括反應(yīng)物、反應(yīng)條件、生成物，以及最終得到的納米緩釋劑的表征；如果是將納米緩釋劑與活性成分組合制成制劑，不僅需要考慮納米緩釋劑在制劑中的緩釋作用，還要考慮納米緩釋劑在制劑中的其它作用，并且需要對比實驗證明納米緩釋劑的加入是否能夠產(chǎn)生技術(shù)效果的改進(jìn)。由于緩釋劑的發(fā)展較快，研究者在關(guān)注緩釋劑緩釋的同時，需要注意到緩釋帶來的負(fù)面作用；如果新研究的緩釋劑能夠既有緩釋的作用，又能克服活性成分在環(huán)境中長時間停留的危害，應(yīng)該在專利申請文件中記載。申請人在記載不同的技術(shù)效果時，不僅要把具體的技術(shù)效果寫清楚，更應(yīng)該提供能夠證明該技術(shù)效果的實施例或?qū)嶒灷?/p>
五、納米農(nóng)藥劑型液體
農(nóng)藥由于自身流動的特性，即使是納米級的尺寸也呈球狀，所以液體農(nóng)藥制成納米級后一般都稱為納米球，也叫做納米乳劑。納米乳劑是一個由水、油兩親性物質(zhì)（分子）組成的、光學(xué)上各向同性、熱力學(xué)上穩(wěn)定且經(jīng)時穩(wěn)定的外觀透明或者近乎透明的膠體分散體系，微觀上由表面活性劑界面膜所包覆的一種或兩種液體的微滴構(gòu)成，外觀為“單相、透明或半透明的流動液體”。納米乳劑可以改善農(nóng)藥溶于水的特性，兩親高分子包裹油溶性農(nóng)藥分子的納米球，其在水相中有良好的分散性及穩(wěn)定性，即將油溶性農(nóng)藥由油相轉(zhuǎn)移至水相并穩(wěn)定分散于水相，并可通過水相中溶解的少量農(nóng)藥的不斷使用，使納米球中的農(nóng)藥得以緩慢釋放和使用。現(xiàn)有技術(shù)中制備納米乳劑的關(guān)鍵技術(shù)問題是兩親高分子的替代技術(shù)，如果能夠使用納米材料代替兩親高分子材料用來制備納米乳劑，則有望突破農(nóng)藥劑型創(chuàng)制的瓶頸。已知的能夠代替兩親高分子材料或者與兩親高分子材料共同使用的納米材料有納米二氧化硅、納米二氧化鈦、稀土摻雜納米二氧化鈦等，制備的農(nóng)藥水乳劑、微乳劑具有超穩(wěn)定性。
固體農(nóng)藥易于制成納米級的顆粒，將固體農(nóng)藥納米化后特有的滲透性、分散性、均勻性、附著性等生物活性大大增強(qiáng)。將納米級的固體農(nóng)藥與助劑混合，即可得到納米級固體制劑，如可濕性粉劑、種衣劑、水分散粒劑、泡騰片劑等。一般的制備方法是將各種原料按配方稱量配料；在配合料中加入少量水，使其溶解，并在攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌混合；然后用電噴霧法干燥，制得納米級活性成分干粉；將活性成分干粉與納米材料或助劑配合，再加入到混料機(jī)中充分?jǐn)嚢杈鶆?，制得微粉，即為固體納米制劑。由于水基化制劑是農(nóng)藥劑型發(fā)展的方向，曾有研究人員把固體原藥顆粒低于100nm的水性分散體定義為納米農(nóng)藥懸浮劑，把原藥顆粒粒徑在100~1000nm之間的水性分散體定義為亞納米農(nóng)藥懸浮劑。分散理論認(rèn)為：固體顆粒的粒徑越小，則粒子表面自由能越高，越容易傾向于絮凝成大顆粒，分散穩(wěn)定的難度就越大。而亞納米級或納米級的固體粒子，其表面自由能更是超高，難以在分散介質(zhì)中以納米尺寸分散穩(wěn)定。以常規(guī)的小分子表面活性劑類的分散劑幾乎不可能達(dá)成將固體顆粒分散穩(wěn)定到亞納米級，更不要提納米級了。由小分子表面活性劑制得的農(nóng)藥懸浮劑（SC）或水乳劑（EW），其粒徑或乳滴的極限值大約就在5微米左右，并且易于絮凝、分層、結(jié)塊，貯存穩(wěn)定性極差。需要克服的關(guān)鍵技術(shù)問題是如何將納米級的固體農(nóng)藥穩(wěn)定分散在制劑當(dāng)中。由于固體納米農(nóng)藥難以在水體中穩(wěn)定，可以考慮使用微膠囊的形式將固體納米農(nóng)藥或液體農(nóng)藥納米球包裹在囊心中，制成納米微膠囊制劑，或具有核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的微囊懸浮劑。在農(nóng)藥制劑加工中，加工制備常規(guī)的微膠囊尺寸是相對容易的，為了降低微膠囊的大小，達(dá)到納米級，又要保證所制備的納米微膠囊對有效成分具有較高的包封率、載藥率是需要付出創(chuàng)造性勞動的，需要對加工制備的工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。
使用農(nóng)藥活性成分與助劑組合制成納米級的農(nóng)藥制劑，納米農(nóng)藥制劑的制備方法、納米農(nóng)藥制劑的應(yīng)用都屬于農(nóng)藥專利申請保護(hù)的客體。專利申請的主題名稱為，一種納米農(nóng)藥制劑，其特征在于……（限定具體的結(jié)構(gòu)和組成）；一種納米農(nóng)藥制劑的制備方法，其特征在于……（限定具體的制備方法，工藝參數(shù)等）；一種納米農(nóng)藥制劑的應(yīng)用，其特征在于……（限定應(yīng)用的范圍）。在撰寫專利申請文件時，需要詳細(xì)記載農(nóng)藥制劑的組成和制備方法，特別要清楚地記載制備的納米農(nóng)藥制劑的方法和工藝參數(shù)，對制成的納米農(nóng)藥制劑進(jìn)行表征，以證明得到的納米農(nóng)藥制劑確實是納米級的制劑。需要提供制備的納米農(nóng)藥制劑的穩(wěn)定性、分散性、熱儲性等常規(guī)的制劑性能，以及使用納米農(nóng)藥制劑的方式，提供殺蟲活性實驗數(shù)據(jù)，需要清楚記載制備的納米制劑比常規(guī)的制劑具有哪些預(yù)料不到的技術(shù)效果，還應(yīng)該記載納米農(nóng)藥制劑與類似的納米農(nóng)藥制劑有哪些技術(shù)進(jìn)步等對比實驗。如果制備的納米制劑是由于使用了某一特殊的助劑帶來的技術(shù)效果，需要在申請文件中提供未使用該助劑時制成制劑的對比實驗效果。如果制備的納米制劑能夠符合FAO/WHO標(biāo)準(zhǔn)，或者超出該標(biāo)準(zhǔn)，也需要在原始申請文件中記載相應(yīng)的技術(shù)功效。
六、納米光觸媒層
環(huán)境中的農(nóng)藥殘留問題一直是農(nóng)藥使用的重要限制因素，近年來的食品安全問題更讓農(nóng)藥殘留備受關(guān)注。納米材料既可以制成果蔬表面殘留農(nóng)藥的清洗劑，納米帶電粒子與水霧結(jié)合形成的納米帶電水霧具有殺菌、分解有機(jī)農(nóng)藥功能，粒徑分布在50到500納米的顆粒制劑能夠去除果蔬表面農(nóng)藥殘留；又可以制成農(nóng)藥殘留降解劑，縮短農(nóng)藥安全間隔期。已知的用于農(nóng)藥殘留降解劑的納米材料包括納米二氧化鐵、納米二氧化鈦、納米氧化鋅。納米光觸媒層在UV保鮮燈的照射下，表面形成電子-空穴對，在水的作用下，進(jìn)一步形成羥基自由基，將蔬果中的農(nóng)藥氧化成水和二氧化碳，達(dá)到降解農(nóng)藥而不破壞蔬果本身組織和營養(yǎng)成分的有益效果；根據(jù)這一特性，納米光觸媒層可以制成果蔬消毒殺菌除農(nóng)殘裝置。使用共沉淀合成具有光催化活性ZnO/TiO2復(fù)合納米材料，在植物體上進(jìn)行噴灑，利用太陽光照射對農(nóng)藥殘留進(jìn)行降解。微納米氣泡臭氧水作為土壤消毒劑。將光觸媒材料的特溶膠浸漬在固體介質(zhì)上，將該固體介質(zhì)均勻地浸放在水中，在陽光或紫外線燈光一定時間的照射下，光觸媒材料空穴作用產(chǎn)生（H+）和（OH-）等活性種，催化水體中農(nóng)藥降解。以載有納米La2O3、Fe2O3和NiO復(fù)合氧化物的聚乙烯醇薄膜為載體催化劑，將此載體催化劑置于盛有待處理水溶液的光催化反應(yīng)器中，在紫外光照射下，可將水中的雙對氯苯基三氯乙烷農(nóng)藥迅速分解。納米材料還能夠作為促進(jìn)農(nóng)藥廢水中氨氮轉(zhuǎn)化的催化劑，由納米氧化鋁膠體與重金屬有機(jī)化合物等體積濕法混合的催化劑，實現(xiàn)了催化劑在不需高溫高壓條件下直接把農(nóng)藥廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣。上述的將納米材料用于分解或降解農(nóng)藥的各種用途均屬于專利保護(hù)的客體。
已知的納米光觸媒層的材料包括納米二氧化鈦、金屬離子摻雜納米二氧化鈦、ZnO/TiO2復(fù)合納米材料。專利申請的主題名稱為：一種降解農(nóng)藥的納米光觸媒層，其特征在于……（包括納米材料）；一種降解農(nóng)藥殘留的裝置，其特征在于……（包括納米材料）；一種制備降解農(nóng)藥的納米光觸媒層的方法，其特征在于……（具體納米光觸媒層的制備方法）；一種應(yīng)用納米光觸媒層降解農(nóng)藥的應(yīng)用，其特征在于……（包括具體的農(nóng)藥種類）。專利申請文件撰寫時，首先，要對新納米材料進(jìn)行表征，如果是使用已知的納米材料，需要考慮現(xiàn)有技術(shù)是否已有將該納米材料用做納米光觸媒層的應(yīng)用，若有類似的應(yīng)用教導(dǎo)，則很難具備創(chuàng)造性，需要考慮將不同的納米材料組合制成復(fù)合納米光觸媒層以提高技術(shù)方案的可專利性。其次，制備納米材料的方法需要詳細(xì)的記載，納米光觸媒層降解農(nóng)藥的效果需要試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，最好能夠記載與類似的納米材料制成的光觸媒層降解農(nóng)藥的技術(shù)效果的對比實驗。再次，如果制成的納米光觸媒層還有其它的預(yù)料不到的技術(shù)效果，也應(yīng)該一并記載在原始申請文件中，并將形成該技術(shù)效果的技術(shù)特征撰寫在權(quán)利要求中。
七、納米探針檢測農(nóng)藥
納米材料應(yīng)用于農(nóng)藥殘留分析檢測，使用納米材料制作熒光探針，或者使用納米材料對熒光探針進(jìn)行改性修飾。熒光納米量子點作為一種新型熒光探針與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料和熒光蛋白相比，量子點具有十分優(yōu)越的光譜性質(zhì)，如：激發(fā)光譜寬、發(fā)射光譜窄而對稱、熒光量子產(chǎn)率高、熒光波長可調(diào)、抗光漂白性能強(qiáng)等。這些優(yōu)越的光譜性質(zhì)使量子點熒光探針廣泛應(yīng)用于生化分析檢測領(lǐng)域，發(fā)揮了巨大的應(yīng)用潛力。熒光納米量子點探針具有熒光強(qiáng)度高、熒光穩(wěn)定性好，檢測過程簡單方便，靈敏度高、檢測限低，可實現(xiàn)實際樣品中農(nóng)藥的快速檢測。熒光納米探針的材料組成（單一金屬納米顆粒，復(fù)合金屬納米顆粒，無機(jī)復(fù)合物納米顆粒，金屬與無機(jī)物復(fù)合、聚合物，金屬-無機(jī)物-聚合物多重復(fù)合）是目前主要的研究熱點，針對不同種類的材料檢測不同種類的農(nóng)藥，研究者需要在制備不同的熒光納米量子點探針上尋求突破，其相應(yīng)的制備熒光納米探針的方法也需要不斷的補(bǔ)充和完善，對于納米探針在檢測具體農(nóng)藥殘留的應(yīng)用，如何使用納米探針檢測分析農(nóng)藥的方法等都屬于專利保護(hù)的客體。使用納米材料對酶生物傳感器的玻碳電極進(jìn)行修飾，如玻碳電極的工作面上還可以使用納米二氧化鋯修飾，檢測農(nóng)藥的精度更高，范圍更廣，檢測限更低，可實現(xiàn)小型、便捷、適用于現(xiàn)場檢測的目的。
1.2室內(nèi)空氣凈化人們?yōu)榱嗣阑约旱木幼】臻g或是需要對新購置的房產(chǎn)進(jìn)行裝修，就難免會使用大量的涂料、油漆等富含甲醛、甲苯的化學(xué)用品來涂刷家具或墻壁，這就會使得裝修房間內(nèi)甲醛、甲苯等有害氣體濃度大大提高，從而對人們的生命健康造成一定不良的影響。而將光催化劑用于新裝修的房屋內(nèi)能夠很好的對超標(biāo)的甲醛、甲苯等有害物質(zhì)進(jìn)行降解和吸附，提高物內(nèi)的空氣清新度，使室內(nèi)空氣更加安全、無害。而納米TiO2則是一款十分不錯的光催化劑原料，對甲醛、甲苯等有害物質(zhì)具有良好的吸附于降解作用。與此同時，納米TiO2新材料還具有十分強(qiáng)大的殺菌與除臭作用，能夠快速、高效的提高室內(nèi)的衛(wèi)生安全程度。由于納米TiO2新材料具有這一優(yōu)勢，因此其在醫(yī)院中的病房與手術(shù)室中也具有十分廣泛的應(yīng)用。1.3對大氣中硫氧化物的凈化工業(yè)，尤其是重工業(yè)的發(fā)展使得我國城市空氣中的二氧化硫、一氧化碳與碳氧化物氣體含量大幅增加，對人們的健康造成了十分惡劣的影響，長此以往，將會造成不可估量的嚴(yán)重后果。而大氣中這些有害氣體的增加主要是由于化工場各種化學(xué)燃料未能充分燃燒造成的。而將納米材料制成的催化劑應(yīng)用到燃料燃燒過程中，能夠有效的促進(jìn)化學(xué)能源的充分燃燒，從而降低一氧化碳有害氣體的排放量，并且還能夠使燃燒中產(chǎn)生的硫化物以固體的形式保存下來。而這對大氣環(huán)境質(zhì)量的改善具有十分重要的作用和意義。并且利用納米材料作為燃燒的催化劑，還可以促進(jìn)能源利用率的有效提高，推動我國企業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展。
2納米技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用
2.1處理無機(jī)污染廢水重金屬是一種十分有價值的資源，在我國的生產(chǎn)生活中具有十分重要的作用。然而由于在重金屬開采與工業(yè)生產(chǎn)中人們沒有做好相應(yīng)的技術(shù)處理措施，致使大量的重金屬資源流失，其中一部分流失的重金屬會進(jìn)入水中，造成水資源的嚴(yán)重污染。而受污染的水會通過各種渠道對環(huán)境與人們的身體健康造成不良的影響與危害。而利用納米技術(shù)中的納米粒子對無機(jī)污染廢水進(jìn)行處理，能夠?qū)λ械闹亟饘倭Ｗ舆M(jìn)行還原，使其形成重金屬結(jié)晶體。這樣一來，就既有效的使水資源變得更加清潔健康，而且也在另一程度上實現(xiàn)了對重金屬的回收，減少了資源浪費(fèi)，可謂是一舉兩得。
2.2處理有機(jī)污染廢水科學(xué)研究已經(jīng)證明，作為光催化劑原料的TiO2能夠有效的對被氧化水中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行降解。相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)證實，納米光催化劑能夠?qū)ξ廴舅械陌耸喾N有機(jī)污染物質(zhì)進(jìn)行降解處理，通過光化學(xué)反應(yīng)使這些有毒物質(zhì)變?yōu)閷Νh(huán)境和人力無危害的物質(zhì)，從而有效的實現(xiàn)對環(huán)境中有機(jī)污染廢水的凈化。提高環(huán)境中水的健康清潔程度。
2.3對自來水進(jìn)行凈化處理新型納米級凈水劑的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑AL2O3的十到二十倍。新型納米凈水劑通過對納米磁性物質(zhì)、纖維物質(zhì)以及活性炭裝置的利用，能夠很好的實現(xiàn)對水中懸浮顆粒以及各種雜質(zhì)的吸附，使水中的異味和鐵銹等物質(zhì)得以去除干凈，從而實現(xiàn)對自來水的全面凈化。在此基礎(chǔ)上，人們還可以利用帶有納米孔徑的處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球處理裝置，來實現(xiàn)殺滅自來水中細(xì)菌、病毒的目的，從而進(jìn)一步提高飲用純凈水的衛(wèi)生安全質(zhì)量，并且在這一過程中，水中的各種礦物質(zhì)元素并不會被吸附掉，而是能夠最終保存在水中，提高自來水的礦物活性成分含量。
3納米技術(shù)在其它環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用
3.1納米技術(shù)在城市固體廢物處理方面的應(yīng)用納米技術(shù)在城市固體廢物處理方面所發(fā)揮的作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：首先，利用納米技術(shù)能夠很好的實現(xiàn)對橡膠、塑料以及印刷電路板等固體廢物的處理。人們通過利用納米技術(shù)對這一類型的固體廢物進(jìn)行再加工，使其形成微粉顆粒，并將其中夾雜的各種雜物、異物去除，就能使這些由橡膠、塑料等制成的微粉顆粒原料得以循環(huán)利用，提高資源利用率。第二，利用納米TiO2催化技術(shù)加速城市廢物的降解速度，從而有效緩解城市垃圾量不斷加大給城市環(huán)境污染治理帶來的壓力。
3.2納米技術(shù)在防止電磁波輻射方面的應(yīng)用電子信息科技的發(fā)展使得電磁場、電磁波等在城市中的運(yùn)用越來越普遍。而研究發(fā)現(xiàn)，電磁場發(fā)出的電磁波在很大程度上會對人的神經(jīng)系統(tǒng)造成一定的不利影響、威脅人們的生命健康安全。而納米技術(shù)與納米材料的出現(xiàn)則有效緩解了電磁波問題帶給人們的壓力。人們通過在墻體中安裝納米材料的方式來提高建筑的抗輻射能力，從而保證生活在建筑內(nèi)的人免受電磁波的干擾與輻射。
3.3納米技術(shù)及納米材料在噪聲控制方面的應(yīng)用隨著科學(xué)技術(shù)與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市中的人口聚集程度也越來越高。喧鬧的人群、發(fā)達(dá)的工業(yè)生產(chǎn)、汽車等都在很大程度上加劇了城市噪音的強(qiáng)度?？茖W(xué)家們已經(jīng)通過相關(guān)的科學(xué)研究與實驗證實，當(dāng)噪聲污染達(dá)到一定級別時很可能對人類的身體健康造成不利影響，重者甚至?xí)斐扇说乃劳?。一般來說，飛機(jī)、輪船、汽車以及工廠中的某些機(jī)械在啟動狀態(tài)下，其噪聲可達(dá)到上百分貝，導(dǎo)致環(huán)境噪聲污染的形成。而將納米技術(shù)應(yīng)用到這些機(jī)械設(shè)備中，能夠有效降低機(jī)械設(shè)備之間的摩擦作用力，從而有效降低噪聲的分貝，實現(xiàn)對噪聲污染的有效控制。利用納米科技研發(fā)出的劑應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備后，不僅能降低機(jī)械運(yùn)行時的噪聲，還可以促進(jìn)機(jī)械運(yùn)行壽命的延長。
2納米技術(shù)及納米材料實際應(yīng)用于水污染治理
水資源污染是我國社會發(fā)展過程中突出的環(huán)境污染問題，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響。針對我國傳統(tǒng)的水處理方法，采用納米技術(shù)與納米材料進(jìn)行水污染治理可以有效改善我國水處理效率較低的情況，對我國納米技術(shù)的發(fā)展與環(huán)境污染的治理起到了促進(jìn)作用。無機(jī)污染廢水是我國主要的水污染問題之一，這些污染物對人體具有極大的危害性，嚴(yán)重者會導(dǎo)致人體患上肝癌與局部腫瘤，屬于重點防治問題。針對水中的重金屬與無機(jī)離子，常規(guī)的治理方式往往無法保證污染處理的質(zhì)量，對我國水污染治理造成一定的影響。在納米技術(shù)實際應(yīng)用的過程中，可以通過光催化技術(shù)及氧化技術(shù)，將水中的金屬離子及無機(jī)離子進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)化與清除，實現(xiàn)無機(jī)污水治理的效用。全新的納米技術(shù)更可以將污水中的貴重金屬完全提煉出來，達(dá)到變廢為寶的作用，對我國環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。有機(jī)廢水是我國污水治理過程中較為突出的問題，在應(yīng)用納米材料及納米技術(shù)進(jìn)行防治的過程中，可以利用納米TiO2光催化技術(shù)對有機(jī)廢水進(jìn)行合理性的降解，使廢水中的高濃度有機(jī)物得到凈化，由于這一技術(shù)在實際應(yīng)用過程中需要相應(yīng)高頻光系統(tǒng)來維持運(yùn)作，因此，在利用納米TiO2光催化技術(shù)進(jìn)行有機(jī)污水處理的過程中，還可以使用大功率的苯燈電源，利用經(jīng)濟(jì)適用的太陽輻射電源來為納米TiO2光催化技術(shù)提供高頻光能，以此保證有機(jī)廢水得到有效地降解與凈化，改善我國有機(jī)廢水污染問題。同時，還可以利用納米TiO2對農(nóng)藥污染進(jìn)行源頭處治理，利用納米TiO2的光催化活性對農(nóng)藥廢水進(jìn)行永久性降解，解決農(nóng)藥廢水的污染問題。
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學(xué)上的投入要比2000財政年增長83%，達(dá)到5億美金。有兩個主要的理由導(dǎo)致人們對納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運(yùn)器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導(dǎo)體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢。根據(jù)“國際半導(dǎo)體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預(yù)期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預(yù)期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預(yù)期就會出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預(yù)期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導(dǎo)體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計和制造方案，因為當(dāng)MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎(chǔ)物理極限就會達(dá)到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進(jìn)一步縮小，量子效應(yīng)比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應(yīng)操作機(jī)制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學(xué)上，單電子輸運(yùn)器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數(shù)個而非以往的成千上萬的電子來運(yùn)作，這導(dǎo)致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關(guān)速度。在光電子學(xué)上，量子點激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學(xué)和生物分子，而且開啟了細(xì)胞內(nèi)探測的可能性，這將導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。
II.納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團(tuán)簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）。“build-up“的優(yōu)點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當(dāng)大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當(dāng)困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團(tuán)簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法?？墒沁@些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實際應(yīng)用，這是因為它們?nèi)狈嵱盟燎蟮某叽?、組份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當(dāng)差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機(jī)理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進(jìn)行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機(jī)制來制造量子點結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當(dāng)材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點激光器也已經(jīng)報道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達(dá)到商業(yè)化器件所要求的指標(biāo)，預(yù)期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點基光電子器件的進(jìn)一步改善主要取決于量子點幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機(jī)變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點。由于量子點尺寸的統(tǒng)計漲落和位置的隨機(jī)變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現(xiàn)出豎直對準(zhǔn)排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當(dāng)隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點。怎樣優(yōu)化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。
很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進(jìn)一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
在未來的十年中，納米科學(xué)和技術(shù)的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個新的時期，科學(xué)家和工程師需要征明納米結(jié)構(gòu)的潛能以及期望功能能夠得到兌現(xiàn)。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現(xiàn)人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學(xué)的下次浪潮的關(guān)鍵點是納米結(jié)構(gòu)的人為可控性。
III.納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發(fā)揮量子點的優(yōu)勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經(jīng)預(yù)刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級效應(yīng)，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達(dá)到的精度極限。有幾項技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。
—電子束光刻通?？梢杂脕碇谱魈卣鞒叨刃≈?0納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應(yīng)（proximityeffect）而嚴(yán)重影響了光刻的極限精度，這個效應(yīng)造成制備空間上緊鄰的納米結(jié)構(gòu)的困難。這項技術(shù)的主要缺點是相當(dāng)費(fèi)時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。電子束投影系統(tǒng)如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發(fā)展之中以便使這項技術(shù)較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時和近鄰干擾效應(yīng)這兩個問題還沒有得到解決。
—聚焦離子束光刻是一種機(jī)制上類似于電子束光刻的技術(shù)。但不同于電子束光刻的是這種技術(shù)并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細(xì)到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術(shù)，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強(qiáng)的氧化機(jī)制的。此項技術(shù)已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導(dǎo)體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優(yōu)點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等?？臻g分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區(qū)域典型地小于針尖尺寸）。這項技術(shù)已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術(shù)的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術(shù)上的技術(shù)進(jìn)展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術(shù)的顯著優(yōu)點是它的杰出的分辨率和能產(chǎn)生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術(shù)。
—多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產(chǎn)生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復(fù)制。用這項技術(shù)已制造出含有細(xì)至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復(fù)的相分離機(jī)制的技術(shù)。目前，經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后，在旋轉(zhuǎn)涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉(zhuǎn)移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產(chǎn)生；在第二種情況，島狀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術(shù)已制造出GaAs納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向特征尺寸約為23nm,密度高達(dá)1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業(yè)化的產(chǎn)品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術(shù)的能力已得到確認(rèn)。納米球珠光刻術(shù)（納米球珠膜的旋轉(zhuǎn)涂敷結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕）已被用來在一些半導(dǎo)體表面上制造空洞和柱狀體納米結(jié)構(gòu)。
—將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復(fù)制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復(fù)制鑄模法的可能優(yōu)點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機(jī)械加壓能夠制作不同側(cè)向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術(shù)）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優(yōu)點是不需要加熱。納米壓印術(shù)已被證明可用來制作具有容量達(dá)400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進(jìn)行圖形刻制。除傳統(tǒng)的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術(shù)中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)該選用具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。為了取得高產(chǎn)，下列因素要解決：
1）大的戳子尺寸
2）高圖形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）壓印溫度和壓力的優(yōu)化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經(jīng)被制作出來。已有少量研究工作在試圖優(yōu)化壓印溫度和壓力，但顯然需要進(jìn)行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優(yōu)化參數(shù)。高圖形密度戳子的制作依然在發(fā)展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進(jìn)行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進(jìn)行大約5次壓印后需要更換。值得關(guān)心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續(xù)壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進(jìn)一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項技術(shù)似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對準(zhǔn)、加熱及冷卻循環(huán)等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。
IV．納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術(shù)可以用來高產(chǎn)量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：
1．在一塊模版上刻寫圖形
2．在過渡性或者功能性材料上復(fù)制模版上的圖形
3．轉(zhuǎn)移在過渡性或者功能性材料上復(fù)制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項技術(shù)，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術(shù)，已經(jīng)能夠刻寫非常細(xì)小的圖形。然而，這些技術(shù)都因相當(dāng)費(fèi)時而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術(shù)則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項技術(shù)似乎很有希望，但是在它能被廣泛應(yīng)用之前現(xiàn)存的嚴(yán)重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術(shù)則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術(shù)中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術(shù)刻寫的納米結(jié)構(gòu)的形狀非常有限。當(dāng)這些技術(shù)被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖形。為了能夠制造出高質(zhì)量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉(zhuǎn)移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術(shù)典型地不產(chǎn)生或者產(chǎn)生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結(jié)構(gòu)的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術(shù)，譬如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優(yōu)化條件下可以獲得陡峭的側(cè)墻。直到今天大多數(shù)刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關(guān)于刻蝕引入損傷的研究嚴(yán)重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當(dāng)器件中的個別有源區(qū)尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結(jié)構(gòu)都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結(jié)構(gòu)表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達(dá)到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學(xué)近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進(jìn)一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達(dá)到可以接受的刻寫速度。利用轉(zhuǎn)移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術(shù)，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術(shù)則提供了實現(xiàn)成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術(shù)是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對的問題。需要將圖形從一張模版復(fù)制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術(shù)途徑。模版可以用其他慢寫技術(shù)來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復(fù)制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學(xué)自組裝圖形形成機(jī)制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產(chǎn)率，某些技術(shù)問題如穿刺及因灰塵導(dǎo)致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運(yùn)行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術(shù)能同時滿足上述所有條件?，F(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。
另一項挑戰(zhàn)是，為了更新我們關(guān)于納米結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和知識，有必要改善現(xiàn)有的表征技術(shù)或者發(fā)展一種新技術(shù)能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力對于研究這些結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是絕對至關(guān)重要的。目前表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力非常有限。譬如，沒有一種結(jié)構(gòu)表征工具能夠用來確定一個納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(shù)(TEM)能夠用來研究一個晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，但是它不能提供有關(guān)表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術(shù)（STM）和原子力顯微術(shù)（AFM）能夠給出表面某區(qū)域的形貌，但它們并不能提供定量結(jié)構(gòu)信息好到能仔細(xì)理解表面性質(zhì)所要求的精度。當(dāng)近場光學(xué)方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時，它們能給出的關(guān)于局部雜質(zhì)濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術(shù)能夠擴(kuò)展到能夠用來研究單個納米體的表面和內(nèi)部情況，否則能夠得到的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的所有重要結(jié)構(gòu)和組份的定量信息非常有限。
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
納米科學(xué)和技術(shù)所涉及的是具有尺寸在1-100納米范圍的結(jié)構(gòu)的制備和表征。在這個領(lǐng)域的研究舉世矚目。例如，美國政府2001財政年度在納米尺度科學(xué)上的投入要比2000財政年增長83%，達(dá)到5億美金。有兩個主要的理由導(dǎo)致人們對納米尺度結(jié)構(gòu)和器件的興趣的增加。第一個理由是，納米結(jié)構(gòu)（尺度小于20納米）足夠小以至于量子力學(xué)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，這導(dǎo)致非經(jīng)典的行為，譬如，量子限制效應(yīng)和分立化的能態(tài)、庫侖阻塞以及單電子邃穿等。這些現(xiàn)象除引起人們對基礎(chǔ)物理的興趣外，亦給我們帶來全新的器件制備和功能實現(xiàn)的想法和觀念，例如，單電子輸運(yùn)器件和量子點激光器等。第二個理由是，在半導(dǎo)體工業(yè)有器件持續(xù)微型化的趨勢。根據(jù)“國際半導(dǎo)體技術(shù)路向（2001）“雜志，2005年前動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）和微處理器（MPU）的特征尺寸預(yù)期降到80納米，而MPU中器件的柵長更是預(yù)期降到45納米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的問題預(yù)期就會出現(xiàn)。到2005年類似的問題將預(yù)期出現(xiàn)在DRAM的制造過程中。半導(dǎo)體器件特征尺寸的深度縮小不僅要求新型光刻技術(shù)保證能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件設(shè)計和制造方案，因為當(dāng)MOS器件的尺寸縮小到一定程度時基礎(chǔ)物理極限就會達(dá)到。隨著傳統(tǒng)器件尺寸的進(jìn)一步縮小，量子效應(yīng)比如載流子邃穿會造成器件漏電流的增加，這是我們不想要的但卻是不可避免的。因此，解決方案將會是制造基于量子效應(yīng)操作機(jī)制的新型器件，以便小物理尺寸對器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我們能夠制造納米尺度的器件，我們肯定會獲益良多。譬如，在電子學(xué)上，單電子輸運(yùn)器件如單電子晶體管、旋轉(zhuǎn)柵門管以及電子泵給我們帶來諸多的微尺度好處，他們僅僅通過數(shù)個而非以往的成千上萬的電子來運(yùn)作，這導(dǎo)致超低的能量消耗，在功率耗散上也顯著減弱，以及帶來快得多的開關(guān)速度。在光電子學(xué)上，量子點激光器展現(xiàn)出低閾值電流密度、弱閾值電流溫度依賴以及大的微分增益等優(yōu)點，其中大微分增益可以產(chǎn)生大的調(diào)制帶寬。在傳感器件應(yīng)用上，納米傳感器和納米探測器能夠測量極其微量的化學(xué)和生物分子，而且開啟了細(xì)胞內(nèi)探測的可能性，這將導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)上迷你型的侵入診斷技術(shù)出現(xiàn)。納米尺度量子點的其他器件應(yīng)用，比如，鐵磁量子點磁記憶器件、量子點自旋過濾器及自旋記憶器等，也已經(jīng)被提出，可以肯定這些應(yīng)用會給我們帶來許多潛在的好處?？偠灾?，無論是從基礎(chǔ)研究（探索基于非經(jīng)典效應(yīng)的新物理現(xiàn)象）的觀念出發(fā)，還是從應(yīng)用（受因結(jié)構(gòu)減少空間維度而帶來的優(yōu)點以及因應(yīng)半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)減小而需要這兩個方面的因素驅(qū)使）的角度來看，納米結(jié)構(gòu)都是令人極其感興趣的。
II.納米結(jié)構(gòu)的制備———首次浪潮
有兩種制備納米結(jié)構(gòu)的基本方法：build-up和build-down。所謂build-up方法就是將已預(yù)制好的納米部件（納米團(tuán)簇、納米線以及納米管）組裝起來；而build-down方法就是將納米結(jié)構(gòu)直接地淀積在襯底上。前一種方法包含有三個基本步驟：1）納米部件的制備；2）納米部件的整理和篩選；3）納米部件組裝成器件（這可以包括不同的步驟如固定在襯底及電接觸的淀積等等）?！癰uild-up“的優(yōu)點是個體納米部件的制備成本低以及工藝簡單快捷。有多種方法如氣相合成以及膠體化學(xué)合成可以用來制備納米元件。目前，在國內(nèi)、在香港以及在世界上許多的實驗室里這些方法正在被用來合成不同材料的納米線、納米管以及納米團(tuán)簇。這些努力已經(jīng)證明了這些方法的有效性。這些合成方法的主要缺點是材料純潔度較差、材料成份難以控制以及相當(dāng)大的尺寸和形狀的分布。此外，這些納米結(jié)構(gòu)的合成后工藝再加工相當(dāng)困難。特別是，如何整理和篩選有著窄尺寸分布的納米元件是一個至關(guān)重要的問題，這一問題迄今仍未有解決。盡管存在如上的困難和問題，“build-up“依然是一種能合成大量納米團(tuán)簇以及納米線、納米管的有效且簡單的方法?？墒沁@些合成的納米結(jié)構(gòu)直到目前為止仍然難以有什么實際應(yīng)用，這是因為它們?nèi)狈嵱盟燎蟮某叽纭⒔M份以及材料純度方面的要求。而且，因為同樣的原因用這種方法合成的納米結(jié)構(gòu)的功能性質(zhì)相當(dāng)差。不過上述方法似乎適宜用來制造傳感器件以及生物和化學(xué)探測器，原因是垂直于襯底生長的納米結(jié)構(gòu)適合此類的應(yīng)用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料純度控制，而且它的制造機(jī)理與現(xiàn)代工業(yè)裝置相匹配，換句話說，它是利用廣泛已知的各種外延技術(shù)如分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相淀積（MOVCD）等來進(jìn)行器件制造的傳統(tǒng)方法?！癇uild-down”方法的缺點是較高的成本。在“build-down”方法中有幾條不同的技術(shù)路徑來制造納米結(jié)構(gòu)。最簡單的一種，也是最早使用的一種是直接在襯底上刻蝕結(jié)構(gòu)來得到量子點或者量子線。另外一種是包括用離子注入來形成納米結(jié)構(gòu)。這兩種技術(shù)都要求使用開有小尺寸窗口的光刻版。第三種技術(shù)是通過自組裝機(jī)制來制造量子點結(jié)構(gòu)。自組裝方法是在晶格失配的材料中自然生長納米尺度的島。在Stranski-Krastanov生長模式中，當(dāng)材料生長到一定厚度后，二維的逐層生長將轉(zhuǎn)換成三維的島狀生長，這時量子點就會生成。業(yè)已證明基于自組裝量子點的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子點器件的飽和材料增益要比相應(yīng)的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3個量級。閾值電流密度低于100A/cm2、室溫輸出功率在瓦特量級（典型的量子阱基激光器的輸出功率是5-50mW）的連續(xù)波量子點激光器也已經(jīng)報道。無論是何種材料系統(tǒng)，量子點激光器件都預(yù)期具有低閾值電流密度，這預(yù)示目前還要求在大閾值電流條件下才能激射的寬帶系材料如III組氮化物基激光器還有很大的顯著改善其性能的空間。目前這類器件的性能已經(jīng)接近或達(dá)到商業(yè)化器件所要求的指標(biāo)，預(yù)期量子點基的此類材料激光器將很快在市場上出現(xiàn)。量子點基光電子器件的進(jìn)一步改善主要取決于量子點幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。雖然在生長條件上如襯底溫度、生長元素的分氣壓等的變化能夠在一定程度上控制點的尺寸和密度，自組裝量子點還是典型底表現(xiàn)出在大小、密度及位置上的隨機(jī)變化，其中僅僅是密度可以粗糙地控制。自組裝量子點在尺寸上的漲落導(dǎo)致它們的光發(fā)射的非均勻展寬，因此減弱了使用零維體系制作器件所期望的優(yōu)點。由于量子點尺寸的統(tǒng)計漲落和位置的隨機(jī)變化，一層含有自組裝量子點材料的光致發(fā)光譜典型地很寬。在豎直疊立的多層量子點結(jié)構(gòu)中這種譜展寬效應(yīng)可以被減弱。如果隔離層足夠薄，豎直疊立的多層量子點可典型地展現(xiàn)出豎直對準(zhǔn)排列，這可以有效地改善量子點的均勻性。然而，當(dāng)隔離層薄的時候，在一列量子點中存在載流子的耦合，這將失去因使用零維系統(tǒng)而帶來的優(yōu)點。怎樣優(yōu)化量子點的尺寸和隔離層的厚度以便既能獲得好均勻性的量子點又同時保持載流子能夠限制在量子點的個體中對于獲得器件的良好性能是至關(guān)重要的。
很清楚納米科學(xué)的首次浪潮發(fā)生在過去的十年中。在這段時期，研究者已經(jīng)證明了納米結(jié)構(gòu)的許多嶄新的性質(zhì)。學(xué)者們更進(jìn)一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法來進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)制造。這些成果向我們展示，如果納米結(jié)構(gòu)能夠大量且廉價地被制造出來，我們必將收獲更多的成果。
在未來的十年中，納米科學(xué)和技術(shù)的第二次浪潮很可能發(fā)生。在這個新的時期，科學(xué)家和工程師需要征明納米結(jié)構(gòu)的潛能以及期望功能能夠得到兌現(xiàn)。只有獲得在尺寸、成份、位序以及材料純度上良好可控能力并成功地制造出實用器件才能實現(xiàn)人們對納米器件所期望的功能。因此，納米科學(xué)的下次浪潮的關(guān)鍵點是納米結(jié)構(gòu)的人為可控性。
III.納米結(jié)構(gòu)尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
為了充分發(fā)揮量子點的優(yōu)勢之處，我們必須能夠控制量子點的位置、大小、成份已及密度。其中一個可行的方法是將量子點生長在已經(jīng)預(yù)刻有圖形的襯底上。由于量子點的橫向尺寸要處在10-20納米范圍（或者更小才能避免高激發(fā)態(tài)子能級效應(yīng)，如對于GaN材料量子點的橫向尺寸要小于8納米）才能實現(xiàn)室溫工作的光電子器件，在襯底上刻蝕如此小的圖形是一項挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。對于單電子晶體管來說，如果它們能在室溫下工作，則要求量子點的直徑要小至1-5納米的范圍。這些微小尺度要求已超過了傳統(tǒng)光刻所能達(dá)到的精度極限。有幾項技術(shù)可望用于如此的襯底圖形制作。
—電子束光刻通?？梢杂脕碇谱魈卣鞒叨刃≈?0納米的圖形。如果特殊薄膜能夠用作襯底來最小化電子散射問題，那特征尺寸小至2納米的圖形可以制作出來。在電子束光刻中的電子散射因為所謂近鄰干擾效應(yīng)（proximityeffect）而嚴(yán)重影響了光刻的極限精度，這個效應(yīng)造成制備空間上緊鄰的納米結(jié)構(gòu)的困難。這項技術(shù)的主要缺點是相當(dāng)費(fèi)時。例如，刻寫一張4英寸的硅片需要時間1小時，這不適宜于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。電子束投影系統(tǒng)如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在發(fā)展之中以便使這項技術(shù)較適于用于規(guī)模生產(chǎn)。目前，耗時和近鄰干擾效應(yīng)這兩個問題還沒有得到解決。
—聚焦離子束光刻是一種機(jī)制上類似于電子束光刻的技術(shù)。但不同于電子束光刻的是這種技術(shù)并不受在光刻膠中的離子散射以及從襯底來的離子背散射影響。它能刻出特征尺寸細(xì)到6納米的圖形，但它也是一種耗時的技術(shù)，而且高能離子束可能造成襯底損傷。
—掃描微探針術(shù)可以用來劃刻或者氧化襯底表面，甚至可以用來操縱單個原子和分子。最常用的方法是基于材料在探針作用下引入的高度局域化增強(qiáng)的氧化機(jī)制的。此項技術(shù)已經(jīng)用來刻劃金屬（Ti和Cr）、半導(dǎo)體（Si和GaAs）以及絕緣材料（Si3N4和silohexanes），還用在LB膜和自聚集分子單膜上。此種方法具有可逆和簡單易行等優(yōu)點。引入的氧化圖形依賴于實驗條件如掃描速度、樣片偏壓以及環(huán)境濕度等。空間分辨率受限于針尖尺寸和形狀（雖然氧化區(qū)域典型地小于針尖尺寸）。這項技術(shù)已用于制造有序的量子點陣列和單電子晶體管。這項技術(shù)的主要缺點是處理速度慢（典型的刻寫速度為1mm/s量級）。然而，最近在原子力顯微術(shù)上的技術(shù)進(jìn)展—使用懸臂樑陣列已將掃描速度提高到4mm/s。此項技術(shù)的顯著優(yōu)點是它的杰出的分辨率和能產(chǎn)生任意幾何形狀的圖形能力。但是，是否在刻寫速度上的改善能使它適用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的還有待于觀察。直到目前為止，它是一項能操控單個原子和分子的唯一技術(shù)。
—多孔膜作為淀積掩版的技術(shù)。多孔膜能用多種光刻術(shù)再加腐蝕來制備，它也可以用簡單的陽極氧化方法來制備。鋁膜在酸性腐蝕液中陽極氧化就可以在鋁膜上產(chǎn)生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范圍。制備多孔膜的其他方法是從納米溝道玻璃膜復(fù)制。用這項技術(shù)已制造出含有細(xì)至40nm的空洞的鎢、鉬、鉑以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物圖形制作術(shù)是一種基于不同聚合物的混合物能夠產(chǎn)生可控及可重復(fù)的相分離機(jī)制的技術(shù)。目前，經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕后，在旋轉(zhuǎn)涂敷的倍塞共聚物層中產(chǎn)生的圖形已被成功地轉(zhuǎn)移到Si3N4膜上，圖形中空洞直徑20nm，空洞之間間距40nm。在聚苯乙烯基體中的自組織形成的聚異戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱體）可以被臭氧去掉或者通過鋨染色而保留下來。在第一種情況，空洞能夠在氮化硅上產(chǎn)生；在第二種情況，島狀結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生。目前利用倍塞共聚物光刻技術(shù)已制造出GaAs納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向特征尺寸約為23nm,密度高達(dá)1011/cm2。
—與倍塞共聚物圖形制作術(shù)緊密相關(guān)的一項技術(shù)是納米球珠光刻術(shù)。此項技術(shù)的基本思路是將在旋轉(zhuǎn)涂敷的球珠膜中形成的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。各種尺寸的聚合物球珠是商業(yè)化的產(chǎn)品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比較困難的。用球珠單層膜已能制備出特征尺寸約為球珠直徑1/5的三角形圖形。雙層膜納米球珠掩膜版也已被制作出。能夠在金屬、半導(dǎo)體以及絕緣體襯底上使用納米球珠光刻術(shù)的能力已得到確認(rèn)。納米球珠光刻術(shù)（納米球珠膜的旋轉(zhuǎn)涂敷結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕）已被用來在一些半導(dǎo)體表面上制造空洞和柱狀體納米結(jié)構(gòu)。
—將圖形從母體版轉(zhuǎn)移到襯底上的其他光刻技術(shù)。幾種所謂“軟光刻“方法，比如復(fù)制鑄模法、微接觸印刷法、溶劑輔助鑄模法以及用硬模版浮雕法等已被探索開發(fā)。其中微接觸印刷法已被證明只能用來刻制特征尺寸大于100nm的圖形。復(fù)制鑄模法的可能優(yōu)點是ellastometric聚合物可被用來制作成一個戳子，以便可用同一個戳子通過對戳子的機(jī)械加壓能夠制作不同側(cè)向尺寸的圖形。在溶劑輔助鑄模法和用硬模版浮雕法（或通常稱之為納米壓印術(shù)）之間的主要差異是，前者中溶劑被用于軟化聚合物，而后者中軟化聚合物依靠的是溫度變化。溶劑輔助鑄模法的可能優(yōu)點是不需要加熱。納米壓印術(shù)已被證明可用來制作具有容量達(dá)400Gb/in2的納米激光光盤，在6英寸硅片上刻制亞100nm分辨的圖形，刻制10nmX40nm面積的長方形，以及在4英寸硅片上進(jìn)行圖形刻制。除傳統(tǒng)的平面納米壓印光刻法之外，滾軸型納米壓印光刻法也已被提出。在此類技術(shù)中溫度被發(fā)現(xiàn)是一個關(guān)鍵因素。此外，應(yīng)該選用具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的聚合物。為了取得高產(chǎn)，下列因素要解決：
1）大的戳子尺寸
2）高圖形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）壓印溫度和壓力的優(yōu)化
5）長戳子壽命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已經(jīng)被制作出來。已有少量研究工作在試圖優(yōu)化壓印溫度和壓力，但顯然需要進(jìn)行更多的研究工作才能得到溫度和壓力的優(yōu)化參數(shù)。高圖形密度戳子的制作依然在發(fā)展之中。還沒有足夠量的工作來研究戳子的壽命問題。曾有研究報告報道，覆蓋有超薄的特氟隆類薄膜的模板可以用來進(jìn)行50次的浮刻而不需要中間清洗。報告指出最大的性能退化來自于嵌在戳子和聚合物之間的灰塵顆粒。如果戳子是從ellastometric母版制作出來的，抗穿刺層可能需要使用，而且進(jìn)行大約5次壓印后需要更換。值得關(guān)心的其他可能問題包括鑲嵌的灰塵顆引起的戳子損傷或聚合物中圖形損傷，以及連續(xù)壓印之間戳子的清洗需要等。盡管進(jìn)一步的優(yōu)化和改良是必需的，但此項技術(shù)似乎有希望獲得高生產(chǎn)率。壓印過程包括對準(zhǔn)、加熱及冷卻循環(huán)等，整個過程所需時間大約20分鐘。使用具有較低玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的聚合物可以縮短加熱和冷卻循環(huán)所需時間，因此可以縮短整個壓印過程時間。IV．納米制造所面對的困難和挑戰(zhàn)
上述每一種用于在襯底上圖形刻制的技術(shù)都有其優(yōu)點和缺點。目前，似乎沒有哪個單一種技術(shù)可以用來高產(chǎn)量地刻制納米尺度且任意形狀的圖形。我們可以將圖形刻制的全過程分成下列步驟：
1．在一塊模版上刻寫圖形
2．在過渡性或者功能性材料上復(fù)制模版上的圖形
3．轉(zhuǎn)移在過渡性或者功能性材料上復(fù)制的圖形。
很顯然第二步是最具挑戰(zhàn)性的一步。先前描述的各項技術(shù)，例如電子束光刻或者掃描微探針光刻技術(shù)，已經(jīng)能夠刻寫非常細(xì)小的圖形。然而，這些技術(shù)都因相當(dāng)費(fèi)時而不適于規(guī)模生產(chǎn)。納米壓印術(shù)則因可作多片并行處理而可能解決規(guī)模生產(chǎn)問題。此項技術(shù)似乎很有希望，但是在它能被廣泛應(yīng)用之前現(xiàn)存的嚴(yán)重的材料問題必須加以解決。納米球珠和倍塞共聚物光刻術(shù)則提供了將第一步和第二步整合的解決方案。在這些技術(shù)中，圖形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分來確定。然而，用這兩種光刻術(shù)刻寫的納米結(jié)構(gòu)的形狀非常有限。當(dāng)這些技術(shù)被人們看好有很大的希望用來刻寫圖形以便生長出有序的納米量子點陣列時，它們卻完全不適于用來刻制任意形狀和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖形。為了能夠制造出高質(zhì)量的納米器件，不但必須能夠可靠地將圖形轉(zhuǎn)移到功能材料上，還必須保證在刻蝕過程中引入最小的損傷。濕法腐蝕技術(shù)典型地不產(chǎn)生或者產(chǎn)生最小的損傷，可是濕法腐蝕并不十分適于制備需要陡峭側(cè)墻的結(jié)構(gòu)，這是因為在掩模版下一定程度的鉆蝕是不可避免的，而這個鉆蝕決定性地影響微小結(jié)構(gòu)的刻制。另一方面，用干法刻蝕技術(shù)，譬如，反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者電子回旋共振（ECR）刻蝕，在優(yōu)化條件下可以獲得陡峭的側(cè)墻。直到今天大多數(shù)刻蝕研究都集中于刻蝕速度以及刻蝕出垂直墻的能力，而關(guān)于刻蝕引入損傷的研究嚴(yán)重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深處探測到刻蝕引入的損傷。當(dāng)器件中的個別有源區(qū)尺寸小于100nm時，如此大的損傷是不能接受的。還有就是因為所有的納米結(jié)構(gòu)都有大的表面-體積比，必須盡可能地減少在納米結(jié)構(gòu)表面或者靠近的任何缺陷。
隨著器件持續(xù)微型化的趨勢的發(fā)展，普通光刻技術(shù)的精度將很快達(dá)到它的由光的衍射定律以及材料物理性質(zhì)所確定的基本物理極限。通過采用深紫外光和相移版，以及修正光學(xué)近鄰干擾效應(yīng)等措施，特征尺寸小至80nm的圖形已能用普通光刻技術(shù)制備出。然而不大可能用普通光刻技術(shù)再進(jìn)一步顯著縮小尺寸。采用X光和EUV的光刻技術(shù)仍在研發(fā)之中，可是發(fā)展這些技術(shù)遇到在光刻膠以及模版制備上的諸多困難。目前來看，雖然也有一些具挑戰(zhàn)性的問題需要解決，特別是需要克服電子束散射以及相關(guān)聯(lián)的近鄰干擾效應(yīng)問題，但投影式電子束光刻似乎是有希望的一種技術(shù)。掃描微探針技術(shù)提供了能分辨單個原子或分子的無可匹敵的精度，可是此項技術(shù)卻有固有的慢速度，目前還不清楚通過給它加裝陣列懸臂樑能否使它達(dá)到可以接受的刻寫速度。利用轉(zhuǎn)移在自組裝薄膜中形成的圖形的技術(shù)，例如倍塞共聚物以及納米球珠刻寫技術(shù)則提供了實現(xiàn)成本不是那么昂貴的大面積圖形刻寫的一種可能途徑。然而，在這種方式下形成的圖形僅局限于點狀或者柱狀圖形。對于制造相對簡單的器件而言，此類技術(shù)是足夠用的，但并不能解決微電子工業(yè)所面對的問題。需要將圖形從一張模版復(fù)制到聚合物膜上的各種所謂“軟光刻“方法提供了一種并行刻寫的技術(shù)途徑。模版可以用其他慢寫技術(shù)來刻制，然后在模版上的圖形可以通過要么熱輔助要么溶液輔助的壓印法來復(fù)制。同一塊模版可以用來刻寫多塊襯底，而且不像那些依賴化學(xué)自組裝圖形形成機(jī)制的方法，它可以用來刻制任意形狀的圖形。然而，要想獲得高生產(chǎn)率，某些技術(shù)問題如穿刺及因灰塵導(dǎo)致的損傷等問題需要加以解決。對一個理想的納米刻寫技術(shù)而言，它的運(yùn)行和維修成本應(yīng)該低，它應(yīng)具備可靠地制備尺寸小但密度高的納米結(jié)構(gòu)的能力，還應(yīng)有在非平面上刻制圖形的能力以及制備三維結(jié)構(gòu)的功能。此外，它也應(yīng)能夠做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而時至今日，仍然沒有任何一項能制作亞100nm圖形的單項技術(shù)能同時滿足上述所有條件?，F(xiàn)在還難說是否上述技術(shù)中的一種或者它們的某種組合會取代傳統(tǒng)的光刻技術(shù)。究竟是現(xiàn)有刻寫技術(shù)的組合還是一種全新的技術(shù)會成為最終的納米刻寫技術(shù)還有待于觀察。
另一項挑戰(zhàn)是，為了更新我們關(guān)于納米結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和知識，有必要改善現(xiàn)有的表征技術(shù)或者發(fā)展一種新技術(shù)能夠用來表征單個納米尺度物體。由于自組裝量子點在尺寸上的自然漲落，可信地表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力對于研究這些結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)是絕對至關(guān)重要的。目前表征單個納米結(jié)構(gòu)的能力非常有限。譬如，沒有一種結(jié)構(gòu)表征工具能夠用來確定一個納米結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)到0.1À的精度或者更佳。透射電子顯微術(shù)(TEM)能夠用來研究一個晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況，但是它不能提供有關(guān)表面以及靠近表面的原子排列情況的信息。掃描隧道顯微術(shù)（STM）和原子力顯微術(shù)（AFM）能夠給出表面某區(qū)域的形貌，但它們并不能提供定量結(jié)構(gòu)信息好到能仔細(xì)理解表面性質(zhì)所要求的精度。當(dāng)近場光學(xué)方法能夠給出局部區(qū)域光譜信息時，它們能給出的關(guān)于局部雜質(zhì)濃度的信息則很有限。除非目前用來表征表面和體材料的技術(shù)能夠擴(kuò)展到能夠用來研究單個納米體的表面和內(nèi)部情況，否則能夠得到的有關(guān)納米結(jié)構(gòu)的所有重要結(jié)構(gòu)和組份的定量信息非常有限。
1.倫理學(xué)與納米技術(shù)
納米(nanometer，nm)與分米、厘米一樣，是一個長度單位，1納米等于十億分之一米，也就是10-9米，相當(dāng)于10個氫原子排列成一行的長度，或相當(dāng)于一根頭發(fā)絲直徑的萬分之一。進(jìn)入21世紀(jì)以來，納米技術(shù)非常廣泛地應(yīng)用在醫(yī)藥、能源、材料和環(huán)境治理等多個方面，已迅速發(fā)展成為引領(lǐng)世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一。納米技術(shù)的大肆傳播，已經(jīng)引起了人們的狂熱的追求和盲目的樂觀 [1]。納米技術(shù)自身的特點和發(fā)展?fàn)顩r要求我們從一種徹底不同的角度考慮納米技術(shù)的倫理問題，而這種更新穎的倫理方法或觀點應(yīng)該更注重未來納米技術(shù)的發(fā)展[2]。
倫理，通常與禁止和限制相關(guān)，特別是當(dāng)它涉及到技術(shù)的時候， 其約束是很多的。倫理學(xué)可以指導(dǎo)包括確定我們更好的生活的方式，以及告訴我們作為個人也好社會的一部分也好，應(yīng)該如何爭取和實現(xiàn)我們理想，并且使我們無愧于一個活生生的人。因此，盡管納米技術(shù)的倫理問題涉及到禁止和限制，但這不是全部問題之所在，甚至還算不上最重要的部分。
2.與納米技術(shù)有關(guān)的社會和倫理問題的三個誤區(qū)
作為一個社會人，我們已經(jīng)認(rèn)識到，學(xué)會跟蹤一種新技術(shù)應(yīng)用帶來影響的能力是很重要的，而且對這種技術(shù)的倫理方面影響的考慮也是越早越好[3]。然而就與納米技術(shù)相關(guān)的社會和倫理問題而言，還普遍存在三個誤區(qū)。
2.1認(rèn)為討論倫理和社會問題還為時過早
認(rèn)為討論倫理和社會問題還為時過早的前提主要來源于兩種主張。一是認(rèn)為納米技術(shù)能力的描述、控制和建設(shè)過程，即實踐的納米科學(xué)與工程沒有什么社會和道德問題的特點。二是目前還很少有產(chǎn)品含有已經(jīng)完成了納米粒子的設(shè)計，工藝或設(shè)備的制定了，更不用說大量生產(chǎn)和廣泛傳播了[4]。如果納米技術(shù)的實踐在社會和道德上是無害的或者納米技術(shù)本身基本上不存在，那么，社會和倫理方面的考慮必須無限延期下去。
2.2認(rèn)為現(xiàn)在討論倫理問題意義不大
第二個誤區(qū)的前提認(rèn)為技術(shù)創(chuàng)新是必然的--甚至呈現(xiàn)出指數(shù)增長--當(dāng)然，在這一過程中也會伴隨著他的益處。所以，在這種情況下，強(qiáng)調(diào)與納米技術(shù)革命相關(guān)的社會和倫理問題是最沒有意義也最不利的，因為任何東西都可能延緩納米技術(shù)為社會做出貢獻(xiàn)的步伐。要想促進(jìn)社會發(fā)展，就要推動技術(shù)發(fā)展，盡可能地?zé)o阻礙、無約束、無監(jiān)管的去應(yīng)用和傳播。還有，要健康發(fā)展就要教育人民了解納米技術(shù)，促進(jìn)公眾接受它，促進(jìn)產(chǎn)品的商業(yè)化并準(zhǔn)備人員和機(jī)構(gòu)以便我們調(diào)整、減輕和補(bǔ)救那些意想不到的健康和安全方面的影響。
2.3認(rèn)為確保公眾接受才是關(guān)鍵所在
對于納米技術(shù)研究持續(xù)性發(fā)展的支持，以及將納米技術(shù)最終融入到消費(fèi)產(chǎn)品和合理應(yīng)用的問題上，公眾對于納米技術(shù)的接受程度將成為其中的決定性因素。有一個普遍的觀點，甚至存在于那些大力倡導(dǎo)社會和倫理研究的專家當(dāng)中，這個觀點認(rèn)為：通過向公眾顯示關(guān)于納米技術(shù)的社會性擔(dān)憂已經(jīng)得到了解決，由此幫助納米技術(shù)獲得更多的公眾認(rèn)可度并保證其能夠順利的與國民和國際經(jīng)濟(jì)的發(fā)展相結(jié)合。
3.納米技術(shù)可能引發(fā)的社會和倫理問題
納米技術(shù)的發(fā)展存在著很大的風(fēng)險和不確定性，在發(fā)展和使用新興的納米技術(shù)滿足人類和社會緊迫需要的同時，如何充分而合理地去預(yù)見和減輕不利的影響或未曾想到的結(jié)果，已成為各國政府和科學(xué)界關(guān)注和研究的一個重要問題[5]。從納米技術(shù)的應(yīng)用及價值來看,具有極大潛力改變我們未來幾十年的生活方式,但正如波普爾所說的，"科學(xué)進(jìn)步是一種悲喜交集的福音"。所以解決其引發(fā)諸多的社會和倫理問題勢在必行。
3.1有爭議的道德問題
有爭議的道德問題可能涉及到研究和工程實踐亦或產(chǎn)品使用。例如，納米技術(shù)涉及包括轉(zhuǎn)基因生物體、使用胚胎干細(xì)胞和嵌合體的研究、合成生物學(xué)、建設(shè)人工生物武器的發(fā)展、基因?qū)＠⒑托薷娜说谋拘?。?dāng)然，有爭議的道德問題往往不是獨有的納米技術(shù)，雖然在某些情況下，納米技術(shù)可能實現(xiàn)它們特別引人注目的或有爭議的開發(fā)工具。
3.2社會環(huán)境問題
社會環(huán)境問題產(chǎn)生于納米技術(shù)同社會體制以及納米技術(shù)出現(xiàn)的體制背景的相互作用。由于納米技術(shù)是一項普遍使用，可以獲得的技術(shù)，所以它出現(xiàn)的可能引發(fā)的社會環(huán)境問題也是廣泛的，例如，獲得技術(shù)的公平問題，信息安全和隱私保護(hù)問題，知識產(chǎn)權(quán)問題，法律和政策問題，各種利益之間的沖突問題等等。納米技術(shù)不是環(huán)境負(fù)擔(dān)和利益分布的原因，設(shè)計能力，控制和納米級的創(chuàng)建并非天生是不公正的。當(dāng)考慮了納米技術(shù)的特點和實踐，環(huán)境正義似乎不是一個納米技術(shù)的問題。因此，不把社會環(huán)境問題理清楚，納米技術(shù)的可靠發(fā)展是不完整的。
3.3生命形式問題
生命形式問題出現(xiàn)于納米技術(shù)在社會標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范和結(jié)構(gòu)，比如家庭結(jié)構(gòu)，社會網(wǎng)絡(luò)和生活軌跡等方面。社會規(guī)范往往是基于事實，或特定的理解，比如我們彼此的關(guān)系和我們與自然環(huán)境的關(guān)系。納米技術(shù)的出現(xiàn)有可能改變這種狀況，如果納米技術(shù)，特別是納米醫(yī)學(xué)能接近它所預(yù)期的那樣的那樣，那么與人類繁榮有關(guān)的規(guī)范將會進(jìn)一步得到修改。此外，同過去一樣，人類壽命延長和達(dá)到期望的健康等將對家庭規(guī)范和結(jié)構(gòu)（例如，贍養(yǎng)責(zé)任），生活計劃或軌跡（例如，婚姻狀況），以及社會和政治機(jī)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。
3.4轉(zhuǎn)型問題
轉(zhuǎn)型問題產(chǎn)生于納米技術(shù)的潛力，尤其是結(jié)合其他新興技術(shù)，如生物技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和機(jī)器人技術(shù)等來改造人權(quán)狀況，而不是僅僅作為形式的生活問題，修改一些參數(shù)。這可能是通過以下方式實現(xiàn)的--顯著改變我們原來的生物種類，重建我們與自然環(huán)境之間的關(guān)系，創(chuàng)造自我意識和自主人工智能或發(fā)展強(qiáng)有力的替代環(huán)境。在這種情況下，新的道德狀況或?qū)⒁M(jìn)一些有關(guān)于我們的道德景觀需要重新配置或重新構(gòu)思的方面?！?/p>
【參考文獻(xiàn)】
［1］G..Khushf.The Ethics of Nanotechnology:Vision and Values for a New Generation of Science and Engineering. [J]National Academies Press,2004,(2).
［2］J.P.Dupuy,S.Roeser and A.Grinbaum.Living with Uncertainty:Toward the Ongoing Normative Assessment of Nanotechnology. [J]Research in Philosophy and Technology.2004,(2).
由于納米技術(shù)對國家未來經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展及國防安全具有重要意義，世界各國（地區(qū)）紛紛將納米技術(shù)的研發(fā)作為21世紀(jì)技術(shù)創(chuàng)新的主要驅(qū)動器，相繼制定了發(fā)展戰(zhàn)略和計劃，以指導(dǎo)和推進(jìn)本國納米科技的發(fā)展。目前，世界上已有50多個國家制定了國家級的納米技術(shù)計劃。一些國家雖然沒有專項的納米技術(shù)計劃，但其他計劃中也往往包含了納米技術(shù)相關(guān)的研發(fā)。
（1）發(fā)達(dá)國家和地區(qū)雄心勃勃
為了搶占納米科技的先機(jī)，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術(shù)計劃（NNI），其宗旨是整合聯(lián)邦各機(jī)構(gòu)的力量，加強(qiáng)其在開展納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)開發(fā)工作方面的協(xié)調(diào)。2003年11月，美國國會又通過了《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案》，這標(biāo)志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計劃，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。
日本政府將納米技術(shù)視為“日本經(jīng)濟(jì)復(fù)興”的關(guān)鍵。第二期科學(xué)技術(shù)基本計劃將生命科學(xué)、信息通信、環(huán)境技術(shù)和納米技術(shù)作為4大重點研發(fā)領(lǐng)域，并制定了多項措施確保這些領(lǐng)域所需戰(zhàn)略資源（人才、資金、設(shè)備）的落實。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進(jìn)從基礎(chǔ)性到實用性的研發(fā)，同時跨省廳重點推進(jìn)能有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加強(qiáng)國際競爭力的研發(fā)。
歐盟在2002—2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術(shù)給予了空前的重視。該計劃將納米技術(shù)作為一個最優(yōu)先的領(lǐng)域，有13億歐元專門用于納米技術(shù)和納米科學(xué)、以知識為基礎(chǔ)的多功能材料、新生產(chǎn)工藝和設(shè)備等方面的研究。歐盟委員會還力圖制定歐洲的納米技術(shù)戰(zhàn)略，目前，已確定了促進(jìn)歐洲納米技術(shù)發(fā)展的5個關(guān)鍵措施：增加研發(fā)投入，形成勢頭；加強(qiáng)研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施；從質(zhì)和量方面擴(kuò)大人才資源；重視工業(yè)創(chuàng)新，將知識轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和服務(wù)；考慮社會因素，趨利避險。另外，包括德國、法國、愛爾蘭和英國在內(nèi)的多數(shù)歐盟國家還制定了各自的納米技術(shù)研發(fā)計劃。
（2）新興工業(yè)化經(jīng)濟(jì)體瞄準(zhǔn)先機(jī)
意識到納米技術(shù)將會給人類社會帶來巨大的影響，韓國、中國臺灣等新興工業(yè)化經(jīng)濟(jì)體，為了保持競爭優(yōu)勢，也紛紛制定納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。韓國政府2001年制定了《促進(jìn)納米技術(shù)10年計劃》，2002年頒布了新的《促進(jìn)納米技術(shù)開發(fā)法》，隨后的2003年又頒布了《納米技術(shù)開發(fā)實施規(guī)則》。韓國政府的政策目標(biāo)是融合信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)3個主要技術(shù)領(lǐng)域，以提升前沿技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的水平；到2010年10年計劃結(jié)束時，韓國納米技術(shù)研發(fā)要達(dá)到與美國和日本等領(lǐng)先國家的水平，進(jìn)入世界前5位的行列。
中國臺灣自1999年開始，相繼制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，以追求“學(xué)術(shù)卓越”和“納米科技產(chǎn)業(yè)化”為目標(biāo)，意在引領(lǐng)臺灣知識經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建立產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。
（3）發(fā)展中大國奮力趕超
綜合國力和科技實力較強(qiáng)的發(fā)展中國家為了迎頭趕上發(fā)達(dá)國家納米科技發(fā)展的勢頭，也制定了自己的納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。中國政府在2001年7月就了《國家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會、國家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專門委員會。目前正在制定中的國家中長期科技發(fā)展綱要將明確中國納米科技發(fā)展的路線圖，確定中國在目前和中長期的研發(fā)任務(wù)，以便在國家層面上進(jìn)行指導(dǎo)與協(xié)調(diào)，集中力量、發(fā)揮優(yōu)勢，爭取在幾個方面取得重要突破。鑒于未來最有可能的技術(shù)浪潮是納米技術(shù)，南非科技部正在制定一項國家納米技術(shù)戰(zhàn)略，可望在2005年度執(zhí)行。印度政府也通過加大對從事材料科學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)和項目的支持力度，加強(qiáng)材料科學(xué)中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開發(fā)。
2、納米科技研發(fā)投入一路攀升
納米科技已在國際間形成研發(fā)熱潮，現(xiàn)在無論是富裕的工業(yè)化大國還是渴望富裕的工業(yè)化中國家，都在對納米科學(xué)、技術(shù)與工程投入巨額資金，而且投資迅速增加。據(jù)歐盟2004年5月的一份報告稱，在過去10年里，世界公共投資從1997年的約4億歐元增加到了目前的30億歐元以上。私人的納米技術(shù)研究資金估計為20億歐元。這說明，全球?qū){米技術(shù)研發(fā)的年投資已達(dá)50億歐元。
美國的公共納米技術(shù)投資最多。在過去4年內(nèi)，聯(lián)邦政府的納米技術(shù)研發(fā)經(jīng)費(fèi)從2000年的2.2億美元增加到2003年的7.5億美元，2005年將增加到9.82億美元。更重要的是，根據(jù)《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法》，在2005～2008財年聯(lián)邦政府將對納米技術(shù)計劃投入37億美元，而且這還不包括國防部及其他部門將用于納米研發(fā)的經(jīng)費(fèi)。
日本目前是僅次于美國的第二大納米技術(shù)投資國。日本早在20世紀(jì)80年代就開始支持納米科學(xué)研究，近年來納米科技投入迅速增長，從2001年的4億美元激增至2003年的近8億美元，而2004年還將增長20%。
在歐洲，根據(jù)第六個框架計劃，歐盟對納米技術(shù)的資助每年約達(dá)7.5億美元，有些人估計可達(dá)9.15億美元。另有一些人估計，歐盟各國和歐盟對納米研究的總投資可能兩倍于美國，甚至更高。
中國期望今后5年內(nèi)中央政府的納米技術(shù)研究支出達(dá)到2.4億美元左右；另外，地方政府也將支出2.4億～3.6億美元。中國臺灣計劃從2002～2007年在納米技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域中投資6億美元，每年穩(wěn)中有增，平均每年達(dá)1億美元。韓國每年的納米技術(shù)投入預(yù)計約為1.45億美元，而新加坡則達(dá)3.7億美元左右。
就納米科技人均公共支出而言，歐盟25國為2.4歐元，美國為3.7歐元，日本為6.2歐元。按照計劃，美國2006年的納米技術(shù)研發(fā)公共投資增加到人均5歐元，日本2004年增加到8歐元，因此歐盟與美日之間的差距有增大之勢。公共納米投資占GDP的比例是：歐盟為0.01%，美國為0.01%，日本為0.02%。
另外，據(jù)致力于納米技術(shù)行業(yè)研究的美國魯克斯資訊公司2004年的一份年度報告稱，很多私營企業(yè)對納米技術(shù)的投資也快速增加。美國的公司在這一領(lǐng)域的投入約為17億美元，占全球私營機(jī)構(gòu)38億美元納米技術(shù)投資的46%。亞洲的企業(yè)將投資14億美元，占36%。歐洲的私營機(jī)構(gòu)將投資6.5億美元，占17%。由于投資的快速增長，納米技術(shù)的創(chuàng)新時代必將到來。
3、世界各國納米科技發(fā)展各有千秋
各納米科技強(qiáng)國比較而言，美國雖具有一定的優(yōu)勢，但現(xiàn)在尚無確定的贏家和輸家。
（1）在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下
根據(jù)中國科技信息研究所進(jìn)行的納米論文統(tǒng)計結(jié)果，2000—2002年，共有40370篇納米研究論文被《2000—2002年科學(xué)引文索引（SCI）》收錄。納米研究論文數(shù)量逐年增長，且增長幅度較大，2001年和2002年的增長率分別達(dá)到了30.22%和18.26%。
2000—2002年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領(lǐng)先于其他國家，3年累計論文數(shù)超過10000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日本（12.76%）、德國（11.28%）、中國（10.64%）和法國（7.89%）位居其后，它們各自的論文總數(shù)都超過了3000篇。而且以上5國2000—2002年每年的納米論文產(chǎn)出大都超過了1000篇，是納米研究最活躍的國家，也是納米研究實力最強(qiáng)的國家。中國的增長幅度最為突出，2000年中國納米論文比例還落后德國2個多百分點，到2002年已經(jīng)超過德國，位居世界第三位，與日本接近。
在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國3年累計論文總數(shù)都超過了1000篇，且每年的論文數(shù)排位都可以進(jìn)入前10名。這5個國家可以列為納米研究較活躍的國家。
另外，如果歐盟各國作為一個整體，其論文量則超過36%，高于美國的29.46%。
（2）在申請納米技術(shù)發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭
據(jù)統(tǒng)計：美國專利商標(biāo)局2000—2002年共受理2236項關(guān)于納米技術(shù)的專利。其中最多的國家是美國（1454項），其次是日本（368項）和德國（118項）。由于專利數(shù)據(jù)來源美國專利商標(biāo)局，所以美國的專利數(shù)量非常多，所占比例超過了60%。日本和德國分別以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數(shù)也較多，所占比例都超過了1%。
專利反映了研究成果實用化的能力。多數(shù)國家納米論文數(shù)與專利數(shù)所占比例的反差較大，在論文數(shù)最多的20個國家和地區(qū)中，專利數(shù)所占比例超過論文數(shù)所占比例的國家和地區(qū)只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區(qū)在納米技術(shù)研究上具備一定的實力，但比較側(cè)重于基礎(chǔ)研究，而實用化能力較弱。
（3）就整體而言納米科技大國各有所長
美國納米技術(shù)的應(yīng)用研究在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤等領(lǐng)域快速發(fā)展。隨著納米技術(shù)在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應(yīng)用，目前美國納米研究熱點已逐步轉(zhuǎn)向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。醫(yī)學(xué)納米技術(shù)已經(jīng)被列為美國國家的優(yōu)先科研計劃。在納米醫(yī)學(xué)方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進(jìn)行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進(jìn)行早期診斷。2004年，美國國立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術(shù)計劃》，目的是將納米技術(shù)、癌癥研究與分子生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合，實現(xiàn)2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標(biāo)；利用納米顆粒追蹤活性物質(zhì)在生物體內(nèi)的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細(xì)胞等在人體內(nèi)的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5～10年有望商業(yè)化。
雖然醫(yī)學(xué)納米技術(shù)正成為納米科技的新熱點，納米技術(shù)在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域的應(yīng)用仍然引人關(guān)注。美國科研人員正在加緊納米級半導(dǎo)體材料晶體管的應(yīng)用研究，期望突破傳統(tǒng)的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術(shù)是這一領(lǐng)域中最受關(guān)注的地方。不少科學(xué)家試圖利用化學(xué)反應(yīng)來合成納米顆粒，并按照一定規(guī)則排列這些顆粒，使其成為體積小而運(yùn)算快的芯片。這種技術(shù)本來有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術(shù)。在光學(xué)新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長度達(dá)到幾百微米的納米導(dǎo)線。
日本納米技術(shù)的研究開發(fā)實力強(qiáng)大，某些方面處于世界領(lǐng)先水平，但尚未脫離基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段，距離實用化還有相當(dāng)一段路要走。在納米技術(shù)的研發(fā)上，日本最重視的是應(yīng)用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發(fā)出多種不同結(jié)構(gòu)的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結(jié)構(gòu)、富勒結(jié)構(gòu)套富勒結(jié)構(gòu)、納米管套富勒結(jié)構(gòu)、酒杯疊酒杯狀結(jié)構(gòu)等。
在制造方法上，日本不斷改進(jìn)電弧放電法、化學(xué)氣相合成法和激光燒蝕法等現(xiàn)有方法，同時積極開發(fā)新的制造技術(shù)，特別是批量生產(chǎn)技術(shù)。細(xì)川公司展出的低溫連續(xù)燒結(jié)設(shè)備引起關(guān)注。它能以每小時數(shù)千克的速度制造粒徑在數(shù)十納米的單一和復(fù)合的超微粒材料。東麗和三菱化學(xué)公司應(yīng)用大學(xué)開發(fā)的新技術(shù)能把制造碳納米材料的成本減至原來的1／10，兩三年內(nèi)即可進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。
日本高度重視開發(fā)檢測和加工技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學(xué)顯微鏡等的性能不斷提高，并涌現(xiàn)了諸如數(shù)字式顯微鏡、內(nèi)藏高級照相機(jī)顯微鏡、超高真空掃描型原子力顯微鏡等新產(chǎn)品?？茖W(xué)家村田和廣成功開發(fā)出亞微米噴墨印刷裝置，能應(yīng)用于納米領(lǐng)域，在硅、玻璃、金屬和有機(jī)高分子等多種材料的基板上印制細(xì)微電路，是世界最高水平。
日本企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)積極在信息技術(shù)、生物技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)為納米技術(shù)尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細(xì)微、更高性能的元器件和量子計算機(jī)，解析分子、蛋白質(zhì)及基因的結(jié)構(gòu)等。不過，這些研究大都處于探索階段，成果為數(shù)不多。
歐盟在納米科學(xué)方面頗具實力，特別是在光學(xué)和光電材料、有機(jī)電子學(xué)和光電學(xué)、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導(dǎo)體、復(fù)合材料、醫(yī)學(xué)材料、智能材料等方面的研究能力較強(qiáng)。
中國在納米材料及其應(yīng)用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機(jī)非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學(xué)合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學(xué)、納米器件和納米生物醫(yī)學(xué)研究方面與發(fā)達(dá)國家有明顯差距。
4、納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化步伐加快
目前，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化尚處于初期階段，但展示了巨大的商業(yè)前景。據(jù)統(tǒng)計：2004年全球納米技術(shù)的年產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到500億美元，2010年將達(dá)到14400億美元。為此，各納米技術(shù)強(qiáng)國為了盡快實現(xiàn)納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，都在加緊采取措施，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
美國國家科研項目管理部門的管理者們認(rèn)為，美國大公司自身的納米技術(shù)基礎(chǔ)研究不足，導(dǎo)致美國在該領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用缺乏動力，因此，嘗試建立一個由多所大學(xué)與大企業(yè)組成的研究中心，希望借此使納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)緊密結(jié)合在一起。美國聯(lián)邦政府與加利福尼亞州政府一起斥巨資在洛杉礬地區(qū)建立一個“納米科技成果轉(zhuǎn)化中心”，以便及時有效地將納米科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界。該中心的主要工作有兩項：一是進(jìn)行納米技術(shù)基礎(chǔ)研究；二是與大企業(yè)合作，使最新基礎(chǔ)研究成果盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其研究領(lǐng)域涉及納米計算、納米通訊、納米機(jī)械和納米電路等許多方面，其中不少研究成果將被率先應(yīng)用于美國國防工業(yè)。
美國的一些大公司也正在認(rèn)真探索利用納米技術(shù)改進(jìn)其產(chǎn)品和工藝的潛力。IBM、惠普、英特爾等一些IT公司有可能在中期內(nèi)取得突破，并生產(chǎn)出商業(yè)產(chǎn)品。一個由專業(yè)、商業(yè)和學(xué)術(shù)組織組成的網(wǎng)絡(luò)在迅速擴(kuò)大，其目的是共享信息，促進(jìn)聯(lián)系，加速納米技術(shù)應(yīng)用。
日本企業(yè)界也加強(qiáng)了對納米技術(shù)的投入。關(guān)西地區(qū)已有近百家企業(yè)與16所大學(xué)及國立科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合，不久前又建立了“關(guān)西納米技術(shù)推進(jìn)會議”，以大力促進(jìn)本地區(qū)納米技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；東麗、三菱、富士通等大公司更是紛紛斥巨資建立納米技術(shù)研究所，試圖將納米技術(shù)融合進(jìn)各自從事的產(chǎn)業(yè)中。
由于納米技術(shù)對國家未來經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展及國防安全具有重要意義，世界各國（地區(qū)）紛紛將納米技術(shù)的研發(fā)作為21世紀(jì)技術(shù)創(chuàng)新的主要驅(qū)動器，相繼制定了發(fā)展戰(zhàn)略和計劃，以指導(dǎo)和推進(jìn)本國納米科技的發(fā)展。目前，世界上已有50多個國家制定了國家級的納米技術(shù)計劃。一些國家雖然沒有專項的納米技術(shù)計劃，但其他計劃中也往往包含了納米技術(shù)相關(guān)的研發(fā)。
（1）發(fā)達(dá)國家和地區(qū)雄心勃勃
為了搶占納米科技的先機(jī)，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術(shù)計劃（NNI），其宗旨是整合聯(lián)邦各機(jī)構(gòu)的力量，加強(qiáng)其在開展納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)開發(fā)工作方面的協(xié)調(diào)。2003年11月，美國國會又通過了《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案》，這標(biāo)志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計劃，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。
日本政府將納米技術(shù)視為“日本經(jīng)濟(jì)復(fù)興”的關(guān)鍵。第二期科學(xué)技術(shù)基本計劃將生命科學(xué)、信息通信、環(huán)境技術(shù)和納米技術(shù)作為4大重點研發(fā)領(lǐng)域，并制定了多項措施確保這些領(lǐng)域所需戰(zhàn)略資源（人才、資金、設(shè)備）的落實。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進(jìn)從基礎(chǔ)性到實用性的研發(fā)，同時跨省廳重點推進(jìn)能有效促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和加強(qiáng)國際競爭力的研發(fā)。
歐盟在2002—2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術(shù)給予了空前的重視。該計劃將納米技術(shù)作為一個最優(yōu)先的領(lǐng)域，有13億歐元專門用于納米技術(shù)和納米科學(xué)、以知識為基礎(chǔ)的多功能材料、新生產(chǎn)工藝和設(shè)備等方面的研究。歐盟委員會還力圖制定歐洲的納米技術(shù)戰(zhàn)略，目前，已確定了促進(jìn)歐洲納米技術(shù)發(fā)展的5個關(guān)鍵措施：增加研發(fā)投入，形成勢頭；加強(qiáng)研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施；從質(zhì)和量方面擴(kuò)大人才資源；重視工業(yè)創(chuàng)新，將知識轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品和服務(wù)；考慮社會因素，趨利避險。另外，包括德國、法國、愛爾蘭和英國在內(nèi)的多數(shù)歐盟國家還制定了各自的納米技術(shù)研發(fā)計劃。
（2）新興工業(yè)化經(jīng)濟(jì)體瞄準(zhǔn)先機(jī)
意識到納米技術(shù)將會給人類社會帶來巨大的影響，韓國、中國臺灣等新興工業(yè)化經(jīng)濟(jì)體，為了保持競爭優(yōu)勢，也紛紛制定納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。韓國政府2001年制定了《促進(jìn)納米技術(shù)10年計劃》，2002年頒布了新的《促進(jìn)納米技術(shù)開發(fā)法》，隨后的2003年又頒布了《納米技術(shù)開發(fā)實施規(guī)則》。韓國政府的政策目標(biāo)是融合信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)3個主要技術(shù)領(lǐng)域，以提升前沿技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的水平；到2010年10年計劃結(jié)束時，韓國納米技術(shù)研發(fā)要達(dá)到與美國和日本等領(lǐng)先國家的水平，進(jìn)入世界前5位的行列。
中國臺灣自1999年開始，相繼制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，以追求“學(xué)術(shù)卓越”和“納米科技產(chǎn)業(yè)化”為目標(biāo)，意在引領(lǐng)臺灣知識經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建立產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。
（3）發(fā)展中大國奮力趕超
綜合國力和科技實力較強(qiáng)的發(fā)展中國家為了迎頭趕上發(fā)達(dá)國家納米科技發(fā)展的勢頭，也制定了自己的納米科技發(fā)展戰(zhàn)略。中國政府在2001年7月就了《國家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會、國家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專門委員會。目前正在制定中的國家中長期科技發(fā)展綱要將明確中國納米科技發(fā)展的路線圖，確定中國在目前和中長期的研發(fā)任務(wù)，以便在國家層面上進(jìn)行指導(dǎo)與協(xié)調(diào)，集中力量、發(fā)揮優(yōu)勢，爭取在幾個方面取得重要突破。鑒于未來最有可能的技術(shù)浪潮是納米技術(shù)，南非科技部正在制定一項國家納米技術(shù)戰(zhàn)略，可望在2005年度執(zhí)行。印度政府也通過加大對從事材料科學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)和項目的支持力度，加強(qiáng)材料科學(xué)中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開發(fā)。
2、納米科技研發(fā)投入一路攀升
納米科技已在國際間形成研發(fā)熱潮，現(xiàn)在無論是富裕的工業(yè)化大國還是渴望富裕的工業(yè)化中國家，都在對納米科學(xué)、技術(shù)與工程投入巨額資金，而且投資迅速增加。據(jù)歐盟2004年5月的一份報告稱，在過去10年里，世界公共投資從1997年的約4億歐元增加到了目前的30億歐元以上。私人的納米技術(shù)研究資金估計為20億歐元。這說明，全球?qū){米技術(shù)研發(fā)的年投資已達(dá)50億歐元。
美國的公共納米技術(shù)投資最多。在過去4年內(nèi)，聯(lián)邦政府的納米技術(shù)研發(fā)經(jīng)費(fèi)從2000年的2.2億美元增加到2003年的7.5億美元，2005年將增加到9.82億美元。更重要的是，根據(jù)《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法》，在2005～2008財年聯(lián)邦政府將對納米技術(shù)計劃投入37億美元，而且這還不包括國防部及其他部門將用于納米研發(fā)的經(jīng)費(fèi)。
日本目前是僅次于美國的第二大納米技術(shù)投資國。日本早在20世紀(jì)80年代就開始支持納米科學(xué)研究，近年來納米科技投入迅速增長，從2001年的4億美元激增至2003年的近8億美元，而2004年還將增長20%。
在歐洲，根據(jù)第六個框架計劃，歐盟對納米技術(shù)的資助每年約達(dá)7.5億美元，有些人估計可達(dá)9.15億美元。另有一些人估計，歐盟各國和歐盟對納米研究的總投資可能兩倍于美國，甚至更高。
中國期望今后5年內(nèi)中央政府的納米技術(shù)研究支出達(dá)到2.4億美元左右；另外，地方政府也將支出2.4億～3.6億美元。中國臺灣計劃從2002～2007年在納米技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域中投資6億美元，每年穩(wěn)中有增，平均每年達(dá)1億美元。韓國每年的納米技術(shù)投入預(yù)計約為1.45億美元，而新加坡則達(dá)3.7億美元左右。
就納米科技人均公共支出而言，歐盟25國為2.4歐元，美國為3.7歐元，日本為6.2歐元。按照計劃，美國2006年的納米技術(shù)研發(fā)公共投資增加到人均5歐元，日本2004年增加到8歐元，因此歐盟與美日之間的差距有增大之勢。公共納米投資占GDP的比例是：歐盟為0.01%，美國為0.01%，日本為0.02%。
另外，據(jù)致力于納米技術(shù)行業(yè)研究的美國魯克斯資訊公司2004年的一份年度報告稱，很多私營企業(yè)對納米技術(shù)的投資也快速增加。美國的公司在這一領(lǐng)域的投入約為17億美元，占全球私營機(jī)構(gòu)38億美元納米技術(shù)投資的46%。亞洲的企業(yè)將投資14億美元，占36%。歐洲的私營機(jī)構(gòu)將投資6.5億美元，占17%。由于投資的快速增長，納米技術(shù)的創(chuàng)新時代必將到來。
3、世界各國納米科技發(fā)展各有千秋
各納米科技強(qiáng)國比較而言，美國雖具有一定的優(yōu)勢，但現(xiàn)在尚無確定的贏家和輸家。
（1）在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下
根據(jù)中國科技信息研究所進(jìn)行的納米論文統(tǒng)計結(jié)果，2000—2002年，共有40370篇納米研究論文被《2000—2002年科學(xué)引文索引（SCI）》收錄。納米研究論文數(shù)量逐年增長，且增長幅度較大，2001年和2002年的增長率分別達(dá)到了30.22%和18.26%。
2000—2002年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領(lǐng)先于其他國家，3年累計論文數(shù)超過10000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日本（12.76%）、德國（11.28%）、中國（10.64%）和法國（7.89%）位居其后，它們各自的論文總數(shù)都超過了3000篇。而且以上5國2000—2002年每年的納米論文產(chǎn)出大都超過了1000篇，是納米研究最活躍的國家，也是納米研究實力最強(qiáng)的國家。中國的增長幅度最為突出，2000年中國納米論文比例還落后德國2個多百分點，到2002年已經(jīng)超過德國，位居世界第三位，與日本接近。
在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國3年累計論文總數(shù)都超過了1000篇，且每年的論文數(shù)排位都可以進(jìn)入前10名。這5個國家可以列為納米研究較活躍的國家。
另外，如果歐盟各國作為一個整體，其論文量則超過36%，高于美國的29.46%。
（2）在申請納米技術(shù)發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭
據(jù)統(tǒng)計：美國專利商標(biāo)局2000—2002年共受理2236項關(guān)于納米技術(shù)的專利。其中最多的國家是美國（1454項），其次是日本（368項）和德國（118項）。由于專利數(shù)據(jù)來源美國專利商標(biāo)局，所以美國的專利數(shù)量非常多，所占比例超過了60%。日本和德國分別以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數(shù)也較多，所占比例都超過了1%。
專利反映了研究成果實用化的能力。多數(shù)國家納米論文數(shù)與專利數(shù)所占比例的反差較大，在論文數(shù)最多的20個國家和地區(qū)中，專利數(shù)所占比例超過論文數(shù)所占比例的國家和地區(qū)只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區(qū)在納米技術(shù)研究上具備一定的實力，但比較側(cè)重于基礎(chǔ)研究，而實用化能力較弱。
（3）就整體而言納米科技大國各有所長
美國納米技術(shù)的應(yīng)用研究在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤等領(lǐng)域快速發(fā)展。隨著納米技術(shù)在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應(yīng)用，目前美國納米研究熱點已逐步轉(zhuǎn)向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。醫(yī)學(xué)納米技術(shù)已經(jīng)被列為美國國家的優(yōu)先科研計劃。在納米醫(yī)學(xué)方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進(jìn)行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進(jìn)行早期診斷。2004年，美國國立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術(shù)計劃》，目的是將納米技術(shù)、癌癥研究與分子生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合，實現(xiàn)2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標(biāo)；利用納米顆粒追蹤活性物質(zhì)在生物體內(nèi)的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細(xì)胞等在人體內(nèi)的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5～10年有望商業(yè)化。
雖然醫(yī)學(xué)納米技術(shù)正成為納米科技的新熱點，納米技術(shù)在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域的應(yīng)用仍然引人關(guān)注。美國科研人員正在加緊納米級半導(dǎo)體材料晶體管的應(yīng)用研究，期望突破傳統(tǒng)的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術(shù)是這一領(lǐng)域中最受關(guān)注的地方。不少科學(xué)家試圖利用化學(xué)反應(yīng)來合成納米顆粒，并按照一定規(guī)則排列這些顆粒，使其成為體積小而運(yùn)算快的芯片。這種技術(shù)本來有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術(shù)。在光學(xué)新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長度達(dá)到幾百微米的納米導(dǎo)線。
日本納米技術(shù)的研究開發(fā)實力強(qiáng)大，某些方面處于世界領(lǐng)先水平，但尚未脫離基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段，距離實用化還有相當(dāng)一段路要走。在納米技術(shù)的研發(fā)上，日本最重視的是應(yīng)用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發(fā)出多種不同結(jié)構(gòu)的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結(jié)構(gòu)、富勒結(jié)構(gòu)套富勒結(jié)構(gòu)、納米管套富勒結(jié)構(gòu)、酒杯疊酒杯狀結(jié)構(gòu)等。
在制造方法上，日本不斷改進(jìn)電弧放電法、化學(xué)氣相合成法和激光燒蝕法等現(xiàn)有方法，同時積極開發(fā)新的制造技術(shù)，特別是批量生產(chǎn)技術(shù)。細(xì)川公司展出的低溫連續(xù)燒結(jié)設(shè)備引起關(guān)注。它能以每小時數(shù)千克的速度制造粒徑在數(shù)十納米的單一和復(fù)合的超微粒材料。東麗和三菱化學(xué)公司應(yīng)用大學(xué)開發(fā)的新技術(shù)能把制造碳納米材料的成本減至原來的1／10，兩三年內(nèi)即可進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。
日本高度重視開發(fā)檢測和加工技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學(xué)顯微鏡等的性能不斷提高，并涌現(xiàn)了諸如數(shù)字式顯微鏡、內(nèi)藏高級照相機(jī)顯微鏡、超高真空掃描型原子力顯微鏡等新產(chǎn)品?？茖W(xué)家村田和廣成功開發(fā)出亞微米噴墨印刷裝置，能應(yīng)用于納米領(lǐng)域，在硅、玻璃、金屬和有機(jī)高分子等多種材料的基板上印制細(xì)微電路，是世界最高水平。
日本企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)積極在信息技術(shù)、生物技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)為納米技術(shù)尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細(xì)微、更高性能的元器件和量子計算機(jī)，解析分子、蛋白質(zhì)及基因的結(jié)構(gòu)等。不過，這些研究大都處于探索階段，成果為數(shù)不多。
歐盟在納米科學(xué)方面頗具實力，特別是在光學(xué)和光電材料、有機(jī)電子學(xué)和光電學(xué)、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導(dǎo)體、復(fù)合材料、醫(yī)學(xué)材料、智能材料等方面的研究能力較強(qiáng)。
中國在納米材料及其應(yīng)用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機(jī)非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學(xué)合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學(xué)、納米器件和納米生物醫(yī)學(xué)研究方面與發(fā)達(dá)國家有明顯差距。
4、納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化步伐加快
目前，納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化尚處于初期階段，但展示了巨大的商業(yè)前景。據(jù)統(tǒng)計：2004年全球納米技術(shù)的年產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到500億美元，2010年將達(dá)到14400億美元。為此，各納米技術(shù)強(qiáng)國為了盡快實現(xiàn)納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，都在加緊采取措施，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
美國國家科研項目管理部門的管理者們認(rèn)為，美國大公司自身的納米技術(shù)基礎(chǔ)研究不足，導(dǎo)致美國在該領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用缺乏動力，因此，嘗試建立一個由多所大學(xué)與大企業(yè)組成的研究中心，希望借此使納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)緊密結(jié)合在一起。美國聯(lián)邦政府與加利福尼亞州政府一起斥巨資在洛杉礬地區(qū)建立一個“納米科技成果轉(zhuǎn)化中心”，以便及時有效地將納米科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界。該中心的主要工作有兩項：一是進(jìn)行納米技術(shù)基礎(chǔ)研究；二是與大企業(yè)合作，使最新基礎(chǔ)研究成果盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其研究領(lǐng)域涉及納米計算、納米通訊、納米機(jī)械和納米電路等許多方面，其中不少研究成果將被率先應(yīng)用于美國國防工業(yè)。
美國的一些大公司也正在認(rèn)真探索利用納米技術(shù)改進(jìn)其產(chǎn)品和工藝的潛力。IBM、惠普、英特爾等一些IT公司有可能在中期內(nèi)取得突破，并生產(chǎn)出商業(yè)產(chǎn)品。一個由專業(yè)、商業(yè)和學(xué)術(shù)組織組成的網(wǎng)絡(luò)在迅速擴(kuò)大，其目的是共享信息，促進(jìn)聯(lián)系，加速納米技術(shù)應(yīng)用。
日本企業(yè)界也加強(qiáng)了對納米技術(shù)的投入。關(guān)西地區(qū)已有近百家企業(yè)與16所大學(xué)及國立科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合，不久前又建立了“關(guān)西納米技術(shù)推進(jìn)會議”，以大力促進(jìn)本地區(qū)納米技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程；東麗、三菱、富士通等大公司更是紛紛斥巨資建立納米技術(shù)研究所，試圖將納米技術(shù)融合進(jìn)各自從事的產(chǎn)業(yè)中。
不幸很快就降臨在這些工人的身上:七名女工相繼發(fā)病,其中兩名女工去世。
在2009年9月號的《歐洲呼吸雜志》(European Respiratory Journal)上,首都醫(yī)科大學(xué)附屬朝陽醫(yī)院(下稱朝陽醫(yī)院)醫(yī)生宋玉果及其同事發(fā)表研究論文稱,上述女工“所患的可能是‘一種與納米材料有關(guān)的疾病’”。
這大概是全球首宗關(guān)于納米顆?？赡苤旅呐R床毒理病例報告。論文的發(fā)表,在國際學(xué)術(shù)界引發(fā)了一場小型“地震”。無論那些與納米技術(shù)有關(guān)的學(xué)術(shù)會議,還是科學(xué)新聞網(wǎng)站和科學(xué)家博客,中國女工之死和納米安全都是激烈爭論的話題。
噴涂車間悲劇
從研究論文披露的情況看,七位女工的年齡在18歲至47歲之間,平均不到30歲,在車間工作的時間從5個月至13個月不等?；疾≈?她們的身體健康狀況良好。
2007年1月至2008年4月期間,這幾位女工被送到朝陽醫(yī)院職業(yè)病與中毒科救治。這個科室專業(yè)水準(zhǔn)較高,其醫(yī)生經(jīng)常被派往中國各個地方,協(xié)助處理血鉛超標(biāo)、重金屬污染等職業(yè)安全事件。
女工們的癥狀比較類似。所有病人的肺部都受到嚴(yán)重?fù)p害,并且有胸腔積液,臉上、手上和胳膊也都出現(xiàn)了嚴(yán)重的瘙癢皮疹。其中,有四位女工體內(nèi)的器官組織還面臨缺血缺氧的危險。
無論對于患者,還是對于醫(yī)生,治療過程都令人煎熬。胸腔積液反復(fù)出現(xiàn),常用的治療方法均告失效。
最終,一名19歲的病人在接受外科手術(shù)16天之后去世;另外一名29歲的病人在癥狀出現(xiàn)后的第21個月,死于呼吸衰竭。
負(fù)責(zé)診斷和治療這些女工的,是朝陽醫(yī)院職業(yè)病與中毒科副主任醫(yī)師宋玉果。根據(jù)醫(yī)院網(wǎng)站的介紹,他多年來從事塵肺、有毒化學(xué)物中毒的診治和臨床研究。
宋玉果及其同事開始追究女工們患病的原因,并將嫌疑對象鎖定為那個印刷廠車間的工作環(huán)境。
該車間所使用的原料是一種象牙白色的聚合物材料――聚丙烯酸酯混合物。聚丙烯酸酯作為一種黏合劑,廣泛運(yùn)用于建筑、印刷和裝修材料中,被認(rèn)為毒性很低。不過,為了讓材料更加結(jié)實和耐磨,制造商有時會加入硅、鋅氧化物、二氧化鈦等金屬納米顆粒。
1納米等于1米的十億分之一,大致相當(dāng)于人頭發(fā)絲直徑的數(shù)萬分之一。通常,粒徑在100納米以下的材料,均被稱為納米材料。
七名女工和一名男工被分為兩組,每天工作8個至12個小時。工人們每天要將大約6000克聚丙烯酸酯混合物,用勺子涂到機(jī)器的底盤上;這些混合物隨即被高壓噴射裝置噴涂在聚苯乙烯材質(zhì)的有機(jī)玻璃板上;然后,有機(jī)玻璃板在75攝氏度至100攝氏度的溫度下被加熱烘干。
車間只有一扇門,沒有窗戶。噴射裝置附帶有一個燃?xì)馀艢饪?對噴涂過程中產(chǎn)生的煙霧起到一定的排除作用。
女工們發(fā)病以后,來自中國疾病預(yù)防控制中心、北京疾病預(yù)防控制中心、當(dāng)?shù)丶膊☆A(yù)防控制中心的流行病學(xué)專家,以及朝陽醫(yī)院的醫(yī)生,對這家印刷廠的工作環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查。
在噴射裝置燃?xì)馀艢饪诘奈鼩饪谥?專家們找到了累積的塵埃粒子。女工們發(fā)病前五個月,燃?xì)馀艢饪诎l(fā)生了故障。由于室外溫度很低,車間的門也經(jīng)常被關(guān)閉。專家們推斷,在這期間,車間內(nèi)的空氣流動非常緩慢甚至處于靜止。
這些工人都是工廠附近的農(nóng)民,沒有任何職業(yè)安全衛(wèi)生知識。她們所得到的惟一用來保護(hù)自己的工具,就是棉紗口罩。而且,她們工作時只是偶爾戴戴。
據(jù)工人們反映,在噴涂過程中,經(jīng)常會有一些原料噴濺到他們的臉上和胳膊上。惟一的一名男性工人在工作三個多月后離開,并沒有顯示出任何癥狀。在其他車間工作的工人,其中包括女工們的親屬,也沒有出現(xiàn)類似癥狀。
研究論文沒有透露這家印刷廠的名稱及其所在地區(qū)。在朝陽醫(yī)院的辦公室,宋玉果也謝絕了《財經(jīng)》記者的采訪。
女工之死謎團(tuán)
在女工們的肺部和胸液中,均發(fā)現(xiàn)了直徑約30納米的顆粒。而這般尺寸和形態(tài)的顆粒,同樣存在于她們接觸的噴涂材料之中。
此外,女工們出現(xiàn)了罕見的非特異性間質(zhì)性肺炎,以及奇特的肺部增生組織――異物肉芽腫等癥狀。這些癥狀與納米材料毒理的動物實驗結(jié)果相似。
宋玉果及其同事因此認(rèn)為,很可能是納米顆粒導(dǎo)致這些女工發(fā)病甚至死亡。
但不少專家對這一結(jié)論持有保留態(tài)度。
9月1日至3日,在北京舉行的中國國際納米科技會議上,多位專家提及宋玉果及其同事的論文。
美國納米健康聯(lián)盟(Alliance for NanoHealth)主席、得克薩斯大學(xué)醫(yī)學(xué)中心教授毛羅法?拉利(Mauro Ferrari)告訴《財經(jīng)》記者,這篇論文非常重要,但他不認(rèn)同作者關(guān)于納米顆粒導(dǎo)致工人患病和死亡的分析。
法拉利說,要確定納米顆粒與疾病之間的關(guān)系,首先應(yīng)該分析納米顆粒的組分,確認(rèn)這些顆粒來自工作環(huán)境;即便病人肺部的納米顆粒來自工作環(huán)境,在沒有對照試驗的情況下,也很難證明這些納米顆粒一定是女工患病的罪魁禍?zhǔn)住?/p>
他還強(qiáng)調(diào),這家印刷廠的工作環(huán)境惡劣而封閉,有毒化學(xué)品和氣體充斥其中,工人們又沒有好的保護(hù)措施。這些因素對于工人患病和死亡究竟有怎樣的作用,都值得推敲。
對于論文中的一個推論――納米顆粒進(jìn)入工人身體的途徑是吸入和皮膚接觸,中國科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點實驗室主任趙宇亮表示,這并不總是正確的。他強(qiáng)調(diào),通過吸入方式進(jìn)人體內(nèi)是可能的,但是納米顆粒穿過皮膚直接進(jìn)入生物體內(nèi)的證據(jù)還很少。
美國麻省大學(xué)洛厄爾分校健康與環(huán)境學(xué)院助理教授迪米特爾?貝羅(Dhimiter Bello)因故取消了行程,未能到北京參加此次學(xué)術(shù)會議。但他通過電郵對《財經(jīng)》記者說,在工人肺部和工作環(huán)境中都發(fā)現(xiàn)納米顆粒,只能說明納米顆粒有可能是一個致病因素。實際上,從論文提供的信息來看,并不能排除其他的可能致病因素。例如,噴涂過程中用到的聚合物材料在高溫下的降解產(chǎn)物,也可能是主要或者惟一造成女工患病的原因。
在貝羅看來,這場悲劇或許不應(yīng)歸咎于納米顆粒,而應(yīng)怪罪車間內(nèi)原始的、不人道的工作條件,“這是一次警醒,無論(悲劇)是否與納米顆粒相關(guān),工作場所的暴露條件都應(yīng)當(dāng)被控制在安全范圍內(nèi)。在這方面,中國還有很長的路要走?！?/p>
美國加州大學(xué)洛杉磯分校納米毒理研究中心主任安德烈?內(nèi)奧教授(Andre Nel)也說,在這起事件中,工人們沒有得到應(yīng)有的生產(chǎn)安全保障,政府部門應(yīng)該負(fù)起監(jiān)督的責(zé)任,以保證生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生對人體和環(huán)境有害的物質(zhì)。
實際上,論文本身也承認(rèn)了研究存在局限:由于缺乏環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),無法弄清印刷廠車間納米顆粒的濃度;納米顆粒的組成也不清楚。
此外,令宋玉果及其同事疑惑的是,究竟是特定的納米顆粒,還是所有納米顆粒都有可能致病?如果的確是納米顆粒導(dǎo)致那些女工患病,對其他在工作中也會接觸納米顆粒的工人來說,又意味著什么?
如今,關(guān)于女工之死的研究論文已經(jīng)成為了納米技術(shù)研究者們的一個熱點話題。據(jù)《財經(jīng)》記者了解,歐洲和美國還有科學(xué)家打算組成一個專家小組,到中國開展調(diào)研,并希望取到樣品回去研究。
誘人前景與安全隱患
不管納米顆粒是否被確認(rèn)為幾位女工悲慘命運(yùn)的元兇,納米技術(shù)的安全性問題都因此再度引發(fā)各界關(guān)注。
納米技術(shù)正在走進(jìn)人們的生活。從一桶涂料、一瓶防曬霜到一件衣服,都有可能用到納米技術(shù)。
納米材料顆粒小、表面積巨大,會顯示出很多獨特的物理化學(xué)性質(zhì),從而在電子、光學(xué)、磁學(xué)、能源化工、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。例如,很多納米材料都可用作涂料,替代那些強(qiáng)毒性的化學(xué)物質(zhì);用碳納米管等納米材料改良電池,可以推動電動汽車的發(fā)展,使電力更持久等。
紐約一家名為“盧克斯研究”的市場分析公司稱,2007年銷售的納米技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品,價值約1470億美元。到2015年,這一數(shù)字可能突破3萬億美元。
納米技術(shù)在展現(xiàn)出誘人前景的同時,其安全性問題也進(jìn)入了人們的視野。
隨著納米材料的大規(guī)模應(yīng)用,研究人員和工人容易暴露在納米顆粒濃度較大的實驗室或生產(chǎn)車間之中。此外,普通公眾也可能暴露在納米顆粒之下:涂料、化妝品等產(chǎn)品中用到的納米材料,可能在產(chǎn)品損壞或分解時釋放。
這些納米顆粒物可能經(jīng)過呼吸道吸入、胃腸道攝入、藥物注射等方式進(jìn)入人體,并經(jīng)過淋巴和血液循環(huán),轉(zhuǎn)運(yùn)到全身各個器官。
根據(jù)多項流行病學(xué)研究,空氣中的細(xì)顆粒物,尤其是納米級別的顆粒物,濃度的大量增加會導(dǎo)致死亡率的增加。倫敦大霧曾經(jīng)導(dǎo)致居民大量死亡,就是一個被經(jīng)常引用的案例。
那么,人造的納米材料進(jìn)入人體后,是否會導(dǎo)致特殊的生物效應(yīng),并對人體健康構(gòu)成危害呢?從理論上說,納米物質(zhì)由于尺寸小,與常規(guī)物質(zhì)相比更容易透過人體的各道屏障;由于表面積大,也可能有更多毒害人體的方式。
朝陽醫(yī)院的宋玉果在8月31日《健康報》發(fā)表文章說,相關(guān)的動物實驗研究發(fā)現(xiàn),許多納米物質(zhì)具有明顯的毒性,其中研究較多的為碳納米管、納米二氧化鈦等。一些納米物質(zhì)還被認(rèn)為可致動物肺臟、肝臟、腎臟和血液系統(tǒng)等損傷。
對于與納米物質(zhì)相關(guān)的疾病,宋玉果稱之為“納米相關(guān)物質(zhì)疾病”。當(dāng)然,他也表示,公眾不必為納米物質(zhì)相關(guān)疾病感到恐慌,不是所有納米顆粒物都有毒性。
動物毒理性實驗的結(jié)果,也不能簡單地推到人的身上。但由于科學(xué)界對納米安全性的研究剛剛開始,幾乎沒有任何相關(guān)人體毒理性資料――這也是宋玉果及其同事的論文引起國際科學(xué)界高度關(guān)注的一個原因。
中國科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點實驗室主任趙宇亮告訴《財經(jīng)》記者,目前開展過安全性研究的納米材料只有十幾種,還非常有限。但他相信,隨著研究隊伍的壯大和研究投入的加大,將來必定可以從大量的數(shù)據(jù)積累中尋找到一些規(guī)律。
在國際上,納米安全性研究的熱潮大約始于2003年。《科學(xué)》和《自然》等著名學(xué)術(shù)雜志紛紛發(fā)表文章,探討納米材料與納米技術(shù)的安全問題:納米顆粒對人體健康、自然環(huán)境和社會安全等是否有潛在的負(fù)面影響。
這之后,各國明顯增加了納米安全性方面的研究。美國的國家納米技術(shù)計劃(NNI)將總預(yù)算的11%投入納米健康與環(huán)境研究。歐盟每年支持三個左右與此相關(guān)的項目,每個項目的經(jīng)費(fèi)規(guī)模在300萬至500萬歐元之間,而歐盟各個國家還有自己國內(nèi)支持的納米安全性項目。
中國在極力推進(jìn)納米技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化的同時,也開展了納米安全性的研究。其中,中國科學(xué)院在2001年就開始籌建納米生物效應(yīng)與安全性實驗室?？萍疾吭?006年啟動了為期五年的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(即“973”計劃)項目“人造納米材料的生物安全性研究及解決方案探索”,經(jīng)費(fèi)2500萬元,首席科學(xué)家由趙宇亮擔(dān)任。
不過,趙宇亮告訴《財經(jīng)》記者,與美國和歐盟相比,中國在納米安全性研究上的投入只是“一個零頭”。
政治決策與公共參與
中國科學(xué)家在納米安全性方面的研究工作,得到了國際同行的認(rèn)可。其中,在每年召開的與納米毒理學(xué)相關(guān)的國際會議上,幾乎都會邀請中國科學(xué)家作大會報告。趙宇亮還與其他科學(xué)家共同主編了第一本納米毒理學(xué)英文專著。美國納米健康聯(lián)盟主席法拉利稱,中國科學(xué)家是納米毒理學(xué)研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一。
不過,令趙宇亮感到尷尬的是,美國國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)辦公室的官員曾經(jīng)問他,包括美國、歐盟、英國、日本等很多國家的相關(guān)管理部門,都發(fā)表了對于納米技術(shù)安全性的調(diào)研報告、方針和策略,為什么中國沒有?對此,趙宇亮不知如何回答是好。
在美國和歐盟,納米技術(shù)及其安全性已經(jīng)成為政治家們關(guān)心的話題之一。它們的環(huán)保部門、國家科學(xué)與技術(shù)委員會,以及其他政府研究機(jī)構(gòu),會通過白皮書等文件形式,發(fā)表政府層面對于納米安全性問題的見解。
其中,2001年,美國在國家科學(xué)技術(shù)委員會之下建立了國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)辦公室,負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)政府層面之間的納米研究計劃。而納米研究項目的成果,會通過這個辦公室反饋給其他政府機(jī)構(gòu),幫助科學(xué)研究去影響政府決策。
2009年3月,美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)還了一份有關(guān)納米技術(shù)的合作倡議。該局將與納米健康聯(lián)盟旗下的八個研究機(jī)構(gòu)合作,以加快建立保障納米醫(yī)療產(chǎn)品安全可靠的有效體系。法拉利告訴《財經(jīng)》記者,在實驗室研究結(jié)果與安全性評估的關(guān)聯(lián),以及納米技術(shù)相關(guān)藥物的審批等方面,美國食品藥品監(jiān)督管理局都做了很多工作。
相比之下,納米安全性在中國似乎局限于科學(xué)研究的階段,政府部門仍然保持沉默。
對于納米技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化,各國都在積極支持。其原因正如美國《環(huán)境健康展望》雜志所稱,科學(xué)界普遍認(rèn)為,納米材料和納米技術(shù)對于社會是十分有益的,能夠提供更好的藥物、更強(qiáng)更輕的產(chǎn)品、對環(huán)境更友好的能源和環(huán)境技術(shù)。
與此同時,為了獲得公眾對于納米技術(shù)發(fā)展的支持,各國也需要在納米安全性方面進(jìn)行更多的研究,同時鼓勵公眾參與。在中國納米國際科技會議的閉幕式上,法拉利也特地呼吁加大公眾在納米安全性研究上的參與程度。
實際上,關(guān)于納米技術(shù)發(fā)展的“風(fēng)險預(yù)防”原則,在歐洲和美國等地正深入人心――人們希望在納米技術(shù)等新技術(shù)的風(fēng)險出現(xiàn)之前,盡可能地提前進(jìn)行防范和干預(yù)。而公眾及早參與到納米技術(shù)研究和政策的討論,是“風(fēng)險預(yù)防”實踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
納米技術(shù)是20世紀(jì)末興起并迅速發(fā)展的一項高科技技術(shù),隨著研究的深入和科學(xué)的發(fā)展,納米技術(shù)已經(jīng)日趨成熟并廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域,近年來納米技術(shù)在醫(yī)藥上的許多研究成果正逐步地應(yīng)用于食品行業(yè),在此技術(shù)上開發(fā)、生產(chǎn)了許多新型的食品以及具有更好的功效和特殊功能的保健食品,納米材料在食品安全上也發(fā)揮著越來越重要的作用。
納米是一種幾何尺寸的度量單位,l納米為百萬分之一毫米,即十億分之一米的長度。以納米為基礎(chǔ)的納米技術(shù)在20世紀(jì)90年代初起得到迅速發(fā)展并先后興起了一系列的像納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米生物技術(shù)和納米藥物學(xué),納米技術(shù)就是一種多學(xué)科的交叉技術(shù),最終實現(xiàn)利用納米機(jī)構(gòu)所具有的功能制造出有特殊功能的產(chǎn)品和材料。因此,利用納米技術(shù)制造出來的材料就具有微觀性和一些普通材料所不具有的功能。
隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米食品生產(chǎn)也取得了很大的成就。目前,納米食品產(chǎn)品超過300種,一些帶有納米級別添加劑的食品和維生素已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化。據(jù)預(yù)測納米食品市場在2010年將達(dá)到204億美元,因此納米技術(shù)在食品上的研究有著很大的發(fā)展?jié)摿?。納米技術(shù)在食品上的研究和應(yīng)用主要包括納米食品加工、納米包裝材料和納米檢測技術(shù)等方面。
所謂納米食品是指在生產(chǎn)、加工或包裝過程中采用了納米技術(shù)手段或工具的食品。納米食品不僅僅是指利用了納米技術(shù)的食品,更大程度上指里喲個納米技術(shù)對食品進(jìn)行了改造從而改變食品性能的食品。尤其是利用納米技術(shù)改造過結(jié)構(gòu)的食品在營養(yǎng)方面會有一個很大的提高,在這方面應(yīng)用最廣泛主要有鈣、硒等礦物質(zhì)制劑、維生素制劑、添加營養(yǎng)素的鈣奶與豆奶、納米茶等。
然而納米食品也存在一些問題,首先由于對于納米食品的加工主要是球磨法這就使得在納米食品生產(chǎn)的過程中容易產(chǎn)生粉料污染,同時現(xiàn)有的納米技術(shù)也會產(chǎn)生成材料的功能性無法預(yù)測,納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不高等問題。納米食品還存在另外問題那就關(guān)于納米食品的安全檢測并沒有個一個同一的標(biāo)準(zhǔn)。目前,國際上尚未形成統(tǒng)一的針對納米食品的生物安全性評價標(biāo)準(zhǔn),大多數(shù)是短期評價方法,短期的模型很難對納米食品的生物效應(yīng)有徹底的認(rèn)識。而部分納米食品存存在一些有害成分,并且經(jīng)過納米化后,這些物質(zhì)更加很容易進(jìn)入細(xì)胞甚至細(xì)胞核內(nèi),因此副作用也就越大,而這些由于安全檢測的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一可能在檢測的時候檢測不出來,因此納米食品的安全標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步統(tǒng)一。雖然納米食品存在一系列的問題但是納米技術(shù)在食品包裝和保險技術(shù)中卻得到了很好的應(yīng)用。
首先,在已有的包裝材料中加入一定的納米微粒可以增加包裝材料的抗菌性從而產(chǎn)生殺菌功能。目前一些冰箱的生產(chǎn)技術(shù)中已經(jīng)應(yīng)用了這種技術(shù)生產(chǎn)出了一些抗菌性的冰箱。
其次,由于納米材料的特殊性質(zhì),加入一定的納米微粒還可以改變現(xiàn)有的包裝材料的性能,從而進(jìn)一步保證食品的安全。目前,部分學(xué)者已經(jīng)成功的將納米技術(shù)應(yīng)用玉改進(jìn)玻璃和陶瓷容器的性能,增加了其韌性。同時,由于納米微粒對紫外線有吸收能力,因此在塑料包裝材料中加入一些納米微粒還可以防止塑料包裝的老化,增加使用壽命。從而為食品生產(chǎn)提供了性能更加優(yōu)越的包裝容器。
第三,由于納米材料的力磁電熱的性質(zhì),使得納米材料有著優(yōu)越的敏感性。一些學(xué)者已經(jīng)在研究將納米材料的敏感性應(yīng)用到防偽包裝上面并取得了一定的成就。新的防偽包裝的產(chǎn)生,無疑能夠進(jìn)一步加強(qiáng)普通食品和納米食品的安全。
第四,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)和納米材料的一些性能能夠很好的解決食品的保鮮問題。
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的食品保鮮包轉(zhuǎn),在起到保鮮功能的同時還能夠產(chǎn)生乙烯,而乙烯又反過來加劇了食品的腐蝕,因此可以說傳統(tǒng)的食品保鮮包轉(zhuǎn)并沒有能夠很好的起到保鮮功能。在納米技術(shù)在研究過程中,發(fā)現(xiàn)納米ag粉具有對乙烯進(jìn)行催化其氧化的作用。所以只要在現(xiàn)有的保鮮包轉(zhuǎn)材料中加入一些納米ag粉,就可以加速傳統(tǒng)保鮮包轉(zhuǎn)材料產(chǎn)生的乙烯的氧化從而抑制乙烯的產(chǎn)生,進(jìn)而產(chǎn)生更好的保鮮效果。
綜上所述納米技術(shù)雖然還有一些不足和缺陷,但是經(jīng)過多年的研究和發(fā)展納米技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步和發(fā)展,并且已經(jīng)開始應(yīng)用于生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。納米技術(shù)和納米材料以其特殊的性能不緊能夠生產(chǎn)出性質(zhì)更加優(yōu)越的納米食品同時通過改善包裝材料還可以進(jìn)一步提高食品的安全。
參考文獻(xiàn)
[1]楊安樹,陳紅兵.納米技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用[j].食品 科技,2007(9).
[2]張汝冰,劉宏英,李鳳生.納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用及 研究進(jìn)展[j].化工新型材料,1999(5).
[3]何碧煙,歐光南.食品添加劑對番茄紅素穩(wěn)定性的影響 [j].集美大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2000(1).
[4]郭景坤,馮楚德.納米陶瓷的最近進(jìn)展[j].材料研究學(xué) 報,1995(5).
[5]黃占杰.無機(jī)抗菌劑的發(fā)展與應(yīng)用[j].材料導(dǎo)報,1999 (2).
[6]張倩倩.納米粒子增強(qiáng)蛋白質(zhì)直接電子傳遞及其傳感應(yīng)用 [d].南京師范大學(xué),2007 .
[7]張濤,江波,沐萬孟.納米技術(shù)及其在食品中的應(yīng)用研究 進(jìn)展[j].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).
[8]郭衛(wèi)紅,李盾,唐頌超,蘇誠偉,徐種德.納米材料及其 在聚合物改性中的應(yīng)用[j].工程塑料應(yīng)用,1998(4).
納米技術(shù)是20世紀(jì)末興起并迅速發(fā)展的一項高科技技術(shù)，隨著研究的深入和科學(xué)的發(fā)展，納米技術(shù)已經(jīng)日趨成熟并廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域，近年來納米技術(shù)在醫(yī)藥上的許多研究成果正逐步地應(yīng)用于食品行業(yè)，在此技術(shù)上開發(fā)、生產(chǎn)了許多新型的食品以及具有更好的功效和特殊功能的保健食品，納米材料在食品安全上也發(fā)揮著越來越重要的作用。
納米是一種幾何尺寸的度量單位，l納米為百萬分之一毫米，即十億分之一米的長度。以納米為基礎(chǔ)的納米技術(shù)在20世紀(jì)90年代初起得到迅速發(fā)展并先后興起了一系列的像納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米生物技術(shù)和納米藥物學(xué)，納米技術(shù)就是一種多學(xué)科的交叉技術(shù)，最終實現(xiàn)利用納米機(jī)構(gòu)所具有的功能制造出有特殊功能的產(chǎn)品和材料。因此，利用納米技術(shù)制造出來的材料就具有微觀性和一些普通材料所不具有的功能。
隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米食品生產(chǎn)也取得了很大的成就。目前，納米食品產(chǎn)品超過300種，一些帶有納米級別添加劑的食品和維生素已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化。據(jù)預(yù)測納米食品市場在2010年將達(dá)到204億美元，因此納米技術(shù)在食品上的研究有著很大的發(fā)展?jié)摿?。納米技術(shù)在食品上的研究和應(yīng)用主要包括納米食品加工、納米包裝材料和納米檢測技術(shù)等方面。
所謂納米食品是指在生產(chǎn)、加工或包裝過程中采用了納米技術(shù)手段或工具的食品。納米食品不僅僅是指利用了納米技術(shù)的食品，更大程度上指里喲個納米技術(shù)對食品進(jìn)行了改造從而改變食品性能的食品。尤其是利用納米技術(shù)改造過結(jié)構(gòu)的食品在營養(yǎng)方面會有一個很大的提高，在這方面應(yīng)用最廣泛主要有鈣、硒等礦物質(zhì)制劑、維生素制劑、添加營養(yǎng)素的鈣奶與豆奶、納米茶等。
然而納米食品也存在一些問題，首先由于對于納米食品的加工主要是球磨法這就使得在納米食品生產(chǎn)的過程中容易產(chǎn)生粉料污染，同時現(xiàn)有的納米技術(shù)也會產(chǎn)生成材料的功能性無法預(yù)測，納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不高等問題。納米食品還存在另外問題那就關(guān)于納米食品的安全檢測并沒有個一個同一的標(biāo)準(zhǔn)。目前，國際上尚未形成統(tǒng)一的針對納米食品的生物安全性評價標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)是短期評價方法，短期的模型很難對納米食品的生物效應(yīng)有徹底的認(rèn)識。而部分納米食品存存在一些有害成分，并且經(jīng)過納米化后，這些物質(zhì)更加很容易進(jìn)入細(xì)胞甚至細(xì)胞核內(nèi)，因此副作用也就越大，而這些由于安全檢測的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一可能在檢測的時候檢測不出來，因此納米食品的安全標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步統(tǒng)一。雖然納米食品存在一系列的問題但是納米技術(shù)在食品包裝和保險技術(shù)中卻得到了很好的應(yīng)用。
首先，在已有的包裝材料中加入一定的納米微?？梢栽黾影b材料的抗菌性從而產(chǎn)生殺菌功能。目前一些冰箱的生產(chǎn)技術(shù)中已經(jīng)應(yīng)用了這種技術(shù)生產(chǎn)出了一些抗菌性的冰箱。
其次，由于納米材料的特殊性質(zhì)，加入一定的納米微粒還可以改變現(xiàn)有的包裝材料的性能，從而進(jìn)一步保證食品的安全。目前，部分學(xué)者已經(jīng)成功的將納米技術(shù)應(yīng)用玉改進(jìn)玻璃和陶瓷容器的性能，增加了其韌性。同時，由于納米微粒對紫外線有吸收能力，因此在塑料包裝材料中加入一些納米微粒還可以防止塑料包裝的老化，增加使用壽命。從而為食品生產(chǎn)提供了性能更加優(yōu)越的包裝容器。
第三，由于納米材料的力磁電熱的性質(zhì)，使得納米材料有著優(yōu)越的敏感性。一些學(xué)者已經(jīng)在研究將納米材料的敏感性應(yīng)用到防偽包裝上面并取得了一定的成就。新的防偽包裝的產(chǎn)生，無疑能夠進(jìn)一步加強(qiáng)普通食品和納米食品的安全。
第四，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)和納米材料的一些性能能夠很好的解決食品的保鮮問題。
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的食品保鮮包轉(zhuǎn)，在起到保鮮功能的同時還能夠產(chǎn)生乙烯，而乙烯又反過來加劇了食品的腐蝕，因此可以說傳統(tǒng)的食品保鮮包轉(zhuǎn)并沒有能夠很好的起到保鮮功能。在納米技術(shù)在研究過程中，發(fā)現(xiàn)納米Ag粉具有對乙烯進(jìn)行催化其氧化的作用。所以只要在現(xiàn)有的保鮮包轉(zhuǎn)材料中加入一些納米Ag粉，就可以加速傳統(tǒng)保鮮包轉(zhuǎn)材料產(chǎn)生的乙烯的氧化從而抑制乙烯的產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生更好的保鮮效果。
綜上所述納米技術(shù)雖然還有一些不足和缺陷，但是經(jīng)過多年的研究和發(fā)展納米技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步和發(fā)展，并且已經(jīng)開始應(yīng)用于生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。納米技術(shù)和納米材料以其特殊的性能不緊能夠生產(chǎn)出性質(zhì)更加優(yōu)越的納米食品同時通過改善包裝材料還可以進(jìn)一步提高食品的安全。
參考文獻(xiàn)
[1]楊安樹，陳紅兵.納米技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用[J].食品 科技，2007(9).
[2]張汝冰，劉宏英，李鳳生.納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用及 研究進(jìn)展[J].化工新型材料，1999(5).
[3]何碧煙，歐光南.食品添加劑對番茄紅素穩(wěn)定性的影響 [J].集美大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2000(1).
[4]郭景坤，馮楚德.納米陶瓷的最近進(jìn)展[J].材料研究學(xué) 報，1995(5).
[5]黃占杰.無機(jī)抗菌劑的發(fā)展與應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報，1999 (2).
[6]張倩倩.納米粒子增強(qiáng)蛋白質(zhì)直接電子傳遞及其傳感應(yīng)用 [D].南京師范大學(xué)，2007 .
[7]張濤，江波，沐萬孟.納米技術(shù)及其在食品中的應(yīng)用研究 進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).
[8]郭衛(wèi)紅，李盾，唐頌超，蘇誠偉，徐種德.納米材料及其 在聚合物改性中的應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用，1998(4).
