纳米技术的发展日新月异,它必将在科学和世界经济等领域中发挥至关重要的作用。美国总统科技顾问尼尔 · 莱恩(Ncal Lanc)指出,纳米尺度的科学与工程是未来最有可能取得突破的领域。克林顿提出在2001财政年度内将拨5亿美元的预算用于新的国家纳米技术计划。因此,怎样落实这项计划是一个十分重要的议题。
纳米器件具有这样的特征,它的尺寸在10-9 ~10-7米(1~ 100纳米)之间。因为材料表面的原子或分子通常是具有活性的,而纳米材料的比表面积非常大,所以纳米器件具有与普通材料迥然不同的特性。最近日本人的研究表明,纳米材料具有极大的实际应用前景。例如,他们研究了金金属的纳米颗粒。这些颗粒的尺寸为3~5纳米,它们可以在零下70℃的低温下催化一氧化碳的氧化反应。金金属纳米颗粒在部分氧化反应中具有极高的选择性,甚至在50℃下丙烯到丙烯氧化物的反应中,它的选择性可达100%。
美孚石油公司合成和应用的一系列纳米孔沸石是纳米结构具有催化作用的一个现成的商业例子。他们的沸石在全球2100亿美元的催化剂市场中起着举足轻重的作用。
越来越多的证据表明,未来的材料科技将更多地使用复合纳米结构,巨磁阻效应(GMR) 就是一个已经商业化的例子。GMR结构中包含相互交替的磁性和非磁性金属薄膜,这些薄膜的厚度只有几个至几十个纳米。磁性薄膜层之间可以传输自旋极化的电子,所以GMR结构对磁场很敏感。例如,在计算机磁盘中存贮着大量的磁性点(bit), CMR结构对它们产生的磁场反应非常灵敏, GMR结构正给每年高达300亿至400亿美元的硬盘磁存储工业带来一场革命。将来,GMR结构还会应用于固定随机存储器中,并将必然在这个1000 亿美元的全球市场中大显身手。科学家们现在正在测试特意制造的纳米材料的力学性质,其中的某些材料是由气体凝聚法制得的。这些材料纯度高,硬度和强度大(是大颗粒材料的2~7倍),而它们的颗粒尺寸只有10纳米左右。科学家的当前目标是制造尺寸和成分都可以精确确定的纳米“砖块”,并在此基础上把它们装配成更大更实用的材料。
从纳米技术的这种必然有限的图景中,我们可以明显地看出,若要在纳米材料的研究和应用中取得更多的创新,就必须花大力气组织攻关。当然在其他一些领域中也是这样。目前,日本在制造纳米器件和固化纳米结构等方面居领先地位;欧洲在新仪器、分散剂和涂料等领域占居优势;而美国在纳米材料的合成,大比表面积材料的装配以及分散剂和涂料的制备等领域具有竞争力。
克林顿总统为国家纳米技术计划拨5亿美元的预算案推出以后,许多组织相继向联邦政府提交报告和建议,其中有一些建议是直接针对大学的。例如一个跨机构的工作小组认为,为了加速美国纳米技术的发展,各大学应当在不同学科之间展开合作,应当鼓励和扶植一批有 影响的大学纳米技术中心,应该把纳米科学和工程的知识引入课堂,还应该在多学科之间建立硕士点和博士点以及博士后工作站。然而,没有资金的投入,这些计划将无法实施。过去美国政府对纳米技术的资助就没有取得明显的效果。在1997财政年度中,美国政府基金总计达1. 16亿美元。相比之下,日本的同期投入为 1. 2亿美元,西欧为1. 28亿美元。而且这些国家跟美国一样,企业对研究和开发的投人跟政府相当甚至比政府还要多。
纳米科技为我们带来了很大机遇,然而全球范围内的竞争也愈演愈烈。这迫使我们必须追加投资。我认为2001财政年度的5亿美元预算应当会为美国取得新的优势。
[ Science, 2000年4月14日]