纳米科技发展十年——

微观世界的奇迹

日期：2010-11-09 作者：方陵生 来源：文汇报

诺贝尔奖得主理查德·斯莫利是纳米科技的主要倡导者  

米哈伊尔·罗科在过去十年里一直是国家纳米技术计划的积极支持者                    
    □方陵生  编译
    
    NNI，美国国家纳米技术计划  （TheUSNational Nanotechnology Initiative）自2000年起步至今已走过了十年，在亚微观科学领域耗费了数十亿美元研究经费的这一科学计划，不但揭示了微观世界的更多秘密，而且催生了一系列新兴产业。本文对美国纳米科技发展的十年历程作了详细阐述。
    
一次带病的演讲
    
    1999年6月，出现在美国国会众议院听证会上的理查德·斯莫利两颊瘦削，头发几乎掉光。他是一位化学家，诺贝尔奖得主，几个月前被诊断患了非何杰金淋巴瘤，化疗正在对他的身体造成伤害，从得克萨斯休斯敦赖斯大学一路风尘仆仆，他已经非常劳累，但所有这一切都不能掩盖他对正在演讲的课题的飞扬热情，对于他的听众来说，他所讲述的一切既神秘，又充满了迷人的魅力，他介绍的正是纳米科技。
    
    “我们能够按照物质最小的尺度来建造东西，以一个个的原子为单位，来达到最高的精细度。”斯莫利说道。他是球形碳巴克明斯特富勒烯分子（或称“布基球”）的发现者之一，并因此发现而分享诺贝尔奖化学奖。1985年时，由于这项发现有可能带来的巨大可能性，引起了空前的研究热潮。
    
    斯莫利的实验室也开始研究于1991年发现的碳纳米管。这些碳空心圆筒，直径只有几纳米，应用前景看好，不仅有着比铜更佳的导电性能，而且在重量相当于钢材六分之一的情况下，强度却是钢材的100倍。斯莫利还预测说，蹂躏他身体但见效却很不明显的化学疗法，将在20年后作为历史遗迹而过时。到那时，科学家设计的纳米级药物将真正成为定向针对癌症的“生物导弹”，以副作用最小的纳米药物杀死突变的癌细胞。“我也许不能活着看到这一天，”他说，“但是，有你们大家的共同努力，我深信这一天一定会到来，癌症，至少我所患的这种类型的癌症，将永远成为过去。”
    
    斯莫利最后总结道，为了所有这些原因，美国政府应该支持最近提出的国家纳米技术计划（NNI）：通过多机构筹措资金的努力，来促进纳米领域内的突破，实现在原子尺度上对物质的系统控制。
    
    对此，华盛顿欣然听取了这一提议，2000年，美国总统克林顿正式宣布了这项计划，并得到国会两党的支持。但在之后的十年里，该计划也一直面临着一些批评意见，其中最引起人们关注的是，该计划未能加快解决纳米材料可能对环境、健康和安全等产生的问题。但纳米计划所取得的成绩也是有目共睹的，因为纳米计划，在美国各地创建了70多个与纳米技术研究有关的学院和管理中心，促进了物理、生物医学和社会科学家之间新的跨学科合作，形成了一个投资者、分析家和创业公司致力于将实验室成果商业化的整体系统。在这十年里一路走来，NNI的预算一直稳步增加，累计筹资已达120亿美元以上，跻身于美国阿波罗月球登陆计划之后最大的民用技术投资计划之一。
    
    NNI的发展故事对于一些新兴的研究领域，如合成生物学、可再生能源和适应气候变化的努力等，都可起到借鉴作用。伍德罗·威尔逊国际学者中心科学和技术创新项目主戴维·雷耶斯基指出，在这些领域内，科学、应用、管理和公众看法将通过多个部门得到协调，这也正是NNI的目的所在，他说，“所以我认为，对于这些新兴的领域来说，NNI的理念是一个很好的典范。”
    
两位不懈的倡导者
    
    NNI最明显的教益是，成功在很大程度上取决于时机。在NNI计划提出之前的十年里，由于布基球、碳纳米管的发现，以及原子力显微镜的发明，90年代后期的科学技术得到了快速发展，一个独特而有利的政治气候也是一个助力。当时美国经济正在蓬勃发展，特别是在高科技部门，而克林顿政府也急于积极高调地结束任期。
    
    但是，仅有合适的时机还是远远不够的，任何重大举措的推出都需要有一些拥护者和支持者，包括善于沟通擅长说服的远见者。斯莫利是其中之一，遗憾的是，1999年6月斯莫利在听证会上所讲的“可能看不到那一天”的预言竟然一言成谶，他没有活着看到以纳米粒子为基础的针对性的抗癌药物的问世（其中一些目前还正在开发中），由于化疗只能非常有限地延缓他的病情，斯莫利于2005年10月28日不幸逝世。但是直到他生命的最后一息，斯莫利一直都是纳米科技始终不懈的倡导者。
    
    另一位支持者是米哈伊尔·罗科，他曾在美国肯塔基州列克星敦大学对纳米粒子的相互作用研究了十年，之后于1990年成为美国国家科学基金会（NSF）的技术经理。1996年时，他开始认识到，纳米技术并不只是个别研究项目的集合，在他看来，这是一个结合了科学和工业革命、有发展潜力的新兴学科，它涵盖了从医疗卫生、农业、空间技术、信息技术、制造业到能源业等多个研究领域。他还认为，需要以大量的投资来给予这一新兴领域以发展动力。
    
    罗科是一位长着一头浓密红发、带有浓郁罗马尼亚口音的和蔼可亲的科学家，对于“纳米”他有着特具感染力的热情，以至于他为推动纳米科技之发展而努力游说之时，一些人提醒他别太言过其实了。但他认为，你必须要有勇气去说出你的预见，他说，“你要看到希望，然后你才会努力争取去实现它。”
    
    他发现有不少人和他有着类似的思路，上世纪90年代末，罗科和其他七个机构一些有着相同想法的人为NNI计划的推出提出了一个建议，推荐斯莫利参加1999年6月的国会听证会。他们还从白宫内部寻求政治上的支持。托马斯·卡利尔是克林顿的国家经济委员会技术问题首席顾问，他看到了纳米技术可能拥有促使许多行业经济起飞的巨大潜力，包括电子行业在内。1999年3月，他帮助罗科将NNI的想法与一些重要的白宫官员沟通，准备在总统的2001年预算中予以考虑。1998年成为克林顿首席科学顾问的物理学家尼尔·莱恩（NealLane），对斯莫利的工作相当了解，他亲自向国会提出证词阐述了纳米技术的巨大潜力。1999年12月，作为科学技术顾问委员会副主席的莱恩，游说该委员会正式向克林顿总统建议将NNI计划包括在预算之内。
    
    2000年1月21日，在加州理工学院的一次讲话中，布什总统宣布2001年预算中将包括给NNI的5亿美元拨款。“试想一下，”他说，“一种强度是钢铁的10倍，而重量只有其几分之一的物质，可以将美国国会图书馆的所有信息缩小存储在只有一块方糖般大小的设备里。”
    
小小纳米展神奇
    
    詹姆斯·希思是加州理工学院的化学家，他仍然记得第一次发现NNI创造的纳米奇迹时的兴奋之情，“仅在几年前，我甚至还不能相信，纳米科技是一个真正的领域，”希思说。在“布基球”被发现时，希思曾是斯莫利的学生之一。“现在纳米科技发展已成为全国性的大计划，我们也得为此作些贡献，研究出一些更好的东西。”希思说。
    
    2006年之前，罗科主持NNI的机构间协调委员会的工作，他目前任美国国家科学基金会纳米技术的高级顾问，他说道，从2000年开始，美国与纳米技术有关的出版物和专利申请每年的平均增长率分别为17%和30%。对于一些他引以为傲的纳米科技的成就，他随口就能道来，例如2006年，研究人员对一些专门设计的铁纳米粒子进行了测试，可用于去除饮用水中的砷。2008年加州大学伯克利分校的研究人员，开发了一种可令光线弯曲的三维“超材料”，可改变光线的传播方向，增强光线的负折射率，可应用于光学成像和计算之中。就在最近，哈佛大学的一个研究小组成功地将一个纳米晶体管插入活的心脏细胞中测量其电活动。NNI的网站（http://www.nano.gov）上还列出了成百上千纳米技术的应用实例，从超快速充电放电的纳米结构电池材料，到帮助脊髓神经受伤后再生的纳米结构的开发。
    
    但是，许多与会者认为，论文和专利的数量并不是衡量纳米技术发展所产生影响的最好标准，到1999年为止，多个科学技术领域已经在向纳米尺度靠近，无论是材料研究领域，半导体制造技术，还是细胞内分子机制的研究。“哪些应归功于NNI计划，哪些是得益于这一领域的成熟，倒是很难予以区分的。”美国国际商用机器公司（IBM）在纽约州的一个研究中心的法厄顿·埃沃里斯说。
    
    对于风险投资者来说，由于NNI计划打上了政府认可的合法标记，纳米技术领域看起来风险和投资成本都比较低。“NNI就像火种，”纽约勒克斯风险投资公司的主理合伙人乔希·沃尔夫认为，纳米技术被工业行业接受的速度“比我们预期的要快得多”。
    
    在从民主党克林顿政府总统到乔治·布什的共和党政府的过渡过程中，工业行业的兴趣反过来也帮助了NNI得以生存和繁荣起来，NNI计划在第一年得到了4.64亿美元的拨款，其年度预算已稳步扩大到如今的约17亿美元。这笔资金在25个联邦机构之间分配，但大部分资金主要分配在5个机构：美国国家科学基金会（NSF）、美国国立卫生研究院、美国能源部、国防部和国家标准与技术研究所，并支持70多个纳米技术研究中心，这些研究中心负责完成NNI计划的大部分工作。让所有这些机构在纳米技术研究发展上协调一致，是NNI计划所取得的主要成就之一，NNI在弗吉尼亚州阿灵顿的协调办公室主任克莱顿·蒂格说：“有了如此庞大各种专业部门之间的协调合作，推动纳米技术领域发展的力量是相当强大的。”
    
    许多不同机构的参与也有助于提高物理科学圈子之外的人们对纳米技术的认识，例如，美国国家癌症研究所，对8个癌症纳米技术研究中心提供了资金资助，在这些研究中心里，汇集了化学家、材料科学家和生物学家，研究将纳米技术应用于癌症的治疗和诊断。“NNI做得最出色的是扩大了纳米技术对各学科的影响，影响所及，不仅仅是科学家和工程师，还包括了社会科学家、哲学家和经济学家。”俄克拉荷马州立大学斯蒂尔沃特分校的化学家凯文·奥斯曼说。另一个例子是美国国家科学基金会资助的两个纳米技术中心，这两个中心致力于公共风险认知和媒体对纳米技术的宣传报道等。
    
自下而上的科学机构
    
    权力的下放使得NNI在促进跨学科研究的同时，也产生了管理上的一些挑战。NNI有各种协调机制，包括蒂格的办公室，还有由罗科主持的协调各机构的理事会。但是没有负责掌管NNI预算的中心机构，而是由25个成员机构提出个别预算之后再汇总作出决定。所以NNI的重大决定需要所有25个成员机构的同意。
    
    俄亥俄州立大学哥伦布分校的科学政策专家克雷格·博德曼对NNI和其他一些初创科研机构进行研究之后认为，这种“自下而上”的管理机制往往更能成功促进合作和取得成绩。但密歇根大学风险科学中心的董事安德鲁·梅纳德指出，这种机制也有明显的缺陷，“它很难衡量NNI的成功，而是由NNI的成员机构来决定成败。”
    
纳米技术的安全性
    
    许多人认为纳米技术发展的一个最大的不足之处是其对环境、健康与安全风险（EHS）未能及时作出快速反应。遗憾的是，这些潜在的风险可能非常严重：许多纳米粒子小到足以通过或穿透细胞膜，其化学反应却远超过同等体积的其他材料，但它们会以何种方式造成危害目前还不是很清楚。梅纳德说，从一开始，“我就有一种感觉，推动纳米技术发展的人，并没能充分意识到如何着手解决新产品存在着的风险和其他一些不确定因素。所以难免会在一定程度上表现得天真幼稚。”
    
    NNI直到2005年才开始投入资金关注EHS风险的研究，即使在那时，这方面的努力仍然缺乏良好的协调，这令奥斯曼等一些研究人员感到沮丧。奥斯曼说，由于纳米材料的特性范围非常广泛，研究人员难以决定先从哪方面开始研究。“需要有一个基本纳米材料建议表，以便对其EHS问题进行基础科学的研究”，奥斯曼说道，而不是以“漫无目标”的方式来选择进行研究的纳米材料。
    
    2008年12月是一个分水岭，当时一个国家研究理事会审查委员会对NNI当年发布的EHS研究策略指责道，“该文件缺少来自不同利益相关团体的投入，缺少一些基本的要求，如远见、明确的目标以及对该学科发展的全面评估等。”
    
    作为回应，NNI已开始筹集外部投入，准备在2010年年底，和新的整体战略计划一起，发布经过修改的EHS研究战略目标。NNI对EHS的研究经费今年已增加到了约9200万美元，占总投资大约5%。
    
    纽约罗切斯特大学毒理学家、2008年审查委员会成员之一冈特·奥伯多斯特说：“值得称道的是，NNI在纳米技术引起的环境安全问题的处理上已经走上了正轨。”
    
相关链接  纳米
    
    科学术语中最热门的前缀
    
    鉴于纳米技术已吸引了众多的注意力，一定程度的炒作也是势所必然的，这种炒作开始于NNI计划诞生之初，在最初十年的中期达到了顶峰。
    
    媒体进行了充满乐观的推波助澜，研究密集型的科技公司开始建立纳米技术的研究和开发团队，学生修读相关的大学专业课程和学位课程，风险投资者纷纷致电纳米技术公司，要求参与投资，纳米技术的期刊杂志、网站和研讨会越来越多，“纳米”（Nano）很快成为科技词汇中最热门的前缀。
    
    许多科学家认为，对“纳米”的疯狂热潮需要引起关注，麻省理工学院研究碳纳米管和铋纳米线的材料科学家米尔德里德·德雷斯尔豪斯说，如果对纳米技术发展前景作出的承诺无法兑现，我们将失去可信度。

未来十年纳米科技的应用

日期：2010-11-09 作者： 来源：文汇报                      
    不可避免的，随着对新生事物新奇感的渐渐消退，围绕纳米技术展开的大肆炒作和兴奋激动也渐次减弱，这种情况是NNI计划的最后一个教益：新科技的发展需要时间。如果斯莫利所言对纳米科技的投入将在20年里获得回报，那么NNI现在刚走了一半路程。
    
    这也是罗科的看法，他说，NNI在第一个十年里的重点主要是对基础科学的研究，奠定好各种基础。但他看到这一领域正在成熟，研究人员已经从以反复试验的方法开发简单的纳米结构，发展到精心设计各种纳米体系，后者将起到更多“积极活跃”的作用，如将药物直接输送给身体里的某些特定细胞。罗科对“纳米”技术的热情始终如一，据他预计，未来十年是纳米科技在众多领域内得到广泛应用的十年。
    
    为了让人们更好地理解这将意味着什么，罗科不知疲倦地与来自世界各地的科学家进行讨论，构想了2020年纳米技术的发展前景。NNI的最新年度报告也强调了纳米技术的应用。并制定了2011年的三个“签名方案”：开发太阳能能源的多种纳米技术应用，2020年之后的纳米电子学研究，以及可持续发展的纳米技术制造业。科技成果需要转化为商业化产品，这也是总统科学和技术顾问理事会最近所作评估的一个关键主题。
    
    这种需要比在2000年时更紧迫得多，虽然华盛顿支持纳米技术的决心依然坚定，重点却已经转移到了实际应用上。由于经济、就业、能源、气候变化、医疗保健和国家安全等方面的重重挑战，上世纪90年代后期的乐观情绪在很大程度上已为普遍缺少自信所取代。纳米技术的承诺，或者说它所展示的前景，对以上各方面的发展会有所助益，但到目前为止，这些还都只是承诺和发展前景，成功与否将取决于对纳米技术的商业化。

NNI计划的里程碑

日期：2010-11-09 作者： 来源：文汇报

                     
    
    
1959年
    
    美国著名物理学家理查德·费曼在加州理工学院作了一次充满想象力的演讲，预测了未来将在某种极微小尺度下控制物质的前景。
    
1974年
    
    东京科技大学的谷口纪男首创了“纳米科技”（nanotechnology）一词。
    
1981年
    
    美国IBM公司苏黎世研究实验室的格尔德·宾尼格和海因里希·罗勒发明了扫描隧道显微镜，让研究人员能够“看”到物质原子级水平的表面。
    
1985年
    
    美国德州赖斯大学的里查德·斯莫利、罗伯特·柯尔和苏塞克斯大学的哈利·克罗托发现了巴克明斯特富勒烯分子，即布基球。
    
1986年
    
    IBM在加州圣何塞的克里斯多弗·吉尔伯以及加州斯坦福大学的卡尔文·夸特和宾尼格发明了原子力显微镜，不仅能够完成原子表面的成像工作，而且还能对一个个的原子进行操作。
    
1990年
    
    IBM的唐纳德·艾格勒和厄哈德·施魏泽将一个个的氙原子排列成IBM的字样。
    
1991年
    
    日本NEC的饭岛澄男发现了碳纳米管。
    
1991年
    
    美国国家科学基金会发起了首个研究纳米科技的计划。
    
1998年
    
    由八个美国政府投资机构的技术经理组成的工作小组成立，拟定了纳米科技研究的议程。
    
1999年
    
    关于美国纳米科技计划的讨论在美国白宫和国会热烈展开。
    
2000年
    
    美国纳米科技计划（NNI）正式形成。