納米這個概念，很多人早就聽說過。曾經，“納米鞋墊”“納米能量杯”等五花八門的產品廣告相當火熱。然而，它們和納米技術毫無關系。在被打假後，很多消費者認為納米技術是騙局。如今，納米技術已和信息技術、生物技術並列，成為當今世界科技發展的三大重要支柱之一。比如，智能手機中有一百多個零部件都使用瞭納米技術和納米材料。還有新能源汽車中的動力電池，以及mRNA疫苗，都包含著納米技術的應用。“大概2010年之後，納米技術真正用起來瞭，以納米為噱頭的炒作反而越來越少瞭。”中國科學院院士、國傢納米科學中心主任、廣納院創始院長趙宇亮在接受庫叔采訪時表示，“隨著納米技術的科學普及，公眾對待納米技術的態度也回歸瞭理性。”趙宇亮指出，人類往前進入智能時代，是繞不開納米技術的。目前，全球有60多個國傢和地區展開瞭專項納米研究計劃。我國高度重視納米科學研究和技術開發，成為國際上推動納米科技發展的主要力量之一。納米科技已經廣泛應用於我國的信息技術、人工智能、量子技術、新能源、新材料、化工催化與綠色制造、大健康與新醫學、類腦科學、深海、深空等領域。納米科技為何受到全球重視？當前，我國在納米科技研究和應用方面進展如何？讓我們一起來聽聽趙宇亮的講述。進入智能時代最核心的技術
一、進入智能時代最核心的技術
當今已進入到5G和數字化時代，然而，如果沒有1981年掃描隧道顯微鏡的發明，為人們揭示瞭一個納米世界，數字信息時代基本上不可能達到現在的水平。沒有納米科技，現在的智能手機是不可能出現的，移動互聯網也不可能存在。在智能手機的技術中，至少有8項獲得瞭諾貝爾獎，其中大部分都跟納米科技有關。可以說，智能手機是人類迄今為止最為復雜的科技集成，其中納米技術起瞭決定性作用。如果我們回到1981年，當時就算可以造一棟像大樓一樣規模的計算機，也實現不瞭現在智能手機的功能。正是納米科技的出現，使芯片加工的密度越來越大，器件變得越來越小，同時納米材料等新的材料又使得手機變得越來越薄，可以隨身攜帶。
2022年6月21日，安徽廬江高新區一傢工廠車間，工人在裝配新能源汽車動力電池。圖｜新華社記者 馬姝瑞 攝
還有新能源汽車，其實也使用瞭大量的納米技術，最典型的就是動力電池。隻有使用納米材料，比如隔膜、電解液等，才有可能讓電動汽車的動力電池接近它的理論值上限（電池容量的最大極限）。再如新冠mRNA疫苗的廣泛使用。實際上，mRNA疫苗上世紀90年代就有瞭，但一直沒有用到臨床，主要的原因是沒有合適的載體把轉錄新冠病毒刺突蛋白的 mRNA 遞送至抗原呈遞細胞內。隨著納米技術的不斷進步，科學傢們把脂質納米顆粒（Lipid Nanoparticle，LNP）作為載體，成功將其輸送進細胞，便產生瞭mRNA新冠疫苗。該疫苗的出現，把疫苗研發技術向前推進瞭好幾代。一些科幻小說和電影也提到瞭納米科技，比如《三體》中切割一艘船的“飛刃”，還有連接太空電梯的纜繩。理論上現在的納米材料（碳納米管）是可以做到的，但這裡有很多工程難題要解決。早在20多年前，很多廠傢就在打造納米噱頭的產品，實際上當時很多宣傳都是不實的，一些企業會利用公眾對新技術的興趣來蹭熱度。大概到2010年之後，納米技術真正在企業中用起來瞭，以納米為噱頭的炒作反而越來越少瞭。從納米材料到納米加工再到納米器件，越來越多的企業用納米技術提升瞭自身產品性能。同時，科普對公眾認知度的提升起到瞭很大作用，隨著納米技術的科學普及，公眾對待納米技術的態度也回歸瞭理性。人類進入智能時代，是繞不開納米科技的——器件的加工、檢測，還有材料等，都需要納米科技。可以說，納米科技是我們進入智能時代最核心的技術。二、為什麼納米可以變成一門科學近年來，納米科技持續受到世界各國重視，全球60多個國傢和地區都展開瞭專項納米研究計劃。在我國，納米科學與工程是跟化學數學物理一樣的一級學科。納米本身是一個尺度，但它可以成為一個一級學科、一項科學與技術，而微米、分米卻沒有，這是非常值得探討的事情。【註：納米（nanometer，nm）原稱“毫微米”，1納米=10的負9次方米（10億分之一米），比單個細菌的長度還要小得多。假設一根頭發的直徑是0.05毫米，把它縱向平均剖成5萬根，每根的厚度大約就是1納米。】盡管納米是一個尺度，它跟別的尺度有本質區別。單個原子的直徑一般隻有零點幾個納米，但單個原子是沒有功能的，隻有通過一定的方式排列形成一定的結構。在納米尺度上，比如晶胞，這個結構再逐級放大到我們的宏觀世界，從而產生功能。生命也是這樣，從非生命到生命的過渡同樣發生在納米尺度。換句話說，在納米尺度調控物質的功能是最高效的，在納米尺度上去治療疾病、調控生命過程，也是最高效的、最精準的。這就是為什麼納米可以變成一門科學和技術——它的內涵遠遠超出瞭我們通常的尺度，它概括瞭在納米尺度上發生的不同的物理化學或生物學的基本過程。【註：納米技術，指的是研究結構尺寸在1納米至100納米范圍內材料的性質和應用的技術。1981年掃描隧道顯微鏡的發明，使人們打開瞭研究分子世界的大門，開始直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。與納米相關的新興學科有：納米醫學、納米化學、納米電子學、納米材料學、納米生物學等。】美國最早提出瞭納米技術的國傢計劃。2000年，美國總統克林頓宣佈瞭國傢納米技術倡議（NNI），並在2001財政年度撥給NNI研究經費5億美元。直到現在，美國還在繼續這個國傢計劃，僅聯邦政府（不包括州政府、企業和社會投入）就已投入超300億美元。2021年發佈的第七版《國傢納米技術計劃(NNI)戰略規劃》動員全美參與，以確保美國在納米科學發現、轉化、相關產品制造方面繼續處於世界領先地位。我國高度關註納米科技發展，納米科技可能是我們在前沿科技領域裡為數不多與世界同步發展的一個領域。2000年，中國成立瞭國傢納米科技指導協調委員會，又於2003年成立瞭國傢納米科學中心，並在國傢中長期發展規劃中部署瞭納米科技研究計劃。三、從核化學到納米的一次轉身我是2001年回國後，從核化學領域轉到納米領域來的。此前我在國外做的是新元素探索，當時和同事發現瞭元素周期表中113號新元素Nh（鉨）。
趙宇亮。圖 | 國傢納米科學中心提供
當時我有兩個選擇，一個是“吃老本”，因為我對新元素的發現做出瞭貢獻，講以前的功勞也能在學術界有自己的位置；另一個選擇就是去挑戰新的東西，或者去挑戰別人沒有做過的。我覺得科學傢的勇氣很重要，尤其是去走少有人走的路。失敗沒有什麼大不瞭的，因為人類的科學技術沒有經歷失敗，就不可能有現在的發達。大傢看到的大多是成功的案例和結果，其實經歷的失敗要更多。我回國後就一直想做一個新領域，那時候我才30多歲，如果到60歲我都要“吃老本”，還有二十幾年，應該做點更有價值的事。我經常跟學生講一個觀點，一個受過嚴格、系統、完整的科研訓練的人，基本上可以做任何領域的科學研究。如果給你5年時間，你一定可以成為一個領域的專傢。專傢是什麼概念？就是你可以跟這個領域的任何人進行對話，討論科學問題，不管他是諾貝爾獎得主，還是研究員，或是普通學生。當然，這需要花時間和精力。我剛轉到納米領域的時候，周圍的人都不知道。晚上我從玉泉路下班後，會坐公交車到北大，偷偷坐在教室後面聽課。當時建實驗室發招聘，要找學生物的人到中國科學院高能物理研究所來，人傢認為我是騙子，因為他覺得高能物理怎麼會做生物研究。我對生物安全方向的預判，是在一次國際學術會議上。當時我跟一個德國科學傢聊天，他聊到瞭轉基因食品，說歐洲國傢的政府不支持也不鼓勵，因為不知道它的安全性。我突然想到，現在我們做瞭這麼多納米材料，這些材料將來進入體內後，是否存在安全問題？這個啟示讓我開始調研，我發現納米安全領域沒有人做，全球都沒有。2001年7月，我給中國科學院打瞭個報告，說需要成立一個新的實驗室，研究納米材料的生物效應與安全性。當時任副院長的白春禮院士一聽，就很高興，因為他是納米領域的領軍科學傢，他認為這個事情很重要，然後就開始做起來。
趙宇亮與學生們在實驗室。圖 | 國傢納米科學中心提供
四、“納米機器人”顛覆醫療技術認知生物醫藥是納米技術非常活躍的應用領域，那麼納米醫療都包含哪些內容？
中國科學院沈陽自動化所微納米研究實驗室研究人員展示肉眼看不見的細菌驅動微顆粒機器人。圖｜新華社記者 姚劍鋒 攝
一類是用納米材料作為載體遞送藥物。比如，用納米技術作為制劑，可以把非水溶性的小分子藥物變成水溶性的，提升其在體內的成效性。再比如，用納米顆粒作為載體可以把有些小分子藥物或者大分子藥物，包括基因藥物、核酸藥物等送到細胞裡面去。還有一類是把納米材料本身作為藥物，比如利用嶄新的納米結構或納米特性，發現基於新型納米顆粒的高效低毒的治療或診斷藥物。但這一類現在研究還相對比較少，其優勢還沒有被充分發揮和應用於臨床，未來會很大發展空間。納米藥物研究雖然起步晚，但發展極其迅速，現在已經占到全球納米科技研究的三分之一。除瞭納米藥物，納米醫療器械的應用更為廣泛，比如納米材料制成的生物材料等。還有醫療中用到的納米機器人，也是近10年的研究熱點。2018年，我國科學傢第一個把納米機器人應用到體內治療，當時在全球引起瞭極大反響。我們把這個領域的研究推到瞭新的高度，從體外細胞用到瞭體內，向臨床邁進瞭一大步。我們的體內實驗，還有大規模制備，在國際上都是處在前列的。但進入臨床的過程到底還有多久？我不好預測，現在正在動物實驗中大力推進。納米機器人大概隻有細胞的幾十分之一大小，它裡面可以裝載藥物或其他我們所需要的東西。我們把它註射到血管內，通過血液循環就可以去到需要的地方（病灶）。比如，它會到達血栓處把藥物釋放出來，處理完後會自己降解，然後通過代謝就可以排出體外瞭。未來的腫瘤切除手術，我們可以直接註射一針納米機器人，在體內就能治療腫瘤。我們還可以通過AI設計，快速合成出隻針對個人疾病的納米機器人。這會顛覆我們對很多醫療技術的認知。五、連接科研和企業的4-6級到底難在哪納米技術的科技創新鏈分為9級，1-3級是基礎研究，4-6級是成果的轉移轉化（工程化），7-9級是產業化。從納米基礎研究的世界指標來看，中國現在的基礎研究各項數據都位於世界前列。2018 年，我國成為高質量納米科學研究產出的引領者，但作為連接基礎研究和產業橋梁的4-6級則是我們的短板。
2021年2月24日，在清華大學天津高端裝備研究院表界面微納技術研究所，實驗人員展示研發成功的經親水改性納米塗層技術處理過的鏡片和未處理鏡片在遇水蒸氣時的不同效果。圖｜新華社發(孫凡越 攝)
4-6級到底難在哪？它實際上是做驗證。比如在基礎研究中提出一個概念、方法或原理，其驗證就需要自己設計一套流程、方法和工藝，這要求研究者既要懂基礎科學，也要懂工程。所以我們必須要有這麼一批人，他們既能理解基礎科學的發現發明創造，又能知道工程技術裡的基本原理或者基本手段、基本路徑。這兩者的結合是最大難點。同時，不是所有驗證都行得通，基礎研究有好的東西，但到瞭成果轉化的工程階段可能就沒用，成不瞭產品。這時候還得要耐得住寂寞，才能真正把一項技術發展起來。人類現在這些有用的技術，都是通過多年不斷地積累、迭代和更新才發展起來的。所以評價體制也很重要，如何評價這些人在過程中發揮的作用。他可能做5年、10年失敗瞭，對工程來說沒有辦法，不“交學費”就找不到成功的路徑或方法。這裡面有很多難點，要理解技術落地的內在規律和需求，要有一套實事求是的評價方法。有時候，成果的轉化也需要經歷一個很長的過渡期。假設一項技術需要10-20年才能完善，然後走向市場，但如果有100項技術在同時研發，那每年都會有新技術和產品出來，10年前不能達到的，也許今年就能出來瞭。所以我們需要一個研發的機制體制，保證持續不斷有人在做，不斷有成果出來。作為創新主體，4-6級應該由企業去做。然而我國納米企業的發展時間相對太短，研發能力還有待提高。1-3級的科研隊伍非常龐大，這裡的一部分人應該勇敢地站出來，跟企業結合，把提出的基本方法、總結的基本規律變成適配企業的技術和產品，否則企業拿到我們發表的新論文是沒有用的，接不住，更用不瞭。科研和企業的結合，有幾個條件非常重要：第一，科學傢們發明創造的知識產權需要保護。在高校、科研機構的科研人員跟企業合作後，其科研成果如果跟自己沒關系瞭，合作就進行不下去，過幾年大傢都不去和企業合作瞭。第二，需要建立機制。這些發明創造大部分來自於國有資金，那麼這些資金所產生成果該如何與市場對接？又該如何滿足國傢科技強國建設的需求？第三，企業和科學傢之間的信任，這非常重要。沒有信任，也是做不下去的。六、一定要在“卡脖子”問題上不斷有進展國際上企業之間基本都是競合關系。全球人口現在已超80億，這麼大的市場沒有一個企業可以把全球的買賣都做瞭，競合關系才是一個正常的世界關系。但是很遺憾，本來正常的競合關系變成瞭零和博弈的對抗關系，這是不正常的。對中國來說，隻有應對，沒有別的辦法。我們早已預判到這種可能，國傢也在體系化地應對，但是需要時間。我們一定要在解決這些“卡脖子”問題的路上不斷有進展，這是很重要的。在納米領域，在諸如智能手機、新能源汽車、疫苗這些技術中，有的我們其實解決得比較好，有的因為前期積累還不夠，這幾年通過國內技術發展正逐步追趕。比如臨床使用的生物材料、新能源汽車的一些核心技術、智能終端裡的一些微納加工技術等，正在不斷地提升自給自足的能力。【註：區別於傳統機械加工毫米級的尺寸量級，微納加工是制造微米和納米尺寸量級微小結構的加工技術，尺寸范圍在200微米以下到納米甚至亞納米級別（1微米＝1000納米，亞納米尺度是指在1納米左右甚至1納米以下的尺度）。這一加工技術起源於微電子，人們常提到的5納米芯片、3納米芯片就是運用平面微納加工工藝制成。微納加工技術是衡量國傢高端制造業水平的標志之一。】基礎研究和核心技術的突破並不矛盾。首先，我們有足夠大的科研體量，也就是科研人員；其次，我們現在有相對比較充足的科研投入、有國傢的大力支持。隻要機制體制、科研范式組織得當，基礎研究和核心技術的突破可以同步發展，而且都可以做得很好。在基礎研究方面，我國納米科技從跟跑到走在世界前列，甚至開始引領一些方向。要重點發力的是把我們的長板，也就是自己開創的一些方向做得更強，保持我們的領先地位。在應用技術方面，目前從基礎研究到產業之間成果轉化的“橋梁”還沒有真正搭起來。我們需要政府在中間把它搭起來，這應該是整個納米科技發力的重點，實際上針對其他領域也是一樣的。新型舉國體制讓我們能夠高效率辦大事，尤其是需要集體攻關的時候，它起到瞭非常重要的引導性作用，目標明確且非常高效。最核心的是要發揮科學傢和工程師群體的內驅力，讓他們能夠更高效工作、完成目標，把科學傢個人的能力轉化成國傢能力。
文章來源：“瞭望智庫”
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