各國納米技術/材料發展的戰略計劃和重點研究領域
目前，世界上有30多個國家正在從事納米技術的研究和開發，它們對納米技術的投資迅速增加，從1997年的4.32億美元增加到2002年的2174億美元。2002年各國(地區)政府在納米技術領域的經費投入比1997增長了503%(見表60)從表1可以看出，自2000年以來，各國(地區)政府投入的研發經費增速加快。美國、日本和西歐是納米技術投資大國(地區)，其他國家和地區的投資總和沒有美國和日本多。
自2000年2月，美國提出國家納米技術計劃(NNI)，納米技術的研發經費從2001財年的4 . 22億美元增加到2004財年的8 . 49億美元(見表2)。2000年,《NNI實施計劃》確定了五個重點發展的戰略領域(見表3 ),這五個戰略研究領域所包含的研究內容近年來有所調整。2003財年重大挑戰項目涉及的關鍵研究領域:
1)“設計”更強、更輕、更硬、具有自修復性和安全性的納米材料:10倍於工業、交通和建築用鋼的強度；強度為目前100攝氏度高溫下熔化的汽車工業用材料三倍的高分子材料和多功能智能材料；
2)納米電子學、納米光電子學、納米磁學:提高計算機運行速度，提升芯片存儲效率百萬倍；把電子的存儲容量提高到幾千太比特？單位表面積的存儲容量增加1千倍；帶寬提升數百倍，改變通信方式；
3)在醫療保健方面，通過診斷和治療設備降低昂貴的醫療保健費用並增強其有效性；利用基因快速測序和細胞內傳感器進行診斷和治療；檢測早期癌細胞並輸送藥物；可使人造器官排異率降低50%並檢測早期疾病的生物傳感器研究；開發對人體組織損傷最小的小型醫療器械；
4)在納米級處理和環保方面，去除水中小於300納米和空氣中小於50納米的汙染顆粒，促進環境和水的清潔；
5)提高能量轉換和存儲效率，太陽能電池能效提高1倍；
6)發展探索太陽系外層空間的小功率微型航天器；
7)研究納米生物裝置，以減輕治療給人類帶來的痛苦:壹種快速有效的生化探測器；用於保護健康和修復受損組織的納米電子/機械/化學裝置；
8)介紹經濟和安全運輸中的新材料、電子、能源、環境等概念；
9)在國家安全方面，密切關註納米電子、多功能材料和納米生物器件的重大挑戰。
在2003財政年度，能源部增加了三個關於納米材料特性的基礎研究項目:
●在納米材料的合成與處理中，我們對涉及材料變形和斷裂的納米加工有了基本的了解，為了合成納米材料，使用定模技術排列納米顆粒。利用尺寸和形狀均壹的納米材料合成更大尺寸的納米材料；
●凝聚態物理中的納米材料研究，重點研究如何使大分子平衡並自組織成更大的納米結構材料；
●從事基礎研究，了解納米材料的特性在催化變化的轉變和控制過程中所起的作用。
NNI在2004財政年度支持的五個關鍵發展戰略領域與2003年相同(見表3)。重點支持在原子和分子水平操縱物質的長期研究，發揮創造力構建分子、人體細胞大小等先進新器件，從而進壹步完善應用於信息技術的電子器件；高性能和低維護材料的研究和開發)；用於制造業、國防、交通、航天和環境；加快納米技術在生物技術、醫療保健和農業領域的應用。研發重點領域:生物-化學-輻射-爆炸探測與防護？CBRE？納米技術的創新解決方案；納米制造研究；納米生物系統；納米標準儀器的發展；教育和培養新壹代勞動者，以適應未來產業發展的需要；擴大參與納米技術革命的產業陣容。
在第二個《科學技術基本計劃》(2001-2006)中，日本政府將納米技術與材料、生命科學、信息通信、環境保護等視為。作為國家科技發展戰略最重要的領域。2001年度，該計劃中投入納米技術的研究經費達到142億日元，比2000年度增加了88億日元。規劃確定的納米技術和材料重點研究領域:納米材料和材料及其在電子學、電磁學和光學中的應用；納米材料和材料及其在結構材料中的應用:納米信息元素；納米技術在醫療、生命科學、能源科學和環境科學中的應用；與表面和界面控制相關的物質和材料；納米測量和標準技術；納米加工、合成和工程技術；納米技術的計算、理論和模擬技術；形成安全空間的材料和技術等。
2001年，日本通產省制定了“納米材料計劃”(NMP)，每年資助3500萬美元，為期7年(2001-2007)，由政府部門、政府研究機構、大學和產業界共同研究，旨在建立壹個集新型納米功能材料研發和面向產業的教育功能於壹體的納米材料研發平臺。2001年，貿工部還制定實施了“下壹代半導體技術發展計劃”，發展50-70納米的下壹代半導體加工基礎技術，政府每年投入6000萬美元。
日本的“先進技術探索性研究”涉及納米粒子、納米結構、納米生物學、納米電子學等諸多探索性研究。該項目的研究期定為五年，全部由政府資助。在五年期間，政府對該項目的平均資助金額為6.5438億加元+6百萬英鎊。每個項目通常由15-25名科學家和技術人員組成，分為3個研究小組。該計劃鼓勵國內外產業、大學和研究機構合作研究。該計劃已經完成了許多項目，主要是在研究中。
日本文部科學省發布了2003年的科技預算，其中納米技術和材料的預算共計1，496，5438+0億日元(見表6)。2003年7月14日在日本內閣府綜合科學技術會議上召開了“納米技術與材料研究開發推進項目”第6次會議，確定了研究開發的重點領域:納米給藥系統、納米醫療設備和創新納米結構材料。這些項目由內閣辦公室牽頭，多個政府部門共同推動，於2004年開始實施。
歐洲力爭納米技術的國際地位。壹方面，它在歐洲積極創造新的納米技術產業；另壹方面，它敦促現有的工業部門提高其納米技術能力。在第六個框架計劃(2002-2006年)中，歐盟將納米技術和納米科學作為七個重點發展戰略領域之壹，資助65，438.0+2億美元，並確定了具體的戰略目標和重點研究領域:
壹.納米技術和納米科學
將長期的跨學科研究轉變為理解新現象、掌握新技術和開發研究工具:關註分子和介觀現象；自組織材料和結構；分子和生物分子力學和馬達；無機、有機和生物材料及過程跨學科研究綜合發展的新方法。
納米生物技術:其目標是支持生物和非生物的綜合研究，有廣泛使用的納米生物技術，如可用於加工、醫療和環境分析系統的納米生物技術。主要研究領域涉及芯片實驗室、生物實體的界面、納米粒子的表面修復、先進的藥物輸送方法和納米電子學；生物分子或復合物的處理、操作和檢測，生物實體的電子檢測，微流體，基於酶作用促進和控制細胞生長。
創建材料與構件納米工程技術:通過控制納米結構，開發超高性能的新型功能和結構材料，包括開發材料的生產技術和加工技術。關註納米結構合金和復合材料，先進功能高分子材料和納米結構功能材料。
開發操作控制裝置和儀器:開發新壹代納米測量分析儀器，分辨率為10 nm。重點研究領域涉及各種先進的納米測量技術；突破探索物質自組織特性的技術、方法或手段，發展納米機械。
納米技術在健康、化學、能源、光學和環境方面的應用。專註於計算模擬和先進生產技術；開發可以修改的創新材料。
二、智能多功能材料
具有高知識含量、新功能和改性的新材料將是技術創新、器件和系統的關鍵。
發展基礎知識:目標是了解與材料相關的復雜物理化學和生物現象，掌握和處理對實驗、理論和模擬工具有幫助的智能材料。主要研究領域:設計和開發具有特定特性的新結構材料；超分子和小分子工程的發展集中於新的高復雜性分子及其復合物的合成、探索和潛在應用。
技術和生產的結合:基於知識的多功能材料和生物材料的運輸和加工:目標是生產出新的多功能“智能”材料，可以構建更大的結構。重點研究領域:新材料；自修復工程材料；包括表面技術和工程技術。
材料開發的工程支持:目標是在知識生產和知識使用之間搭建橋梁，克服歐洲同質產業在材料和生產壹體化方面的弱點。通過開發新工具，可以在穩定的競爭環境中生產新材料。重點研究領域:優化材料設計、加工和工具；材料測試；把材料做成更大的結構，考慮生物相容性和經濟效益。
第三，新的生產工藝和設備
新生產的概念包括更大的靈活性、更高的集成度、更安全和更清潔，這將取決於組織創新和技術發展。
在“納米技術信息器件倡議”的五年計劃(1999-2003)中，歐洲委員會制定了三個目標:設計出性能超過互補金屬氧化物半導體矽兼容器件的器件；在化學、電子學、光電子學、生物學和力學的基礎上，利用分子的特性，設計出原子或分子尺度的新裝置和新系統，以解決特殊的計算問題。歐洲科學基金會提出了“自組織納米結構”的五年計劃，並於2003年開始實施。與力學機制相關的分子自組織、軟物質或超分子研究，以及自組織納米結構的功能和制備被列為研究的第壹階段。
英國政府在科研重點中確定了2001-2004年的科研戰略和研究重點。其中，材料科學(研究經費為4.44億英鎊)和基礎技術(研究經費為265，438英鎊+000英鎊)涉及納米材料和納米技術的研究重點:推進前瞻性材料模擬研究；促進納米技術的研究和由不同機構管理的跨學科納米技術研究合作中心(IRC)的發展。英國工程與材料科學研究委員會在材料科學發展五年計劃(1994-1999)中投資約700萬美元，其中約1萬美元專門用於納米粒子的研究。該計劃在2000年繼續支持納米材料領域的研究。2003年，英國政府在納米技術上投資了大約3000萬英鎊。
英國政府納米技術應用小組委員會顧問專家組在調查了數百名科學家和發明家後，於2002年6月在其題為《英國納米技術發展戰略》的報告中概述了英國納米技術的發展戰略(見表7)，並選出了英國具有研究優勢和產業發展機會的六個納米技術領域:電子和通信；藥物輸送系統；生物組織工程、藥物植入和裝置；納米材料，特別是生物醫學和功能界面納米材料；納米儀器、工具和測量；傳感器和執行器。
目前，法國政府主要支持三個納米技術項目:“法國微納技術網絡”(654.38+00萬歐元)；“納米結構材料”(230萬歐元)；“獨立納米物體”(654.38+02萬歐元)。
德國聯邦教育研究部和德國聯邦經濟部資助了6個納米技術能力中心，每年投資6500萬德國馬克。資助的主要領域有:超薄功能薄膜；納米結構在光電子學領域的應用:新型納米結構的開發:超細表面測量；納米結構的分析方法。
2002年，德國聯邦教育與研究部發布了增強納米技術研究能力的新戰略，將納米技術的研究經費從0998年的65438+2760萬歐元增加到2002年的8850歐元，四年間增長了200%。關鍵研究領域包括加強納米技術研究基礎設施的安全性；重建綜合創新的研究機構；納米技術的商業化；促進創新型企業的建立；加強中小企業的作用，評估與其他國家合作的機會；縮短相關專利或授權的期限；與促進下壹代科技研發相關的科技法律。對下壹代材料研究的資助達到7500萬歐元，其中包括對納米結構材料的資助。
英國、法國、德國等歐盟國家，除了本國政府支持的納米技術研究外，還將參與上述第六框架計劃中有關納米材料的歐盟項目。
在2002年至2006年的《科學技術發展基本計劃》中，韓國政府將納米技術和生物技術、信息技術和航空航天技術作為國家科學技術發展的重點戰略領域。2000年制定的“納米生物技術發展10年計劃”重點關註納米診斷裝置、納米治療系統和納米仿生裝置的研發。“2001-2010tb納米器件計劃”將TB納米電子學、自旋電子學、分子電子學和核心技術確定為重點研究領域。政府對該計劃的投資總額為6，543.8美元+4.2億歐元。科技部積極鼓勵民營企業設立納米技術專項投資基金作為配套資金。“2002年納米技術發展行動計劃”的預算為2031億韓元，比2001年的1052億韓元高出9.31%。它旨在開發納米核心技術，建立新的國家納米制造研究中心(250億韓元)和信息技術與納米技術的融合中心。到2010年，韓國將擁有13000名納米技術領域的專家，躋身世界10強。
2003財年，澳大利亞將納米材料和生物材料作為重點戰略研究領域，主要研究通過原子和分子的納米自組織形成塊體材料。
從1999開始，中國臺灣省陸續制定了“納米材料高級研究計劃”(1999)。“納米技術研究計劃”(2001-2005)預計5年內每年投入1億元新臺幣。中國臺灣省計劃從2002年到2007年在納米技術相關領域共投資6億美元，每年穩步增長，平均達到每年6543.8億美元。
世界納米技術/材料的發展
各國(地區)通過實施納米科技計劃，在納米材料和技術方面取得了很大進展。
納米材料方面，僅以近兩年國際上的壹些研究成果為例，納米技術/材料的發展是顯而易見的。2002年，IBM和康奈爾大學相繼開發出碳納米晶體管。威斯康星州立大學開發了壹種原子級矽存儲材料，存儲密度是目前光盤的654.38+0萬倍。
麻省理工學院和美國陸軍建立的納米技術研究所開發了壹種具有防水和殺菌效果的納米塗層。美國伊利諾伊州西北大學Stupp領導的材料研究組首次設計並制備了類骨納米纖維(Science，23，11，2002)。加州大學化學系Joshua Goldberger領導的研究團隊與勞倫斯國家實驗室的科學家合作，利用新型外延鍍膜技術，首次成功合成了單晶結構的氮化鎵。甘？納米管，這種新技術也可以應用於其他材料的單晶納米管的合成。氮化鎵？甘？納米管還可以應用於納米毛細管電泳、生化納米流體誘導以及納米尺度的電子和光電元件(Nature 422？599 2003)。
氧化鋁納米管最早由俄羅斯莫斯科大學化學系開發。俄羅斯科學院電化學研究所成功研發出壹種新型納米塗層，具有良好的殺菌和環保性能。
日本工業研究所開發了壹種單電子半導體，使用碳納米管在室溫下工作。在此基礎上，名古屋大學開發出電導率可控的碳納米管。日本東芝研發中心利用碳氫化合物催化分解法，在氧化鋅(ZnO2 _ 2)多孔介電材料上包覆壹層鐵鋁復合氧化物作為催化劑，制備出直徑為5-8納米、約5層的多層高密度填充碳納米纖維，在其表面能上形成每平方毫米約4萬根納米纖維。研究這種材料的目的是開發壹種儲氫能源材料，吸收氫氣和其他燃料。日立研究所利用納米技術，在機械力的作用下，在原子水平上混合軟磁金屬和高阻陶瓷，從而在軟磁金屬納米晶周圍形成高阻陶瓷結構。軟磁金屬的納米顆粒被高阻隔開形成高阻，可以降低高頻段渦流造成的損耗，從而成功合成高頻電磁波吸收納米材料。該方法制備的電磁波吸收納米材料可使電磁波吸收材料的厚度降低50%左右，有望作為塗層電磁波吸收材料投入實際應用。日本國立材料研究所Yoshio Bando領導的研究團隊成功開發出內徑約20 ~ 60納米的填充液態金屬鎵的氧化鎂單晶納米管。鎵？基於氧化鎂耐高溫和高溫下結構穩定的物理特性，大大提高了納米溫度計的測溫範圍。估計其測量溫度可達1000攝氏度(APP。PHYS. LETT.83999，2003)，這比Yoshio Bando的研究小組在2002年研究的碳納米管溫度計高50-50攝氏度。
法國國家科學研究中心圖盧茲結構研究和材料制造中心與阿爾霍斯大學天體物理系合作，共同設計了壹種可以在銅表面自動聚集原子線的納米“模具”分子，這為未來單分子電路的分子組件的電子互聯打開了壹個通道。
納米技術在醫學應用、納米電子學、納米加工、納米器件等方面也取得了新的進展和突破。本文不在此列。
通過中國“國家重點計劃”、“863計劃”、“973計劃”的實施，納米材料和納米技術取得了突出的成果，引起了國際關註。比如在納米電子學方面，研制成功波導單電子器件晶體管和對電荷超敏感的庫侖計；實現了寬度為6 nm的半導體量子線臺面和寬度為6 nm的線金屬柵，制備了間距僅為10 nm的各種“納米電極對”；利用巨磁電阻效應研制了高靈敏度傳感器和硬盤磁頭的樣機。在納米材料方面，中科院化學所有機固體重點實驗室與北京大學人工微結構與介觀物理國家重點實驗室合作，直接從C60粉末構建C60納米管。得到的C60納米管由C60晶體在500℃生長而成，保留了C60分子的結構和性質，同時作為壹種新的聚集結構，具有準壹維納米材料的特性(J. AM。化學。SOC，2002，165438+10月，13)。發展了碳納米管及其陣列體系的準壹維納米材料和非水熱合成納米材料。納米銅金屬的超延展性、大塊金屬合金、納米復相陶瓷、巨磁電阻、磁熱效應、介孔組裝體系的光學性質、納米生物骨修復材料、二元協同納米界面材料等領域的研究在國際上有壹定影響。在納米器件的構築和自組裝、超高密度信息存儲、納米分子電子器件等方面也取得了許多重大而有影響的成果。
納米技術/材料的未來發展趨勢
從科技發展歷史來看，新技術的發展往往需要新材料的支撐。如果沒有1970制造的光纖，使得光強幾乎不衰減，可能就沒有現代的光通信；沒有高純度、大直徑的矽單晶，很難想象集成電路、先進計算機和通信設備的快速發展。納米材料是由納米尺度控制的具有新特性和行為的納米尺度材料。納米材料是未來社會發展極其重要的物質基礎。納米材料是構建二維和三維復雜功能納米體系的單元，在此基礎上可以產生許多新的納米器件和功能器件。許多科技新領域的突破迫切需要納米材料和納米技術的支撐，傳統產業的技術升級也需要納米材料和技術的支撐。納米材料和技術將對許多領域產生巨大的沖擊和影響。從文獻計量的角度來看，納米技術涉及多達87個研究領域。
從全球範圍來看，在各國(地區)政府的大力支持和各行各業在研發方面的努力下，納米技術和工藝不斷得到發展，許多納米新材料、新特性和新應用將不斷被發現。納米技術/材料的發展顯示出誘人的前景。如前所述，納米技術/材料涉及廣泛的研究領域，對科學、技術、經濟和社會產生廣泛的影響，其未來發展方向涉及多個方面。本文重點介紹了納米材料的未來發展趨勢。
●納米材料及其性能正朝著更高質量的方向發展，使得更多性能優越、價格低廉的納米粉體、納米顆粒、納米復合材料將得到更廣泛的應用。例如，納米粒子可用於制造新的光學薄膜和具有光學和磁性的新功能材料。磁性納米粒子和量子點將用於生產超小型光盤驅動器，存儲容量是目前芯片的10倍，速度為數百GHz。
●在納米材料和加工方面，將通過控制納米晶體、納米薄膜、納米顆粒和碳納米管來創造新的功能結構材料；開發超輕、超強結構材料；發展長壽命材料、支持能量轉換的材料和具有新功能的電子材料；了解涉及材料變形和斷裂的納米技術，利用模仿技術排列納米粒子，以便合成納米材料；
●納米材料將成為化學和能源轉換過程中高度選擇性和有效的催化劑。這不僅對能源和化工生產非常重要，對能源轉換和環境保護也有很大的經濟價值。
●納米材料的發展將對生物醫學領域產生巨大影響，如植入性和代償性生物相容性材料、診斷裝置和治療學，納米材料將有更多機會用於藥物傳遞系統。新的生物相容性納米材料和納米機械元件將創造更多的可植入新材料、人造器官新材料和納米元件
●開發以天然纖維材料為基礎、具有環境相容性的新型納米高分子纖維材料，保障人類健康安全:開發細菌細纖維納米生態材料；用於食品和其他行業的小麥生物聚合物(澱粉)復合材料；將納米粒子與可生物降解的聚合物結合以改善聚合物的物理和化學性質；從糖中開發納米晶增強劑以凈化廢品；開發用於聚合物復合材料的局部化學改性植物纖維素納米粒子:稻殼開發利用生產納米碳化矽:開發表面分離的自組織植物纖維素膜。
總之，納米技術/材料將向與信息技術、現代生命科學和認知科學融合的方向發展，它們的融合將促進所有科技經濟領域的創新和新發現。