中国纳米科学与技术发展状况概览.pdf

施普林格自然集团 中国国家纳米科学中心 中国科学院文献情报中心 中国纳米科学与技术 发展状况概览 国之大器 始 于毫末印格致 施普林格自然集团中国区 刘鸣华 中国国家纳米科学中心 黄向阳 中国科学院文献情报中心 周鹰鹰 施普林格自然集团， 自然科研中国区 唐智勇 中国国家纳米科学中心 吴树仙 中国国家纳米科学中心 刘细文 中国科学院文献情报中心 陈启梅 中国科学院文献情报中心 赵亚娟 中国科学院文献情报中心 王学昭 中国科学院文献情报中心 张博 中国科学院文献情报中心 周泗伟 施普林格自然集团中国区 肖娟秀 施普林格自然集团中国区 国家纳米科学中心于 2003 年 12 月成立，由中国科学院与教育部共建，定位于纳米科学与技术的基础研究和 应用研究，重点在具有重要应用前景的纳米科学技术基础研究。国家纳米科学中心实行理事会领导下的主任 负责制，目标是建成具有国际先进水平的研究基地、面向国内外开放的纳米科学研究公共技术平台、中国纳 米科技领域国际交流的窗口和人才培养基地。 中心现有 3 个中国科学院重点实验室，分别是中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室、中国科学 院纳米标准与检测重点实验室和中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室。另外设有纳米技术发展部， 负责公共仪器设备的开放共享和管理运行服务。国家纳米科学中心还与清华大学、北京大学和中国科学院直 属单位等科研院校共建了 19 个协作实验室。 国家纳米科学中心现有凝聚态物理、物理化学、材料学和纳米科学与技术四个博士生培养点，并设有博 士后流动站。截至 2016 年末，发表第一作者科学论文 1699 篇，申请专利 868 项，授权专利 393 项。在中国 科学院 2014 年组织的国际评估中获得国际同领域专家高度认可，并被认为是“迄今中国最优秀的纳米科学研 究机构”。2016 年公布的自然指数表明，国家纳米科学中心进入中国科学院各研究所前十行列。 2015 年 10 月，中国科学院决定成立中国科学院纳米科学卓越创新中心（CAS-CENano），加速建立有 利于重大科研产出的科研活动组织新模式。 中心的任务是汇聚和培养纳米领域优秀人才， 聚焦纳米科学前沿， 率先在纳米领域的重大科学问题上取得突破，成为国际知名的纳米科学研究机构。 国家纳米科学中心 中国科学院文献情报中心立足中国科学院、面向全国，主要为自然科学、边缘交叉科学和高技术领域的科技 自主创新提供文献信息保障、战略情报研究服务、公共信息服务平台支撑和科学交流与传播服务，同时通过 国家科技文献平台和开展共建共享为国家创新体系其他领域的科研机构提供信息服务。 该中心现有职工 400 余人， 馆藏图书 1， 145 余万册 （件） 。 近年来， 围绕国家科技发展需求及中科院 “率 先行动”计划，积极建设大数据科技知识资源体系，开展普惠的文献信息服务和覆盖研究所创新价值链的情 报服务。在分布式大数据知识资源体系建设以及覆盖创新价值链的科技情报研究与服务体系方面获得了重大 突破，成为了支持我国科技发展的权威的国家科技知识服务中心。 该中心是图书馆学和情报学两个学科的硕士学位和博士学位授予单位，现有在读研究生近 178 人；常年 接收高级访问学者和组织专业继续教育。2012 年获批图书馆学、情报学博士后科研流动站。 中国科学院文献情报中心是国际图书馆协会与机构联合会 （IFLA） 的重要成员。 近年来， 该中心积极组织、 参与高层次专门化国际学术交流活动，目前已经与美国、德国、韩国、俄罗斯等多个国家的文献情报机构建 立了稳定的合作关系。 中国科学院文献情报中心 施普林格 自然集团（Springer Nature）致力于出版可靠和有深度的科研成果，支持拓展新的知识领域，促 进思想和信息的全球交流，并引领开放获取，由此推动科研发现。实现这一目标的关键在于我们尽可能为整 个科研共同体提供最佳服务：帮助作者与人分享自己的新发现；帮助科研人员发现、使用和理解他人的工作 成果；向图书馆和机构提供技术和数据上的创新服务；向协会提供优质的出版支持。 作为一家学术出版机构， 施普林格 自然集团旗下汇聚了一系列深受信赖的品牌， 包括施普林格、 自然科研、 BMC、帕尔格雷夫麦克米伦和科学美国人。施普林格自然还是一家领先的教育和专业内容出版机构， 通过一系列创新平台、产品和服务向社会各界提供优质内容。我们的品牌、书籍、期刊和资源每天惠及全球 各地数以百万计的人们。更多信息，请访问 springernature/ 施普林格 自然 本白皮书采用知识共享许可协议 4.0 版本（CC-BY 4.0） 。浏览该协议，请访问：creativecommons/licenses/by/4.0/纳 米科学是在纳米尺度（从原子、分子到 亚微米尺度之间）上研究物质的相互作 用、组成、特性与制造方法的科学。它 汇聚了现代多学科领域在纳米尺度的焦 点科学问题，促进了多学科交叉融合，孕育着众多的 科技突破和原始创新机会。同时，纳米科技对高技术 的诞生，对我们的生产、生活也将产生巨大的影响。 从上世纪八十年代开始，纳米科技引起了人们的 广泛关注。2000 年美国率先发布了“国家纳米技术 计划（NNI）”掀起了国际纳米科技研究热潮。中国 高度关注纳米科技发展，与国际同步进行了布局，于 2000 年成立了国家纳米科技指导协调委员会，2003 年成立了国家纳米科学中心，在国家中长期发展规划 中部署了纳米科技研究计划，同时，基金委和中国科 学院也都部署了纳米科技相关研究。这些措施极大地 推动了中国纳米科技的发展。 施普林格 自然集团、国家纳米科学中心、中国 科学院文献情报中心共同合作，编制了中国纳米白皮 书， 从高水平文献发表、 专利申请、 重点发展领域分布、 国际合作网络等视角， 运用大数据分析和可视化方法， 综合专家解读和意见，科学详实地揭示出近年来中国 和世界纳米科技的发展态势。文章定性分析与定量分 析相结合，主观判断与客观数据相印证。该报告，一 方面，让我们看到了过去二十年，纳米科技在世界范 围得到了很大的发展，对人类社会生活进步产生了巨 大影响 ； 另一方面， 我们也看到相关领域的变迁和影响。 纳米科学研究和技术应用已经遍布材料与制造、电子 与信息技术、能源与环境、以及医学与健康领域。与 此同时，纳米技术的迅速发展给社会带来的巨大影响 也带来了伦理和安全问题， 潜在风险值得关注和研究。 报告显示，中国在纳米科学领域已成为当今世界 纳米科学与技术进步重要的贡献者，是世界纳米科技 研发大国，部分基础研究跃居国际领先水平。中国纳 米科技应用研究与成果转化的成效也已初具规模。在 专利申请量方面，中国位于世界前列。这些都与中国 在纳米科技领域的持续投入密切相关，同时也展示了 中国纳米科技研究正在实现从量的增加到原创以及质 的转变，并更加关注纳米科技的产业化应用。 展望未来，纳米科技面临诸多机遇和多方挑战。 我们需要实现对于纳米尺度基础研究的突破，需要加 快填补基础与应用之间的沟壑，更需要满足更多来自 于世界能源、环境与健康领域的重大需求。为此，我 们将进一步加大创新人才的培养，加快构建和培育价 值链和创新链，开展更加广泛和有效的全球合作。希 望通过我们的共同努力，纳米科技在基础前沿领域能 实现更多原创性突破，更多应用成果开花结果、落地 生根，服务国家、造福人民，为中国早日建成世界科 技强国作出应有的贡献。 n 序 白春礼中国科学院院长国之大器 始于毫末 | 11992 年，全球只有屈指 可数的几个实验室，主要 是物理或化学实验室，在 开展纳米尺度的物体研 究将其描述为纳米科 学，或许要比纳米技术更 合适。当时，并没有专门 针对这个领域的期刊 ， 而且勉强算起来也只有六 家研究机构在其名称中 使用了 “纳米”这个前 缀 。如今 ，在科睿唯安 （Clarivate Analytics） 发布的 2016 年度期刊 引用报告中，“纳米科 学与纳米技术”分类下已 有 86 本期刊。在数码科 研（Digital Science）所 维护的全球研究识别符数 据 库（Global Research Identifier Database）当 前收录的研究机构中，已 有 1 9 2 个研究机构明确 在其名称中使用了纳米科 学或纳米技术。 虽然我们掌握的技术 还无法实现在原子尺度上 建构事物， 但是事实证明， 该领域许多奠基人所主张 的谨慎是过于悲观的。现 在，计算机芯片常规制造 尺寸仅有几十个纳米大 小，IBM 最近宣布推出的 商业化量产芯片，其晶体 管大小仅为 5 纳米 。许 多电视机的发光元件采用 了被称为量子点的纳米级 荧光粒子。目前使用了纳 米技术的产品还有涂料、 防晒霜、药物、太阳镜、 污染检测器和基因测序仪 等， 林林总总， 不胜枚举。 中国早就意识到纳米 科学对其科学、技术和经 济发展的潜在贡献。2003 年，中国科学院和教育部 共同成立了国家纳米科学 中心。其成功的关键在于 中国最优秀研究机构的代 表清华大学、北京大学 和中国科学院都参与其中。 过去二十年，在国家纳米 科学中心、中国科学院科 研院所和国内一流大学等 机构的共同推动下，中国 已成为当今世界纳米科学 与技术领域的领先国家。 2 5 年前 ， 自然在东 京召开了一次会议，汇集 了当时一个新兴研究领域 的世界顶尖专家。该领域 研究的是从原子尺度上了 解和操纵物质 1，他们称 之为 “纳米技术” 。 不过， 不是所有人都喜欢这个名 字。Don Eigler 曾 利 用 单独排放的氙原子在镍表 面上拼出字母“IBM”， 这成为该领域最具标志性 的图像之一，但他对是否 存在纳米技术表示了怀 疑 。来自 I B M 的另一位 代表 Paul Horn 则认为， 尽管他们可使用的工具是 “奇妙的科学工具”，但 预计未来 25 年内这不会 对主流电子技术产生任何 影响。 从一颗小种子到 参天大树 国之大器 始于毫末 中国纳米科学与技术发展状况概览 2 | 国之大器 始于毫末在这份白皮书中，我 们将首先概述中国纳米科 学与技术的现状。然后， 在第二部分中简要介绍该 学科的发展历史和迄今以 来的里程碑事件。这包括 纳米科学如何改变构成我 们世界的各种材料，如何 改变通讯方式，如何发展 新能源及提高新能源的使 用效率，以及如何帮助诊 断和治疗疾病等。 在第三部分，我们将 通过实际的数字来展现纳 米科学这门学科的兴起， 以及中国快速发展成为该 学科领导者的情况 。我 们将聚焦于相关的论文 产出，特别是对该领域有 最大影响力的论文 。借 助自然科研最新开发的 纳米科学研究平台 Nano （nano.nature. com），我们希望能提供 一些定性的看法，展现中 国在该领域的优势、不足 和新兴的研究领域。我们 还将评述中国相关领域的 专利产出情况。 在第四部分，我们将 呈现一些业内专家在访谈 中所表达的对于中国纳米 科学发展现状和未来发展 方向的看法，以及研究机 构、资助机构和决策者如 何才能继续推动该领域的 蓬勃发展。 n 1. Garwin, L. doi: 10.1038/355761a0 中国纳米科学与技术发展状况概览 国之大器 始于毫末 | 3国之大器 始于毫末 纳米科学 与技术的 过去、现在 和未来 纳米科学，简而言之，主 要研究的是尺度在 1 到 1 0 0个1 0亿 分 之1米 ， 即 1 - 1 0 0 纳米之间的极 小物体。在如此小的尺度 上，材料的物理、化学和 生物学特性跟宏观尺度的 物体相比 ，会大相径庭 通常有巨大的差异。 比如，低强度或脆性合金 会获得高强度、 高延展性， 化学活性低的化合物会变 成强力催化剂，不能受激 发光的半导体会变得能够 发射强光。纳米尺度级的 处理能够改变物质属性， 这对大多数的科学、 技术、 工程和医学领域都具有实 用意义。 纳米科学和技术作为一 个独立的研究领域 ，是 最近才发展起来的 。大 家通常都老生常谈地引 用 费 曼（Richard Feyn- m a n ）去世后才出名 的演讲作为该领域的开 端即 1 9 5 9 年他在加 州理工学院的演讲“（微 观）之下还有充足的空 间（Theres plenty of room at the bot - tom）”。费曼在演讲中 指出，如果可以控制单一 原子，理论上可以在大头 针的针头上写下整套大 英百科全书的内容。但是 这次演讲在随后几十年， 仅有少数几次的引用 。 “纳米技术”这个术语直 到 1974 年才出现，由谷 口纪男在论文“关于纳 米技术的基本概念”里 首次提出，他介绍了如何 运用离子溅射在硬质表 面蚀刻形成纳米结构。 不过，纳米材料的使 用可追溯到几个世纪前， 例如其在陶瓷釉和有色窗 玻璃染色剂中的使用。领 先费曼控制单一原子的设 想大约一个世纪，英国物 理学家、电磁学先驱法拉 第（Michael Faraday） 已阐述了光的波长相关散 射（丁达尔现象），其研 究对象是通过化学方法制 备的金胶体悬浮液。他注 意到金的胶体悬浮液颜色 会随着金纳米颗粒的大小 发生变化，并意识到极小 黄金颗粒的存在。 意识到通过控制原子 来改造世界的可能性是一 回事，如何实现却完全是 另一回事。从这个意义上 说，开发用于观察和控制 物质的工具一直在决定着 纳米科学与技术发展的时 间表。最先被开发出来的 工 具 是 1931 年 由 Ernst Ruska 和 Max Knoll 发 纳米技术发展的 里程碑 中国纳米科学与技术发展状况概览 4 | 国之大器 始于毫末明的电子显微镜尽管 历经几十年的发展这些设 备才达到原子级别的分辨 率。但真正宣告纳米时代 到来并进入公众视野的 是 1990 年 Don Eigler 及 其同事展示了在镍表面 通过摆放单个氙原子能 够拼写出IBM三个字 母 ，当时他们使用的是 Gerd Binnig 和 Heinrich R ohr er 在九年前发明的 扫描隧道显微镜。 同样在2 0世纪8 0 和 90 年代，科研人员开 始将光学仪器分辨率的 极限推进到纳米领域 。 可见光的波长起点大约 在 4 0 0 纳米 ，按照传统 的理解 ，可见光并不适 用于观测与纳米技术相 关的 1 0 0 纳米以下的结 构。1928 年，Edward Hutchinson Synge 提出 了 近场显微镜的构 造，用以突破所谓的阿 贝衍射极限 ，即制约 传统显微镜分辨约 2 5 0 纳米以下结构的限制 。 但 直 到 1994 年，Ste- fan Hell 和 Jan Wich - m a n n 才提出第一个可 实施的方案 ，即超分辨 率 荧 光 显 微 镜（stimu- lated-emission-deple- tion，STED 显微镜）， 实现远小于前述 2 5 0 纳 米尺寸限制的分子尺度 光学成像。 纳米尺度研究能力 的提升起初让人们发现 了许多天然形成的纳米 结 构。1981 年， 俄 国 物 理 学 家 Alexei Ekimov 和 Alexander Efros 在研 究掺杂半导体的玻璃时， 发现了内嵌的纳米级结 晶体，后被称为半导体量 子点。仅仅几年后，贝尔 实 验 室 的 Louis Brus 展 示了在溶液中合成这种 颗粒的方法。 中国纳米科学与技术发展状况概览 国之大器 始于毫末 | 5国之大器 始于毫末 1985 年， 美 国 莱 斯 大 学 的 Harold Kroto, Sean OBrien, Robert Curl 和 Richard Smalley 发现了富勒烯（C 60 ） 这是一种完全由碳原子组 成的、形如足球并且异常 稳定的分子。这打破了碳 只有石墨和金刚石两种同 素异形体的传统认知，并 开启了化学家的想象力， 令他们开始思考合成比之 前设想要大得多的一系列 新型分子结构的可能性。 1991 年，饭岛澄男报告 合成了碳纳米管一种 具有特殊电子、热学、机 械性能的材料，为这种管 状纳米结构的广泛应用铺 平了道路 。随后不久 ， Charles Kresge 及 其 同 事发明了可过滤分子的介 孔 纳 米 材 料 MCM-41 和 MCM-48，现已广泛应用 于石油炼化、污水处理及 药 物 输 送。1990 年 代 后 半 期，Charles Lieber, Lars Samuelsson 和 Kenji Hiruma 领 导 的 团 队开发了合成晶状半导 体纳米线的技术为 推动纳米技术进入光子 学和光电学领域又迈出 至关重要的一步 。 2 0 0 4 年，Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 实现了单层石墨烯的分 离，获得单原子厚度的二 维碳原子结构，开启了通 向不可限量的未来技术的 大门。超轻、高柔性、高 强度、高导电性等特点使 得石墨烯被誉为一种新的 神奇材料。 1 9 9 0 年代末和本世 纪初，纳米技术更多地投 入 应 用。1998 年 电 子 墨 水的发明就是一例 ，这 是一种类似纸张的显示技 术 ，墨水由极小的胶囊 组成 ，现已广泛应用于 K i n d l e 等电子阅读器产 品。另一个例子是 1988 年 Albert Fert 和 Peter Grnberg 发现的巨磁阻 效应，据此开发的磁性读 出头大幅缩小了电脑硬盘 的尺寸，并提高了存储容 量。Ekimov, Efros, Brus （及其他众人）发现并开 发的量子点也得到了广泛 的实际应用，这包括平板 电视背光源，以及用于活 体细胞和组织内最小结构 成像的染色剂。 纳米级材料的研究规模虽 然比较小，但对我们生活 方式的潜在影响却很大。 全球各地的科学家和工程 师们都在对这个微观世界 展开新的探索，并将其科 学发现转化为新的产品和 技术，由此重塑了一系列 的产业，主要是材料和制 造业、电子和信息技术、 能源与环境，以及医疗与 健康产业。由于具有广泛 的社会影响力，纳米技术 的快速发展也随之带来伦 理和安全问题，需要我们 在享用纳米技术预期的成 果之前加以解决。 材料和制造 纳米技术的优势主要体现 在通过控制原子级或分子 级的物质所创造的新材料 上。 由于具备理想的机械、 化学、电学、热学或光学 性能，这些新型纳米材料 被应用于日常用品及工业 制造之中。 威尔逊中心曾发起一 个关于新兴的纳米技术的 项目，根据其中的一份制 造商清单估计 2，市场上 有 1600 多种基于纳米技 术的消费产品。纳米材料 在健康和健身产品中的应 用最广，例如化妆品、个 人护理用品和服装等。普 通的电吹风或直发器就有 可能使用纳米材料降低重 量或延长使用寿命。防晒 霜已使用了从皮肤表面上 看不到的纳米二氧化钛或 氧化锌等防晒成分。纳米 工程制备的纤维被用于制 造防皱、防沾污的衣物， 不仅质轻，甚至还可能防 止细菌的滋生。纳米材料 还被应用于各类产品中， 从轻便、 刚性好的网球拍、 自行车和箱包，到汽车零 件和可充电电池等。 在制造业，纳米结构 的材料被用于机器零件的 表面涂层或润滑剂中，以 减小磨损、延长机器使用 寿命。具有纳米结构的合 金，由于强度高、耐久、 质量轻的特点，是制造飞 机和航天航空零部件的理 想高性能材料。它们被用 于制造机身、过滤材料及 其他零部件，带来更强的 耐蚀、抗震和防火性能， 以及优良的强度 - 重量比。 金属、氧化物、碳和其他 化合物的纳米颗粒也是很 好的催化剂， 在石油精炼、 生物燃料等领域有着重要 的工业应用。由于出色的 表面积 - 体积比、高催化活 性及低能耗的特点，纳米 催化具有多种优势，如最 优的原料利用率、 高能效、 最低限度的化学废料排放， 以及更高的安全性等。 信息技术 纳米技术作为促进信息技 术和数码电子行业发展的 关键驱动力，进一步提升 了诸多电子产品的性能， 如电脑、手机和电视等。 英特尔公司的共同创 始 人 Gordon Moore 在 1965 年提出了著名的摩 尔定律集成芯片上的 晶体管数量每年就会翻倍 （后修改为每两年翻倍） 。 彼时，纳米技术还在发展 的初期。由于纳米技术的 进步，集成芯片和晶体管 已如摩尔所预测的那样， 纳米技术的社会 影响力 中国纳米科学与技术发展状况概览 6 | 国之大器 始于毫末变得越来越小，计算速度 却日趋提高，尽管摩尔定 律近年来正在逐渐失效。 2016 年诞生了世界上首 个 1 纳米的晶体管。该晶 体管由碳纳米管和二硫化 钼，而不是硅制备而成， 展示了进一步缩小电子器 件尺寸的潜力，使得摩尔 定律至少能在一段时间里 继续有效。 人们对纳米材料物理 特性的深入理解推动了量 子器件的发展，其应用遍 及光感应 、激光和晶体 管，实现了更低能耗下的 高速数据传输。元器件如 采用了纳米级的半导体量 子点，就可以感应或发射 单个光子，器件在应用到 加密系统中之后，就可以 提升信息系统的性能和安 全性。量子点或无机半导 体纳米晶体的另一个应用 领域是显示屏产业。由于 纳米技术，电视、计算机 和移动设备的显示屏就可 实现超高清、节能、甚至 可弯曲，并产生更加逼真 的图像。人们在设计新型 透明导电材料时采用了碳 纳米管或银纳米线，这为 开发各种使用柔性屏幕的 电子设备开启了大门。 能源和环境 纳米技术可促进可替代能 源的发展，提高能源使用 效率，并为环境治理提供 新的解决方案，因此有助 于环境保护事业。在传统 的能源领域，基于纳米技 术的方法或新型催化剂使 得石油和天然气的开采以 及燃料的燃烧变得更加高 效，这减少了发电厂、交 通工具及其他重型设备的 污染和能耗。 多年以来，科研人员 通过在底层材料和结构 上应用纳米工程，来提高 光伏发电设备（将太阳能 转化为电能）的性能并降 低成本。例如，他们在这 些设备里导入量子点，以 吸收更多的阳光。另外， 他们使用低温条件下能 在低成本的衬底材料上 生长的材料，如钙钛矿型 金属 - 有机化合物和导电 聚合物，为包括硅在内的 传统光伏材料提供低成 本的替代物。 除了有助于提高阳光 采集效率，纳米材料还可 用于废热转化，如将汽车 尾气转化为有用的能量。 再如，人们开发了可将二 氧化碳转化为清洁燃料甲 烷的纳米颗粒，以及能提 高氢气制备产能的纳米光 催化剂，这都提升了发展 新的可再生能源的前景。 在能源存储方面，由 于纳米结构的电极材料能 够支持更多不同的电化学 反应，因此可用来提高可 充电电池的容量和性能。 这不但能增加新一代电池 的存储容量，还能减轻电 池重量，从而提高电动汽 车这类交通工具的效能和 续航距离。 纳米技术还可用于水 处理和污染物的清理。例 如， 二 硫 化 钼（MoS2） 薄膜等纳米材料能以更高 效的过滤性促进盐水淡 化，而多孔质的纳米材料 可以像海绵一样吸收水中 的重金属和浮油等有毒物 质。纳米颗粒还可通过化 学反应清除工业用水中的 污染物。此外，纳米纤维 能够吸附空气中的微小颗 粒，因此可用作净化空气 的滤网。 纳米技术在环境治理 中的应用还包括空气、水 和土壤中污染物的检测。 由于其独特的化学和物理 特性，纳米颗粒对化学或 生物试剂的灵敏度更高， 中国纳米科学与技术发展状况概览 国之大器 始于毫末 | 7国之大器 始于毫末 “纳米技术” 一词诞生 谷口纪男创造 “纳米技术” 一词。 表面增强 拉曼光谱 Martin Fleischmann、 Patrick Hendra和 James McQuillan报告了拉曼散射的异常增 强， 随后Richard van Duyne和Alan Creighton将这种现象解释为纳米级金属结 构形成的场增强所造成的。 分子电子学 Mark Ratner和 Arieh Aviram提 出分子二极管的 想法。 观察到 纳米粒子 Michael Faraday发现制 备的金溶胶中颗粒的大 小不同， 就会呈现出不同 颜色的丁达尔散射。 电子显微镜 Ernst Ruska和Max Knoll展示了第一台电子 显微镜。 原子层 沉积 Tuomo Suntola发 明原子层外延薄膜 制备技术。 观察到 自然形成的量子点 Alexei Ekimov和 Alexander Efros报告了纳 米晶体量子点的存在及其光 学特性。 纳米技术 Nadrian Seeman提出 DNA纳米技术的概念。 原子力显微镜 Gerd Binnig、 Calvin Quate和 Christoph Gerber发明了原子力显 微镜。 （微 观） 之 下 还有充足的空间Richard Feynman 在加州理工学院举 办的美国物理学会 会议上发表题为 （微观） 底下还有充 足的空间 的演讲， 推测在原子级别上 操控物质的可能性。 扫描隧道 显微镜 Gerd Binnig和 Heinrich Rohrer发 明扫描隧道显微镜。 半导体 量子点的生长 Louis Brus报告了胶体半导体量子 点的合成。 发现富勒烯 Harold Kroto、 Sean O Brien、 Robert Curl 和Richard Smalley发 现了C60富勒烯分子。 巨磁电阻 Albert Fert和Peter Grnberg在多层膜中发 现了巨磁电阻。 受激发射损耗显微技术 Stefan Hell和Jan Wichmann提出受 激发射损耗显微术， 打破了光学成像的 衍射极限。 双稳态分子梭 Fraser Stoddart演示了一个可通过化学方 法切换的双稳态分子梭。 模板纳米线 Martin Moskovits使用多孔阳极氧化铝作为 模板， 制备有序纳米线阵列。 纳米孔基因测序 John Kasianowicz、 Eric Brandin、 Daniel Branton和David Deamer将一个DNA单链穿过 脂质双层膜内的纳米孔。 球差校正扫描 隧道显微镜 Ondrej Krivanek校正了扫描 隧道电镜的球差。 分子马达 Ben Feringa和Ross Kelly分别报告了光驱分 子马达和化学驱动分子 马达。 纳米线激光器 杨培东展示了室温纳米 线激光器。 石墨烯的分离 Andre Geim和Konstantin Novoselov发明了一种剥离 单层石墨烯的技术。 折纸术 Paul Rothemund展 示了一种将DNA单链 折叠成复杂的二维形 状的方法。 人造核糖体 David Leigh创造了 一个相当于人工核 糖体的分子机器， 可 将氨基酸按特定顺 序连接起来。 光异常透射 Ebbesen、 Lezec、 Ghaemi、 Thio和 Wol观察到了金属薄膜上的亚波长孔 阵的光异常透射现象。 电子墨水 Comiskey、 Albert、 Yoshizawa和 Jacobson发明了电子墨水。 晶态纳米线 Charles Lieber、 Lars Samuelsson和 Kenji Hiruma独立开发出制备晶态半 导体纳米线的技术。 碳纳米管 分子筛 Charles Kresge发明了介孔分子筛材料 MCM-41和MCM-48。 量子围栏 Michael Crommie、 Christopher Lutz和 Don Eigler报告铁原子在铜表面形成的量 子围栏囚禁了电子。 原子尺度的操控 Don Eigler和Erhard Schweizer使用扫描电子显 微镜操控镍表面上的单个氙 原子， 写出字母 “IBM” 。 近场光学 显微镜 Edward Hutchinson Synge提出以近场扫描光学 显微镜获得超越衍射极限 的图像。 单分子薄膜 Irving Langmuir和Katharine Blodgett发明了制备单层分子 薄膜的技术。 分子自组装 Zisman、 Bigelow和Pickett 报告了有序单分子层在表面上 的自组装。 分子束外延 John Arthur Jr和Albert Cho 研发出用于制备高质量单晶薄 膜的分子束外延。 纳米科学的 里程碑事件 饭岛澄男报告了 碳纳米管的生 长。 一年之后， Millie Dresselhaus及 同事提出一种可 以准确预测金属 与半导体纳米管 比例的理论。 中国纳米科学与技术发展状况概览 8 | 国之大器 始于毫末 “纳米技术” 一词诞生 谷口纪男创造 “纳米技术” 一词。 表面增强 拉曼光谱 Martin Fleischmann、 Patrick Hendra和 James McQuillan报告了拉曼散射的异常增 强， 随后Richard van Duyne和Alan Creighton将这种现象解释为纳米级金属结 构形成的场增强所造成的。 分子电子学 Mark Ratner和 Arieh Aviram提 出分子二极管的 想法。 观察到 纳米粒子 Michael Faraday发现制 备的金溶胶中颗粒的大 小不同， 就会呈现出不同 颜色的丁达尔散射。 电子显微镜 Ernst Ruska和Max Knoll展示了第一台电子 显微镜。 原子层 沉积 Tuomo Suntola发 明原子层外延薄膜 制备技术。 观察到 自然形成的量子点 Alexei Ekimov和 Alexander Efros报告了纳 米晶体量子点的存在及其光 学特性。 纳米技术 Nadrian Seeman提出 DNA纳米技术的概念。 原子力显微镜 Gerd Binnig、 Calvin Quate和 Christoph Gerber发明了原子力显 微镜。 （微 观） 之 下 还有充足的空间Richard Feynman 在加州理工学院举 办的美国物理学会 会议上发表题为 （微观） 底下还有充 足的空间 的演讲， 推测在原子级别上 操控物质的可能性。 扫描隧道 显微镜 Gerd Binnig和 Heinrich Rohrer发 明扫描隧道显微镜。 半导体 量子点的生长 Louis Brus报告了胶体半导体量子 点的合成。 发现富勒烯 Harold Kroto、 Sean O Brien、 Robert Curl 和Richard Smalley发 现了C60富勒烯分子。 巨磁电阻 Albert Fert和Peter Grnberg在多层膜中发 现了巨磁电阻。 受激发射损耗显微技术 Stefan Hell和Jan Wichmann提出受 激发射损耗显微术， 打破了光学成像的 衍射极限。 双稳态分子梭 Fraser Stoddart演示了一个可通过化学方 法切换的双稳态分子梭。 模板纳米线 Martin Moskovits使用多孔阳极氧化铝作为 模板， 制备有序纳米线阵列。 纳米孔基因测序 John Kasianowicz、 Eric Brandin、 Daniel Branton和David Deamer将一个DNA单链穿过 脂质双层膜内的纳米孔。 球差校正扫描 隧道显微镜 Ondrej Krivanek校正了扫描 隧道电镜的球差。 分子马达 Ben Feringa和Ross Kelly分别报告了光驱分 子马达和化学驱动分子 马达。 纳米线激光器 杨培东展示了室温纳米 线激光器。 石墨烯的分离 Andre Geim和Konstantin Novoselov发明了一种剥离 单层石墨烯的技术。 折纸术 Paul Rothemund展 示了一种将DNA单链 折叠成复杂的二维形 状的方法。 人造核糖体 David Leigh创造了 一个相当于人工核 糖体的分子机器， 可 将氨基酸按特定顺 序连接起来。 光异常透射 Ebbesen、 Lezec、 Ghaemi、 Thio和 Wol观察到了金属薄膜上的亚波长孔 阵的光异常透射现象。 电子墨水 Comiskey、 Albert、 Yoshizawa和 Jacobson发明了电子墨水。 晶态纳米线 Charles Lieber、 Lars Samuelsson和 Kenji Hiruma独立开发出制备晶态半 导体纳米线的技术。 碳纳米管 分子筛 Charles Kresge发明了介孔分子筛材料 MCM-41和MCM-48。 量子围栏 Michael Crommie、 Christopher Lutz和 Don Eigler报告铁原子在铜表面形成的量 子围栏囚禁了电子。 原子尺度的操控 Don Eigler和Erhard Schweizer使用扫描电子显 微镜操控镍表面上的单个氙 原子， 写出字母 “IBM” 。 近场光学 显微镜 Edward Hutchinson Synge提出以近场扫描光学 显微镜获得超越衍射极限 的图像。 单分子薄膜 Irving Langmuir和Katharine Blodgett发明了制备单层分子 薄膜的技术。 分子自组装 Zisman、 Bigelow和Pickett 报告了有序单分子层在表面上 的自组装。 分子束外延 John Arthur Jr和Albert Cho 研发出用于制备高质量单晶薄 膜的分子束外延。 纳米科学的 里程碑事件 饭岛澄男报告了 碳纳米管的生 长。 一年之后， Millie Dresselhaus及 同事提出一种可 以准确预测金属 与半导体纳米管 比例的理论。 中国纳米科学与技术发展状况概览 国之大器 始于毫末 | 9国之大器 始于毫末 因此可用在传感器中鉴别 有毒物质，这要比传统的 现场测试方法更加简单快 捷，甚至能在检测的同时 去除污染物。 医疗和健康 可以说纳米技术最成熟的 形式就是生命本身所表 现出来的形式 。从细胞 器一直到底层的核糖体、 DNA、ATP，这些生物系 统为纳米科学家提供了源 源不断的灵感源泉。 或者， 正如合成生物学家 T om Knight 曾 说 过 的 那 样， “生物学就是在发挥作用 的纳米技术！” 正因如此， 纳米技术对医疗和健康产 业的影响日趋显著，并在 药物输送、生物材料、造 影、诊断、活性植入及其 他医疗应用中得到了稳步 发展。 纳米技术在生物医学 方面最引人瞩目的应用或 许是被称为纳米孔