納米科技、生命科學、信息技術、認知科學被認為是影響未來人類生活的四大科技領域,而納米科學技術作為促進後三大領域所有技術發展的基礎,已成為當今世界最活躍的科技前沿。自美國於2000年出臺「國家納米技術計劃NNI」以來,國際上掀起了納米科技研究的熱潮。目前幾乎所有發達國家都對納米科技的研究給予了大量投入,並制定了相應的戰略計劃,如日本的「2001—2005年科技發展基本計劃」、澳大利亞的「國家競爭力計劃」、歐盟的跨國納米技術研究開發計劃等,一些發展中國家也不甘落後,紛紛在納米科技研究領域開展了高強度的研究和開發。
中國科學院早在上世紀80年代中期就已敏銳地意識到了初露端倪的納米科技中所蘊涵的重大科學技術問題和巨大應用價值。1986年9月,邀請了德國H. Gleiter教授來華講學,介紹納米晶材料和納米尺度材料的概念和研究進展。這是我國納米科技領域的第一次邀請外籍專家講學。隨後,中科院一方面積極組織相關研討會和座談會,凝練科學問題,尋求最佳切入點,另一方面也開始在相關研究所中進行前瞻性布局,啟動了少量的研究項目。中科院的第一篇納米科技綜述和研究論文分別發表於1988年8月和10月[1, 2]。從時間上來說,與國際納米科技研究幾乎同時起步。我國(院)今天所取得的納米科技研究成果也充分說明,中科院當初的判斷是正確、及時、前瞻的。
1 研究項目的組織與實施
上世紀80年代中期,中科院就開始支持作為納米科技研究的重要工具——掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的研究,並先後研製成功了我國第一臺STM**和第一臺AFM。該研究既提供了在納米尺度上研究納米結構和納米尺度新現象的重要工具,其本身也是納米科技重要的研究內容。國際科學界公認STM是納米科技研究的「眼睛」和「手」,它的出現,促進了納米科技作為一個新領域走向成熟。
80年代末,中科院首先在幾個研究所進行了前沿學科布局,開展了納米科技的探索性研究。從國家「八五」計劃開始,就設立了重點項目以支持該方向的研究。在1999年知識創新工程試點的初期,中科院抓住時機、瞄準納米科技的前沿研究,投入5 600萬元部署了有關納米科技方面的重大和重點研究項目(見表1)。這些項目集中了中科院在納米科技研究領域的優勢,率先在國內開展了科技攻關且成效突出,推動了學科的建設與發展,促進了人才隊伍的組織與發展,使中科院在該領域的研究一直處於國內的領先地位。
我國其它科技部門對納米科技研究的支持開始於「基礎研究攀登計劃」制定之後。1992年,在該計劃中支持了以中科院研究人員為主體(負責人:嚴東生、馮端(南京大學)、張立德等)的納米材料基礎研究,該項目在「九五」和「十五」期間得到持續支持。自1998年啟動「973」計劃以來,至2003年在納米科技領域共支持了5個研究項目(見表2),其中中科院相關研究所作為第一承擔單位的項目3項,佔總數的60%。
國家自然科學基金委員會在1990—2002年間資助的納米科技領域內重大、重點、面上項目達990餘項,經費約2.2億元。從基金委在線資料庫中以「納米」作為關鍵詞查詢,得到相關項目的承擔情況(見表3)。從中看出,中科院承擔的基金委重大項目接近總數的40%,重點項目基本保持在50%左右,面上項目則保持在20%以上。
總之,中科院通過院內前瞻性的學科布局和實施先期研究項目,極大地推進了納米科技研究領域的學科建設與發展,形成並擴大了納米科技領域的研究人才隊伍,從而在我國納米科技研究領域中確立了無可爭議的「領頭羊」地位。這一引領作用和地位在上述納米科技領域國家「973」項目和基金項目等重大研究項目的承擔情況中也得到了明確的體現。
2 研究資源的優化與整合
面對「納米熱」在國際範圍內迅速升溫,中科院經過全面、深入的研究分析,認為以我國的實際能力與發達國家在納米科技領域進行全方位的競爭是不現實的,其後果極有可能是損害我國納米科技的健康有序發展;同時基於前期的投入和發展,我國已經在納米材料製備、檢測技術等方面達到了國際水平,形成了高水平的人才隊伍和設施條件。通過合理規劃,統籌布局,強調「有所為,有所不為」,有能力在較短的時間內縮短與發達國家的差距,在新一輪的納米科技競爭中佔有一席之地。
基於此認識,中科院投資100萬元於2000年10月30日成立了中國科學院納米科學技術中心。該中心的主要目的是圍繞國家重大科技計劃任務,組織研究隊伍,實現信息和設備的共享,加強不同學科的交叉和融合;通過聯合與計算機網絡的應用,推動中科院與國內其它研究機構的交流與合作,向企業提供技術諮詢和服務,促進納米科技產業化。
儘管中科院為整合資源進行了切實有效的統籌部署,但我國仍然沒有一個國家級的納米科學研究中心主導全國納米科技的發展。據不完全統計,截至2003年全國共有50多所大學和研究機構從事納米科技研究,這種各自為政的局面在大學和地方研究機構中尤為突出。因此,儘快建立國家納米科學中心,搭建納米科技平臺並發揮其作用,成為當時我國發展納米科技的當務之急。國際調研也表明,多數發達國家均成立了國家級的機構來統一協調全國的納米科技研究。在此情勢下,中科院一方面積極組建院納米科技中心,同時與國家教育部密切合作,積極向國家有關部門建議成立國家納米科學中心。在國家發改委的支持下,國家納米科學中心於2003年3月22日在北京正式掛牌,中科院副院長白春禮院士任中心主任。國家納米科學中心的成立昭示著中國政府開始著力打造納米科技領域中的「國家隊」,加快研究和發展步伐。
與此同時,2001年1月成立的國家納米科技指導協調委員會也為組建國家納米科學中心起到了重要的推動作用。該委員會制定的《國家納米科技發展綱要(2001—2010)》,指導各部門制訂了重大研究計劃,部署了重大或重點研究方向,使我國支持的納米科技研究逐步與國際主流趨於一致。在由27人組成的指導協調委員會中,有5人來自中科院,其中白春禮院士任委員會的首席科學家和副主任。
另外,為推動納米技術基礎領域標準化工作規範有序地開展,為納米科技產業化做準備,同時保護國內納米技術產業和市場的健康發展,掛靠在國家納米科學中心的全國納米技術標準化技術委員會和納米技術專門委員會(隸屬於中國實驗室國家認證認可委員會)先後獲準正式成立。
3 研究成果的獲得與影響
3.1 研究論文
除前面提及的我國第一篇納米科技綜述和研究論文外,我國最早在Science和Nature上發表的納米科技研究論文也同樣來自中科院[3-5],而且文獻[4]目前仍然是國內單篇引用率最高的研究論文。
通過對1997—2003年SCI收錄的關於納米科技研究論文發表的數量及其變化趨勢的統計和分析,可以反映出我國的納米研究在國際上的地位。
美國發表的有關納米科技的論文一直佔世界總和的1/4—1/3。我國納米科技的論文數量從1997年佔世界總和的7.73%增至2003年的15.38%,排名也從1997年的第5位上升到2003年的第2位,而2004年SCI收錄數據統計顯示,我國已位居世界第1(見表4和圖1)。在我國SCI收錄的納米科技論文中,中科院(含中國科技大學)的貢獻平均達36.3%(見圖2)。因此,從論文數量上也表明中科院在全國納米科技研究中發揮著核心引領作用。
反映科技論文質量及其在世界上科技影響的一項重要指標是論文的引用率。令人自豪的是,我國納米科技論文不僅在數量上已於2004年居世界第一,更為重要的是中科院的納米科技論文在論文引用率上也已居世界前茅。根據Science Watch於2003年8月發布的「Sweating the small stuff,1992—2002」統計報告顯示,在這10年間發表的納米科技論文的被引用次數統計中,中科院納米科技論文總引用次數排名第4。從納米科技論文的總體情況來說,中科院納米科技研究在世界上已具備了相當的影響力。
3.2 國家科技獎勵
從國家科技部網站查詢到的納米科技成果獲國家級獎勵情況,1996—2003年間,納米科技成果共獲國家自然科學獎12項(二等獎9項,三等獎1項,四等獎2項),國家科技進步獎1項(二等獎),國家技術發明獎6項(二等獎2項,三等獎3項,四等獎1項)。其中中科院作為第一完成單位的獲國家自然科學獎7項(佔58.33%),國家技術發明獎2項(佔33.33%)(見表5)。由此可見,中科院的納米科技成果得到國家主管部門和該領域專家的高度認可和肯定。
3.3 新聞媒體
我國自1998年開展「基礎研究年度十大新聞」的評選活動以來,其評選結果一直得到廣大公眾、特別是科技工作者的高度關注。我們收集整理了1999年以來的入選「基礎研究年度十大新聞」的納米科技研究成果,可以看到除了2002年以外,每年的十大新聞中都有納米科技相關的成果入選。特別需要指出的是,曾入選年度十大新聞的全部12項納米科技相關成果中,有10項是由中科院完成的。
綜上所述,中科院憑藉其對科學的敏感性和洞察力,在國際納米科技發展的初期即敏銳地意識到其中重大的科學問題和巨大的應用價值,並率先進行了前沿學科布局,資助部分探索性研究項目。在全國納米科技研究出現各自為政的分散、混亂局面的關鍵時期,為推動我國納米科技的健康有序發展,聯合國家教育部促成了國家納米科學中心的誕生。實施知識創新工程試點以來,中科院逐步加大了對納米科技研究的資助強度,加強了全院範圍的學科布局和規劃,及時對納米科技發展「充電」,為該領域成果產出和人才培養起到了很好的催化作用。
4 我國(院)納米科技存在的問題與建議
(1) 我國(院)在納米材料和物性方面的研究工作基本與國際同步,雖然目前在國際上佔有一席之地,但要保持這樣的發展態勢,有較大困難。由於研究工作對納米材料和物性的分析、表徵手段提出較高的要求,而我國(院)在高精度儀器的研發方面能力較差,在今後國際競爭中,將受到實驗條件的制約,例如缺乏對樣品進行實時觀察的高分辨電鏡手段等。建議中科院集中在幾個有條件的單位開展儀器研發工作,用我們自製的國際一流儀器,做出國際一流的工作。
(2) 納米微加工和器件製備,是今後工作的「瓶頸」。我國(院)在微納電子加工和器件製備的條件雖然有較大的改善,但與發達國家和地區比,差距仍然很大,將制約我國未來納米器件的研究與應用。建議中科院在「十一五」期間,建設或改造一條高水平的微納加工的實驗線,為全院的納米器件製備提供必要的條件。
(3) 前幾年,我國(院)的納米科技研究活動主要集中在基礎研究方面,應用研究僅限於科技含量較低的材料領域,這一情況與國際上的情況大致相同。目前,國外已將注意力集中到與信息、通訊技術相關的微納器件加工與集成、單電子、單分子器件、納米生物與醫學等方面。中科院也已經在這些領域做了前期布局,但要取得突破性進展,還需加大投入,加強應用研究,進一步建立和完善納米科學各個領域的知識框架。
(4) 開展納米材料和技術安全性評價研究,全面、科學、正確地認識納米材料的性能,重視納米材料和技術應用可能產生的負面效應(尤其是生物效應)和應對措施的研究。
從基礎性探索研究轉變到目標明確的應用研究上,需要集中研究力量攻關。中科院前期布局的方向性項目和重大項目已有很好的開端,為保持這一優勢,建議在「十一·五」期間仍然以重大項目的形式組織全院的力量,在納米科技的幾個分支領域做出有特色、有影響的工作。
致謝 感謝固體物理所張立德研究員、物理所解思深院士和國家納米中心查連芳研究員為本文提供寶貴的原始資料和信息,並提出具體的修改意見。
主要參考文獻
1 葛庭燧. 毫微晶材料的製備、結構和性能. 兵器材料科學與工程,1988年.
2 朱勇,沈輝. 納米晶鋁的力學特性. 國際材料物理學術年會會議文集,1988年.
3 Y Xie, Y T Qian, W Z Wang et al. A Benzene-Thermal Synthetic Route to Nanocrystalline GaN. Science, 1996, 272: 1926-1927.
4 W Z Li, S S Xie, L X Qian et al. Large-Scale Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes. Science,1996, 274:1701-1703.
5 Z W Pan, S S Xie, B H Chang et al. Very long carbon nanotubes. Nature, 1998, 394 (6694): 631-632.
6 Kostoff R N, The (Scientific) Wealth of Nations. The Scientist, 2004.