202110月,美国白宫科技政策办公室和国家纳米技术协调办公室发布《美国国家纳米技术行动战略规划》。该战略规划为推进美国纳米技术研发和在消费电子、水净化、基础设施、医学、能源、太空探索和农业等领域的应用,以及辅助量子计算和人工智能等新技术提供了框架。

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引 言

在整个现代社会,纳米技术的应用范围囊括了各方各面。无论是生产口袋大小的超级电脑,还是为了用于应对全球流行病、挽救生命的疫苗注射,都用到了纳米技术。借助纳米技术,科学家有望研发出重量更轻、硬度更强、功能更丰富的纳米材料,能开发新的方式存储、处理信息,还能尽早发现病人的病情。此外,发展纳米技术有望生产清洁水资源,解决食品短缺问题,还能推动绿色能源技术,应对气候变化,并且研发出新的治疗方式,为绝症患者带去希望。因此,各个研发领域都非常重视纳米科学。

那么,美国国家纳米技术计划(NNI)是否已完成其使命呢?我们是否应该转而大力发展另外一种新兴技术呢?美国联邦政府正在探讨的恰是这些问题,联邦政府甚至还通过国会,责成美国国家科学、工程和医学院(NASEM)在NNI四年期评估报告中为这些问题提供有关看法。NASEM委员会慎重分析了世界格局,又充分考虑到利益相关方,最后得出结论,认为NNI仍然任重道远。委员会在报告中指出:“NNI各界人员虽有不同学科背景、来自不同机构,却能团结合作,取得卓越成就。在全美,乃至放眼整个世界,NNI可以说是现代美国跨学科、跨机构合作的最佳典范。”委员会还强调,发展纳米技术具有深远影响,“全球在医药、食品、水资源、能源、微电子、通信、国防以及一些重要经济领域取得了许多进展,这些都愈发离不开纳米科学技术,因此,美国也有必要继续投资纳米科技。”但与此同时,也应“尽快重新制订”计划。委员会强调,纳米技术对经济与日俱增的影响加剧了全球竞争。为了快速获取经济效益,应对全球激烈竞争,委员会建议重新制订NNI,并且提出了关键指导意见。虽然“委员会一致认为NNI有效推动了美国的经济发展”,但与其他国家采取的行动相比,尤其是和一些国家采取的商业化模式相比NNI的努力显然还不够。因此,委员会建议美国政府更加重视NNI,将其改造升级。

过去一年半时间里,美国科技政策办公室(OSTP)和纳米科学、工程和技术(NSET)小组委员会评估了NASEM的建议,同时审查了总统科技顾问委员会(PCAST)之前提交的评估意见。制定战略规划过程时,相关人员为了寻求纳米技术界的广泛意见,参与了众多会议和研讨会(包括一次专门的共同研讨会),参考了OSTP信息请求的内容,以期为今后推动纳米技术的研究开发制定最佳方案。

NNI自推出以来,已取得了重大进展。随着纳米技术领域不断涌现新成果,科学家对纳米技术的理解已今非昔比。纳米科学的早期领域如纳米光子学等,如今已俨然发展为独立学科。新的工具和功能也得以不断开发,帮助纳米技术建模。各种设备、各个系统也可以利用这些成果大量应用及整合纳米材料。如今,美国已开设了纳米技术课程,成立了纳米技术部门,甚至创立了专门院校加以研究。科研人员更深入地了解了纳米材料对环境、健康和安全有何影响,一大批安全的纳米资源也已投入使用。此外,国际社会成立了相应标准,加快了纳米技术商业化进程。而或许最为重要的一点,纳米技术产品也备受市场欢迎。

然而,跨部门社区发现,20年前,NNI成立之初力图解决的问题至今依然存在。跨越传统学科之间的界限,推动各学科合作,这些都是发展纳米科学的关键所在。要认识、绘制、操纵纳米级物质,专业仪器都必不可少。但对于一些研究团体或机构,尤其是对小型企业而言,购买专业仪器的成本高得令人望而却步。好在纳米材料表现的新特性可广泛应用于众多领域,因此,原本毫不相关的各界人士可以携手并进,互相学习。

基于这一背景,NNI机构慎重考察了咨询机构的建议和利益相关者对OSTP信息请求做出的反馈,并兼顾了公众意见。NNI机构最终确定,NNI应继续保留原有的总体目标,继续推动纳米技术的研发进程、商业化和基础设施建设,确保纳米技术能负责任地发展。与此同时,NNI机构还增添了一项新目标,将推动纳米科技教育、培养相应劳动力作为纳米科技发展的一个重要关键因素。然而,NNI已重新设计过运营结构和参与机制,囊括了多种新元素,可以适应NNI生态系统的变化,能进一步应对纳米技术今后的需求。作为指导意见,本报告为各机构和各界人士提供了五年目标。虽然不同机构各有职责和重点项目,当地政策也不尽相同,但NNI和国家纳米技术协调办公室(NNCO)在本报告中简要提出一系列共同发展目标,并列举了相应的具体行动。

美国国家纳米技术计划目标

目标1:确保美国在纳米技术研发方面保持世界领先地位   NNI重中之重的任务是推动纳米技术研发进程,鼓励基础研究,也推动应用型前沿研究,从而将新产品推向市场。现在有各种提案争相投资一般性研究,旨在将纳米级材料的特性大派用场,但与NNI早期相比,各个机构现在很少在提案请求中指定某种具体的纳米技术。虽然这反映了纳米技术已渗透入整个研发进程,但要协调各方研究更为艰难,也可能比以往都更为重要,因为只有这样才能充分利用现有信息资源,发挥协同作用。NNI机构将继续借助其权威,制订并慎重修订种种机制,为纳米技术提供研发资金,将NNI机构与其他机构连接起来,建立相关共同体。NNI将发起“国家纳米技术挑战”活动,动员纳米技术界为解决全球问题出谋划策。

目标2:促进纳米技术研发商业化 NNI将加大力度,扩大纳米技术研发规模,推动科研成果转化,促进商业应用,以获取经济、环境和社会效益,提供更多高薪岗位,促进美国经济发展。要实现这一目标,更新战略计划也许最为关键,同时可能还需要解决NASEM委员会列出的关键需求。各个机构之间将建立更为明确的联系,利用纳米技术助力全国生态系统。NNI还将扩大纳米技术创业网络,以供创新者连接彼此,互相分享经验。

目标3:发展基础设施,支持纳米技术研发和部署,实现可持续发展  大部分纳米技术研发仍需要使用价格高昂的专用工具。NNI的一大目标就是推动实体和网络用户设施建设,这样做不仅能促进纳米科学在整个生态系统的民主化,还能打造教育培训平台,培养下一代使用者、设计师和建设者。NNI机构认识到,应该更新升级生产力工具,采购、维护“主力”仪器,让人们能利用尖端工具。NNI将强化关键的网络基础设施(例如建模工具、仿真工具和数据资料),通过发展人工智能、机器学习和先进设计工具,推动纳米技术创新。NNI机构将与私营部门合作,开发原型设施和测试设施。

目标4:全民参与,扩大纳米技术劳动力   有多少高技能劳动力参与技术开发各流程对NNI至关重要。撇开针对性的纳米技术教育不谈,纳米材料展示的新特性也可以激励学生投身于科学、技术、工程和数学(STEM)领域的职业,在国内形成强大劳动力。NNCO和NNI机构利用各种机制向公众宣传“从课堂到野外”教育,致力于降低人们获取资源的门槛,尤其是传统意义上的底层人士。NNI机构认识到,普及教育、发展劳动力和提高公众参与度对展开纳米技术项目非常重要,因此将发展这几个方向视为NNI的重要板块。

目标5:确保纳米技术负责任地发展 负责任地发展纳米技术始终是NNI不可或缺的一部分,目标5涉及纳米技术的潜在影响和应用场景。何为负责任地发展?由于对纳米材料的科学认识不断加深,对这一发展的理解也日渐深入。本报告阐述的发展框架以NNI最初提出的相应概念为基础,涵盖了新提出的想法。保护人类健康、保护环境仍是重要原则,这就不仅需要了解纳米材料的适用范围,还要了解其潜在影响。负责任地发展要考虑道德、法律和社会影响(ELSI),要重视包容性、多样性、公平性和准入性(IDEA),也要确保研究行为并非出于自私自利的目的

这五个目标息息相关,密不可分。我们在做的是世界一流研究,需要顶尖的STEM人才。我们需要尖端设备来进行研究,吸引顶尖人才,也鼓励大家发明创新,带来新产品。我们还会大力发展教育,培育人才。负责任地发展纳米技术的总体原则适用于NNI的各方各面。

12.2

未来发展道路

2021年《美国国家纳米技术行动战略规划》在国家纳米技术日(10月9日,代表纳米级长度度量单位10-9)发布后,美国科技政策办公室和NNI机构正启动下一阶段计划。该计划为发展设计新框架,列出五年目标和行动方案,力图让纳米技术引起全国关注和参与。NNI希望美国不仅能在纳米科学领域涌现新发现,还能借助这些发现制造出新产品,造福社会。

在战略规划过程中,不容忽视的是,纳米技术界拥有众多的创新人才。NNI也能为丰富多彩的跨学科研究文化提供土壤。NNI正是建立在这些优势上,并提倡各界人士有意识地连接彼此,扩大战略网络。NNI将利用现有活动(例如设立NNI协调员)和新机制(例如发起“国家纳米技术挑战”活动)集合纳米技术生态系统的各方,追求共同利益和目标。Nano.gov网站得到重新设计,以扩展网络支持和赋能,并展示网络在这一过程起到的重要作用。例如,NextTech网络能挖掘美国各地学生的潜能,而“国家纳米技术挑战”将为全球面临的挑战提供解决方案。

本文中展示的框架有意连接纳米技术创新生态系统的众多层面,以满足纳米技术界今后的发展需求,确保NNI能产生一加一大于二的作用。NNI不仅仅是将单个机构的活动整合在一起,还建立了一个活力四射的共同体,加深人们对纳米科学的理解,帮助人们利用纳米材料的新特性来发明创新,培育人才。此外,NNI还有助于研发复杂的材料、设备和系统,应对全球重大挑战。总而言之,NNI欢迎人人参与进来。

资料来源nano.gov