前言:想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗?我们特意为您整理了5篇纳米技术专业范文,相信会为您的写作带来帮助,发现更多的写作思路和灵感。
想要考研的你,提及纳米科学与技术专业,是否会列出“神秘”“高薪”“高就业率”“高科技”这一系列关键词呢?
真正的“高富帅”专业
如果一定要用一个词来形容纳米专业,那就是“高富帅”。
说它“高”,是因为它的的确确是高科技的产物。1纳米是1米的十亿分之一,20纳米也仅相当于1根头发丝的三千分之一。也正是这么小的尺寸,才能够用来做材料。不仅如此,纳米材料还都带着“特异功能”,具有奇异的化学物理特性。纳米虽小,用途却大,小尺寸成就大空间,真是高不可测。而研究生阶段需要学的课程也很“高”:纳米材料的结构、尺寸和形貌的表征技术、纳米粉体材料的制备与表面修饰、一维纳米材料的制备、纳米复合材料的制备、纳米结构材料的制备、纳米材料的物理特性与应用、纳米电子器件的基本原理和微加工技术、纳米材料与纳米技术的最新进展和发展趋势等都是该专业的主干课。是研究生的必修课,而新专业的科研空间更加广阔,所以发SCI的概率大大增加。想要写好论文,你就要了解纳米材料与技术的最新学科发展动向、理论前沿、应用前景等。而如果你打算游学海外,就更要在研究生阶段狂抓英语了。这一专业的专业英语词汇非常庞杂,有医学、化学、物理、材料学等诸多领域,需要系统地学习。笔者硕士一年级的时候大家每周都会用英报告,这样能有效提高英文水平,即使不打算出国,阅读国外文献也会非常流畅,开阔视野。纳米专业确实很“高”,但当你真正钻研进去,就会发现它的乐趣。
说它“富”,一点也不夸张。纳米技术、信息技术及生物技术被誉为本世纪社会经济发展的三大支柱。纳米从20世纪80年代末,90年代初开始起步,经历二十多年的发展,现在已经成为突飞猛进的前沿、交叉性新型学科。纳米技术作为朝阳产业,将在生物医学、航空航天、能源和环境等领域“大显身手”。美国国家科学基金会的纳米技术高级顾问米哈伊尔·罗科甚至预言:“由于纳米技术的出现,在今后30年中,人类文明所经历的变化将会比过去的整个20世纪都要多得多。”如此看来,纳米技术必将创造巨大的经济价值,同时也能为该专业的同学提供良好的职业发展平台。
说它“帅”,是因为它有独到魅力,吸引青年学子投其怀抱。其实,大部分工科生的研院生活都是相同的,读文献、做实验、组会、听报告,这些几乎就是我们读研生活的全部。想学好纳米专业,你首先要做个杂家。在研究生阶段,你要掌握数学、物理、化学等方面的基本理论和基本知识,学习环境纳米材料的绿色制备及其规模化,面向环境检测的纳米结构与器件的构筑原理、方法,并且了解纳米材料与纳米结构性能与机理。而做到这些还远远不够,因为理工科专业的直接目标在于应用,因此还需要学习纳米材料在污染治理中的应用原理、技术与装置研发、纳米材料的环境效应与安全性评估、纳米材料在节能和清洁能源中的应用等,掌握材料学的工艺装备、测试手段与评价技术,具备相应的科研能力,具有从事科学研究和解决工程中局部问题的能力。运用纳米技术解决这些问题和一般的常规思路有着很大的不同,有着前路未知的期盼和发现时的狂喜,为此我们都成为典型的“技术宅”,大部分时间会宅在实验室里,在外人看来,可能是只顾科研无心生活的“苦行僧”,而只有我们才能体会到纳米的“帅”及给我们生活所带来的乐趣。
想要学好纳米专业,团结协作的能力必不可缺。其学习都是以课题组和实验室为单位,很多作业和项目都是大家集体完成,比如开发一种新型的纳米材料,大家都有不同的分工,这就需要我们能紧密地合作与沟通,分担辛苦分享成功。
同时,我们还需要有极强的表达能力和动手实践的能力。我们学校经常举办学术沙龙,需要大家上台演讲,不仅本专业的导师在场,其他专业的学生和老师也会来听,并从不同角度提出意见,所以我们要足够有气场才能HOLD住场面。而实践方面,我们都有做老师科研助理的机会,同时开展自己的课题研究,不仅要写得好论文,还要做好实验。想读纳米专业,要做的功课非常多,你只有都尝试了,才能体会到这个专业的巨大魅力,才会在科技的海洋里尽情遨游。
就业面窄是误区
对于纳米科学与技术专业,很多人对它的认识存在误区。很多人认为,纳米作为高精尖技术与日常生活相距太远,所以想当然地认为其就业难。
其实,纳米真实地存在于我们的日常生活中,而随着科技的发展,未来有一天我们的衣食住行都将离不开纳米技术。所以如果你能有幸就读该专业研究生,并在学术上有所造诣,愿意将所学学以致用,那么你的就业前景无限光明!
那么纳米技术到底是怎样和实际生活联系起来的呢,而我们工科生,又将以何种方式参与这种科技改变人们生活的进程呢?
衣:在纺织和化纤制品中添纳米微粒,可以除味杀菌。化纤布结实耐磨,但会产生静电现象,加入少量金属纳米微粒就可消除静电,穿起来非常舒适。
食:利用纳米材料,冰箱的抗菌能力大大增强。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经进入市场。利用纳米粉末,可以使废水有效净化,完全达到饮用标准,纳米食品色香味俱全,还对健康大有裨益。
住:对于我们这代人而言,居家做家务、清理房间是一大愁事,纳米技术的应用可以省下我们很多力气。通过纳米技术,墙面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层,可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖,完全不需要擦洗。含有纳米微粒的建筑材料,还可以吸收对人体有害的紫外线。既省时省力又对身体好。
行:在出行方面,纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料,可以大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。纳米球添加剂可以在机车发动机加入,起到节省燃油、修复磨损表面、增强机车动力、降低噪音、减少污染物排放、保护环境的作用。纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息,帮助其安全驾驶。
而这些,只是纳米科技应用在生活中的很小一部分,纳米技术兴起晚,发展态势迅猛,更多的核心技术需要我们这一代去发掘,以期使之更好地为民生服务。可见纳米技术在日常生活中无处不在,各行各业都需要拥有高技术高学历的纳米技术专业人才,所以就业前景广阔。
具体的就业方向,男生、女生之间相差很大。纳米专业的大部分女硕士,特别是女博士一般选择到大学或科研院所做研究。研究领域涵盖纳米材料、黏合剂、涂料、电镀、陶瓷等相关领域,从事相关产品开发、生产和检测等方面。大部分男生会去纳米材料行业企业或传统材料相关企业供职。可以从事纳米材料表征、石墨烯及碳纳米材料研发、纳米材料改性、纳米材料合成、无机纳米材料制备以及交叉学科纳米材料应用的相关工作。
跨专业报考受青睐
纳米科学与技术是一个技术性很强的专业,不过并不限制跨专业报考,纳米科学与技术专业不仅不是个排外的“高富帅”,反而非常欢迎跨专业的学生融入其中,共同搭建纳米专业的大舞台。纳米科学与技术专业在工科或理科门类招生,不同学校有所不同,但都非常欢迎与之类似的材料专业同学报考,因为都涉及材料学的基础知识,所以学起来会得心应手。同时,理工科专业背景如物理、化学甚至数学这类基础学科出身的学生,也很受该专业欢迎。
在报考纳米科学与技术专业的学生中,也有一部分医学生。未来纳米技术应用于医学领域是大势所趋。利用纳米技术制成的微型药物输送器,可将适当剂量的药物,通过体外电磁信号的引导准确送达病灶部位,有效地起到治疗作用,同时可以减轻药物的不良的反应。用纳米制造成的微型机器人,它的体积可是小于红细胞的,你能想象到吗?通过它向病人血管中注射,能疏通脑血管的血栓,清除心脏动脉的脂肪和沉淀物,还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。而随着纳米技术的发展,它与医学还会有更多的交叉。
院校介绍
对纳米科学与技术这种新兴学科来说,每个学校都有自己的特色和侧重,所以这里重点介绍一下。而通过这些不同院校的专业方向设置,我们也可以多角度地了解这一专业。
国家纳米科学中心
国家纳米科学中心是中国科学院与教育部共同建设并具有独立事业法人资格的全额拨款直属事业单位,自2005年开始招收研究生。现有博士学科专业点3个:凝聚态物理、物理化学和材料学;硕士学科专业点3个:生物物理、生物工程和材料工程。鉴于纳米科学与技术学科的前沿交叉特性,在招生阶段,现将该学科挂靠在物理学、化学、材料科学与工程和生物学4个一级学科下,并相应产生4个专业代码。涉及纳米科技系列进展、纳米检测系列讲、文献信息利用、人文系列讲座、纳米功能材料等课程。
国家纳米科学中心2013年在7个专业招收硕士研究生35人,专业包括纳米科学与技术、凝聚态物理、物理化学、材料学、生物物理学、材料工程和生物工程,研究方向涵盖高分子纳米功能材料、生物纳米结构、纳米医学、纳米复合材料、纳米电子学等几十个方向,方向非常细化,具有材料、半导体、物理、化学、微电子、生物、医药等专业背景的学生都可以报考。相信有志于纳米专业的学生,一定会在这里找到适合自己的研究方向。
国家纳米中心是比较典型的科研所,其吸引考生的除了实力,很重要的一点就是待遇优厚。该中心不需学生缴纳学费,如遇国家政策调整还会有高额的奖学金返还制度,硕士研究生根据不同年级,每个月可以拿到1300~2500元的奖学金,博士会拿到3100~4500元的奖学金。此外,还会有其他生活补助等。研究生公寓已经完全宾馆化管理,非常舒适。在国家纳米中心深造,没有经济上的后顾之忧,这样你才可以将全部精力投入到学习中去。
大连理工大学
大连理工大学的工程力学系开设生物与纳米力学专业,已然在行业内一枝独秀。该学科依托于工程力学系和工业装备结构分析国家重点实验室,软硬件条件优越,拥有先进的实验设备和仪器。学生有充足的动手实践机会,能在宏观、微观等不同层次上,进行跨学科的数值模拟和力学实验。同时,也有国家自然科学基金、重点基金、“863”“973”等众多项目和基金支持。
该专业现在有生物器官生物力学模型及新材料应用研究、分子模拟和计算机辅助药物分子设计、微纳米与多尺度力学研究、生物材料的力学行为及其多功能化4个研究方向,涉及到力学、医药、生物、机械、材料、电子、控制、测量、微纳科技等领域。
大连理工大学这个专业的直博生学制是4年,而一般的直博生需要学习5年时间,而分开读硕士和博士一般需要6至7年,这吸引了不少学生报考,因为可以节约1~3年时间。当然,在4年的时间里完成硕士和博士学业,是一件很具挑战的事情,需要最大限度地提升效率。
苏州大学
苏州大学纳米科学技术学院是苏州大学、苏州工业园区政府、加拿大滑铁卢大学携手共建的一所高起点、国际化的新型学院。该学院建立于2010年,由全球著名纳米与光电子材料学家、中国科学院院士、第三世界科学院院士李述汤教授担任院长,教学科研实力雄厚,是国内高校中为数不多的专门的纳米科学学院。招生方向涵盖纳米生物化学、纳米技术工程、纳米材料、有机无机复合纳米材料等。有关纳米的专业在物理、化学、生物学、材料科学与工程4个学科下招收学术型研究生,相关专业学生都可以报考。
需要提醒大家的是,苏州大学纳米科学技术学院初试提供详细的辅导书和真题,有意报考的同学要多关注学院的网站,以获得第一手信息。
武汉大学
武汉大学的纳米科学与技术专业在物理科学与技术学院和化学与分子科学学院均有招生,各有侧重。前者分为纳米复合材料、纳米光催化材料与技术、纳米光电子学、纳米管线阵列及其智能传感器、纳米材料制备与表征和纳米尺度结构与性能关系6个方向。后者在纳米催化、纳米生物医学、纳米材料分离分析、微纳传感技术和高分子纳米药物载体。很多方向在国内上处于领先地位,每年也有大量学生报考,竞争力较强。
武汉大学与国外多所大学有合作关系,大家如果在武大读研,出国交流、学习的机会比较多。
华中科技大学
华中科技大学是典型的工科学校,其纳米专业当然也首屈一指。华科的纳米专业同样是热门,除去每年招收本校内推的学生,考研的竞争非常激烈。
在培养模式方面,华科非常重视学、研、产相结合,科研成果转化率非常高。在就业方面,很多硕士研究生在各科研机构及高校任职。如果你求学在华科,就不用愁生活保障的问题,学校的奖励机制非常完善。学院对每位研究生在校期间将发放生活津贴,并设立各类奖学金以奖励优秀的研究生,其奖励比例达80%。
1、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划
由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义,世界各国(地区)纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器,相继制定了发展战略和计划,以指导和推进本国纳米科技的发展。目前,世界上已有50多个国家制定了国家级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划,但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。
(1)发达国家和地区雄心勃勃
为了抢占纳米科技的先机,美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划(NNI),其宗旨是整合联邦各机构的力量,加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月,美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》,这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划,从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。
日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域,并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源(人才、资金、设备)的落实。之后,日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针,积极推进从基础性到实用性的研发,同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。
欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域,有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略,目前,已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施:增加研发投入,形成势头;加强研发基础设施;从质和量方面扩大人才资源;重视工业创新,将知识转化为产品和服务;考虑社会因素,趋利避险。另外,包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。
(2)新兴工业化经济体瞄准先机
意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响,韩国、中国台湾等新兴工业化经济体,为了保持竞争优势,也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》,2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》,随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域,以提升前沿技术和基础技术的水平;到2010年10年计划结束时,韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平,进入世界前5位的行列。
中国台湾自1999年开始,相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》,这些计划以人才和核心设施建设为基础,以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标,意在引领台湾知识经济的发展,建立产业竞争优势。
(3)发展中大国奋力赶超
综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头,也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》,并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图,确定中国在目前和中长期的研发任务,以便在国家层面上进行指导与协调,集中力量、发挥优势,争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术,南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略,可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度,加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。
2、纳米科技研发投入一路攀升
纳米科技已在国际间形成研发热潮,现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家,都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金,而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称,在过去10年里,世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明,全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。
美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内,联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元,2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是,根据《21世纪纳米技术研究开发法》,在2005~2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元,而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。
日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究,近年来纳米科技投入迅速增长,从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元,而2004年还将增长20%。
在欧洲,根据第六个框架计划,欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元,有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计,欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国,甚至更高。
中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右;另外,地方政府也将支出2.4亿~3.6亿美元。中国台湾计划从2002~2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元,每年稳中有增,平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元,而新加坡则达3.7亿美元左右。
就纳米科技人均公共支出而言,欧盟25国为2.4欧元,美国为3.7欧元,日本为6.2欧元。按照计划,美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元,日本2004年增加到8欧元,因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是:欧盟为0.01%,美国为0.01%,日本为0.02%。
另外,据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称,很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元,占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元,占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元,占17%。由于投资的快速增长,纳米技术的创新时代必将到来。
3、世界各国纳米科技发展各有千秋
各纳米科技强国比较而言,美国虽具有一定的优势,但现在尚无确定的赢家和输家。
(1)在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下
根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果,2000—2002年,共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引(SCI)》收录。纳米研究论文数量逐年增长,且增长幅度较大,2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。
2000—2002年纳米研究论文,美国以较大的优势领先于其他国家,3年累计论文数超过10000篇,几乎占全部论文产出的30%。日本(12.76%)、德国(11.28%)、中国(10.64%)和法国(7.89%)位居其后,它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇,是纳米研究最活跃的国家,也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出,2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点,到2002年已经超过德国,位居世界第三位,与日本接近。
在上述5国之后,英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多,各国3年累计论文总数都超过了1000篇,且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。
另外,如果欧盟各国作为一个整体,其论文量则超过36%,高于美国的29.46%。
(2)在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头
据统计:美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国(1454项),其次是日本(368项)和德国(118项)。由于专利数据来源美国专利商标局,所以美国的专利数量非常多,所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多,所占比例都超过了1%。
专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大,在论文数最多的20个国家和地区中,专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明,很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力,但比较侧重于基础研究,而实用化能力较弱。
(3)就整体而言纳米科技大国各有所长
美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用,目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面,纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断,而且,已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年,美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》,目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合,实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标;利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门,这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用,还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果,未来5~10年有望商业化。
虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点,纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究,期望突破传统的极限,让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒,并按照一定规则排列这些颗粒,使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面,目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。
日本纳米技术的研究开发实力强大,某些方面处于世界领先水平,但尚未脱离基础和应用研究阶段,距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上,日本最重视的是应用研究,尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外,日本开发出多种不同结构的纳米材料,如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。
在制造方法上,日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法,同时积极开发新的制造技术,特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1/10,两三年内即可进入批量生产阶段。
日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高,并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置,能应用于纳米领域,在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路,是世界最高水平。
日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地,如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机,解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过,这些研究大都处于探索阶段,成果为数不多。
欧盟在纳米科学方面颇具实力,特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。
中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多,主要以金属和无机非金属纳米材料为主,约占80%,高分子和化学合成材料也是一个重要方面,而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。
4、纳米技术产业化步伐加快
目前,纳米技术产业化尚处于初期阶段,但展示了巨大的商业前景。据统计:2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元,2010年将达到14400亿美元。为此,各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化,都在加紧采取措施,促进产业化进程。
美国国家科研项目管理部门的管理者们认为,美国大公司自身的纳米技术基础研究不足,导致美国在该领域的开发应用缺乏动力,因此,尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心,希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”,以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项:一是进行纳米技术基础研究;二是与大企业合作,使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面,其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。
美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破,并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大,其目的是共享信息,促进联系,加速纳米技术应用。
日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合,不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”,以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程;东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所,试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。
欧盟于2003年建立纳米技术工业平台,推动纳米技术在欧盟成员国的应用。欧盟委员会指出:建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战,把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学产品和运输领域,生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品,同时减少能源消耗和垃圾。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国。
英文名称:Nanoscience & Nanotechnology
主管单位:
主办单位:中国微米纳米技术学会;西安纳米科技学会;陕西省电子学会纳米技术专委会
出版周期:双月刊
出版地址:陕西省西安市
语
种:中文
开
本:16开
国际刊号:
国内刊号:
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发行范围:
创刊时间:2004
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实际上,“纳米”尺度的粒子早已存在。比如,中国古代的徽墨粒子,出土铜镜涂层中的粒子,已在轮胎中使用了100年用作增强剂的炭黑颗粒等,我们用于疾病预防的疫苗产品(常含有一种或数种纳米尺度的蛋白质)也都可以挤身于纳米之列。
那么,究竟什么是纳米世界呢?
从人类历史的发展角度看,科学的发展导致了人类改造世界的一次又一次新飞跃,纳米技术的兴起也是科学发展的结果。
我们知道,是宏观世界与微观世界的结合构成现在丰富多彩、五光十色的自然界。从以牛顿等科学家为核心所取得的经典物理、化学、力学的巨大成就,到目前的计算机网络、宇宙飞船、飞机、汽车、机器人等宏观世界的科学成就彻底改变了人们的生活方式。到目前为止,人类可以进行研究的宏观物质世界的最大尺度是1025 m,约10亿光年,这也就是人类目前已观测到的宇宙大致范围。
在微观世界,科学家把物质的运动都还原到原子、分子这一层面上进行研究。从玻尔的原子理论到普朗克、爱因斯坦等的量子力学,微观世界的研究和应用都取得了巨大的成功,从原子弹和氢弹的爆炸,到物质有机合成、转基因食品和克隆羊出现,从原子光谱和激光、几何光学到光纤通讯的出现。在目前为止,人类所研究的微观物质世界的最小尺度达到了10-19m,也就是人们常常说的夸克(组成中子、质子这一类强子的更基本的单元)水平。
那么,微观世界和宏观世界之间是如何连接的,一直以来是个谜。随着人类科技的进步,我们现在知道它们不是直接而简单的联结,而是存在一个过渡区,这一过渡区域科学家把它叫做介观世界或介观领域,纳米世界(0.1-100纳米)就是介观世界的一个组成部分。因为在这个区间物理上有很多新的现象和新的效应产生,所以它给科学家和人类带来了很多原始的创新机会和商业机会。
现在市场上出现了“纳米概念”的产品。例如,纳米洗衣机和纳米冰箱就是洗衣机和冰箱的内胆涂上一种纳米材料,它们就具有了普通洗衣机和冰箱所没有的可以抑制霉菌生长的功能;纳米领带,将普通领带的表面经物理、化学两种纳米方法处理后,领带便具有很强的自洁能力,不沾水、不沾油;经过纳米化处理的陶瓷,不仅拥有陶瓷现有的光彩和硬度,同时还具有一定的弹性,而不用担心不小心被摔坏。
为什么目前会有那么多人看好纳米技术的前景?
除了它能促进人类认知领域的革命外,第二个原因就是它会引发一场新的工业革命,给企业带来新的商业机会。具有关资料预计,目前微米级的信息技术开始走到尽头,就是说其发展受到了物理的局限。因此美国半导体协会曾提出,需要将用于信息技术关键芯片的尺度缩小到100纳米以下,当芯片尺寸小于100纳米时,量子效应就会起作用,这时纳米领域的全新理论和方法就会成为构建新的纳米芯片的基础。这样的纳米芯片计算速度会更快、存储密度会更高、能耗大大减少……一场新的工业革命就会到来。就如美国前总统克林顿所说的,到那时候,全部美国国会图书馆的资料就可以储存在一个芯片里。
科学界预计纳米技术是21世纪可能会取得重要突破的三个领域之一,美国甚至认为纳米科技会成为21世纪经济发展的发动机。所以,从欧洲到日本,发达国家纷纷制定自己国家的发展战略,投入很多的人力和物力,再加上企业的投入,形成了今天的纳米热。
中国现在已有几百家纳米技术企业,几十条纳米生产线,这是否意味着纳米时代已经成熟了?纳米时代已经到来?一项科学技术应用是否成熟的很重要的标志,一个是理论研究的深入程度;另一个就是其产品的工业化水平。
尽管,目前解释纳米现象的理论五花八门,但真正能够像经典力学解释宏观世界,量子力学解释微观世界那样的理论仍未出现,这是其一。
其二,相对于纳米时代,我们现在还处在一个后微米技术时代。微米技术时代的特征在信息技术及其应用上反映的较为明显。例如,计算机大规模集成电路的设计、加工、信息存储单元的大小,目前还都是在微米尺寸上进行的。尤其是器件,现在线条的宽度虽然到了深亚微米,但是器件本身还都是微米级的。
微电子技术因为发展得比较成熟,利用现有的技术还可以不断地缩小、改进,但是研制成本会呈指数增加,另外在什么程度上量子效应会占多大比例,如何克服量子效应,这些都是需要解决的问题。
在现实生活中,哪些东西已经是纳米技术的产品了? 要实现纳米技术的诱人前景,最关键的技术就是纳米材料。目前,往往是做成粉体掺进某个东西中去,看看它是否具有不同于以往的性能,然后把这个材料推出去,我国这几百家企业虽然都有自己的产品,但绝大部分目前基本处于这样一个水平,就是把材料做成纳米级的非常小的颗粒,再把粉体做成材料供大家使用,这显然是非常初级的。
我们现在可以在实验室制备出强度和韧性都比原有的材料(比如钢)强10倍以上而重量又轻的材料,这种新材料会带来很多的工业应用和革命。目前就碳管而言可以达到这个程度,但是要想批量生产并降低成本还有问题。
同样,我们也可以在实验室制备出效力高于普通疫苗的纳米佐剂疫苗,但想要批量生产,进行实际应用就需要解决很多关键的技术问题。
物质的结构决定它的性质,结构是单一的,那么性质也基本是均衡的。如何用纳米技术做成大物体时,在宏观尺度物体还保留纳米尺度的特性。这是纳米技术工业化需要解决的一个最关键的问题。例如晶体材料,它的晶格有序,是由于原子排列从微观到宏观都是以同样的方式排列,所以整体的性质和一颗纳米微粒的性质差别并不大。例如,金刚石,其晶格是呈四面体排列,距离、角度都一样,如果无限延伸到宏观上其性能也都是一样的,这就是一块完美的钻石。但自然界的晶体不会是完美的,纳米技术的应用就可以出现完美的金刚石。
另外,我们还需要警惕出现的“伪纳米现象”,例如说将来的纳米武器比核武器要厉害,纳米炸弹爆炸过的地方,整个区域都会变成同一种物质。这在科学理论上就没有什么依据了,完全是信口胡说。
展望未来,全球的纳米科技发展会呈现出以下趋势:一是纳米的科技投入会由原来主要集中在基础研究领域,逐步向应用研究及产业化并举方向转变;二是由单一物理学研究向多学科交叉融合和边沿学科的方向发展;三是由单独的独立部门向集成化和国际化方向发展;四是更加重视关键技术和装备的研发;五是以材料制备为基础的单一生产方式向生物医学和专业器件的具体应用的产业发展。
为了实现纳米科技的可持续发展,保持并加强我国在纳米科技领域的国际竞争能力,除了需要继续开展面向国家重大需求的战略性基础研究外,在纳米材料、器件和系统、测量表征、生物医学等方面的原创性基础研究也是我国未来发展的目标。相信纳米技术在重要和关键技术领域的普及和应用会不断促进相关产业的快速发展。
作者简介
李映波
李映波,男,研究员,1963年10月出生,1984年毕业于昆明医学院临床医学专业,获医学学士学位,1987年昆明医学院研究生班毕业,1990年获中国协和医科大学(现北京协和医学院)医学硕士学位。1998年赴荷兰参加世界银行贷款的中国疫苗项目开发,1999年批准为中国协和医科大学(现北京协和医学院)硕士研究生导师。历任疫苗生产研究室室主任助理、副主任,生产开发处副处长、国有资产管理办公室主任、中心实验室主任、学术委员会委员、职称评审委员会委员、学位评定委员会委员。现为云南省科技专家库成员、国家自然基金委评审专家、国家教育部专家库成员、中国微生物学会临床专业委员会委员、云南省细胞生物学会理事、云南省行为科学学会理事、中国微生物学会永久会员,中华医学会遗传分会会员。
我国在工商局注册的化妆品生产企业有3700多家,正常运作的约有2500家。全国现有年销售额一亿元以上的化妆品企业150多家,其中年销售额达5亿元以上的企业有8家。
从产品结构看,我国的化妆品市场与世界各国相似,以护肤产品为主。护肤产品约占36%,美发产品约占31%,美容产品约占18%,在可预计的将来,我国市场将仍以护肤品为主导。但是,随着人们审美意识和美容知识逐渐增强,以及这次非典的冲击,国民卫生保健的意识将得到普遍的提高,美容和洗涤类化妆品市场将会迅速上升,儿童化妆品和男用化妆品的销售额也将会得到大幅提高。
目前我国化妆品行业经历了近20年的发展,已由初创生长期逐步迈向成熟期。此时此刻,回顾化妆品的发展历史,将有助于我们更好地预测和展望其将来的发展趋势。
一、 化妆品的发展历史
“爱美之心人皆有之”,人类对美化自身的化妆品,自古以来就有不断的追求。化妆品的发展历史,大约可分为下列四个阶段(也称四代):
①第一代是使用天然的动植物油脂对皮肤作单纯的物理防护,即直接使用动植物或矿物来源的不经过化学处理的各类油脂。古埃及人4000多年前就已在宗教仪式上、干尸保存上以及皇朝贵族个人的护肤和美容上使用了动植物油脂、矿物油和植物花朵。古罗马人除对皮肤、毛发、指甲、口唇的美化和保养上那不勒斯(Naples)地区已成为香业中心用于愉悦的香味外,也可在衣橱内防虫蛀,最早的芳香物有樟脑、麝香、檀香、薰衣草和丁香油等。
自7世纪到12世纪,阿拉伯国家在化妆品生产上取得了重要的成就,其代表是发明了用蒸馏法加工植物花朵,大大提高了香精油的产量和质量。与此同时,我国化妆品也已有了长足的发展,在古藉《汉书》中就有画眉、点唇的记载;《齐民要术》中介绍了有丁香芬芳的香粉;我国宋朝韩彦直所著《枯隶》是世界上有关芳香方面较早的专门著作。
②第二代是以油和水乳化技术为基础的化妆品。十八、十九世纪欧洲工业革命后,化学、物理学、生物学和医药学得到了空前的发展,许多新的原料、设备和技术被应用于化妆品生产,更由于以后的表面化学、胶体化学、结晶化学、流变学和乳化理论等原理的发展,引进了电介质表面活性剂以及采用了HLB值的方法,解决了正确选择乳化剂的关键问题。
在这些科学理论指导和以后人们大量的实践中,化妆品生产发生了巨大的变化,从过去原始的初级的小型家庭生产,逐渐发展成为一门新的专业性的科学技术。正是在这个基础上我国化妆品行业才成为目前我国轻工行业中发展最迅猛、最受广大民众欢迎的诺大行业。就连美国著名的FDA(食品药品管理委员会Food Drug Administration)也正在考虑更名为FDCA(食品药品化妆品管理委员会Food Drug Cosmetics Administration)。
③第三代是添加各类动植物萃取精华的化妆品。诸如从皂角、果酸、木瓜等天然植物或者从动物皮肉和内脏中提取的深海鱼蛋白(Ainera)和激素类(Hormoues)等精华素加入到化妆品中去。提取方法中比较先进的有超临界CO2萃取法,提高了有效物质的得率和萃取纯度,由此制成的化妆品在国外已经流行了四五十年,使人们始终追求的美白、去粉刺、去斑、去皱等成为可能,直到如今,这些化妆品有的还很受欢迎。功能性化妆品(Functional Cosmetics),这种化妆品又称疗效性化妆品(Medicated Cosmetics或干脆称Cosmeceuticals),有时也称quasi,意思是介于化妆品(Cosmetics)和药物(Drugs)之间。
④第四代是仿生化妆品,即采用生物技术制造与人体自身结构相仿并具有高亲和力的生物精华物质并复配到化妆品中,以补充、修复和调整细胞因子来达到抗衰老、修复受损皮肤等功效,这类化妆品代表了21世纪化妆品的发展方向。这些化妆品以生物工程制剂如神经酰胺(Ceramides)和基因工程制剂如脱氧核糖核酸(DNA)和表皮生长因子(EGF)的参与为代表。以致使丰胸、瘦身、肌肤某种程度上恢复青春成为可能。
二、 化妆品的发展趋势
科技发展永无止境。化妆品行业的发展也不会停止,那未化妆品发展到它的第四代后将朝向哪个方向发展呢?笔者认为,化妆品学这门学科将很可能会与其它许多学科(材料学、医学、生物工程与农业、环境与农业、航空航天以及微电子、光电子与计算机等)一起奔向纳米时代。
纳米(Nanometer, 简写为nm)是一个长度单位,一纳米等于十亿分之一米(10-10米)。所有物质(生命体或非生命体)都是由纳米级(0.1mm-10nm)大小的微粒组成,即由组成物质的最基本元素分子和原子组成。纳米技术是用以分子为单位的物质微粒制造和开发新产品的技术。而这种纳米级的物质微粒往往表现出常态下不同的物理化学性质,正如大家知道那样某些金属在超冷状态下呈现与常温下不同的物理化学性质。这种超微粒技术又可称为分子组装技术,其目的是获得纳米级结构材料,方法是将目的物进行超微粉碎、均质、蒸发――冷凝等物理处理或将其进行气相、沉积、溶胶――凝胶、电解和高温蔓延合成等化学处理来获得。纳米技术已经应用在各个行业,给传统产业带来了巨大的革新,使许多过去认为不可能的变为可能,成为人们广泛关注的焦点之一。纳米技术也为美容化妆品行业带来革命性的变化,例如使用纳米技术制得的硅及硅化合物(如SiO2),其光吸收系数比普通的可增大几十倍,代替目前普遍使用的易引起皮肤过敏价格昂贵的紫外线防护剂,人们可研究开发出具有特殊功能的防晒化妆品。又如化妆品界热衷于使用SOD(Superoxide Dismutace,超氧化物歧化酶)来抗衰老,可是SOD本身有难以让皮肤吸收的问题,用纳米技术已经使这个问题得到圆满解决;用纳米技术加工中草药能使某些中草药中的有效成分产生意想不到的治疗效果,有报导用纳米技术使中药花粉破壁后,不仅皮肤吸收好,而且其保健功效大大增加。
纳米技术在化妆品科学研究中的应用始于90年代,随着技术的不断改进,已经摸索出许多方法来提高和增加化妆品活性添加物的功效,保持其稳定和鲜活,并使其顺利渗透到皮肤内层,滋养深层细胞,从而事半功倍地发挥护肤、疗肤功效。例如在化妆品原料的研究与生产方面,由于采用了纳米技术,也可将活性物质包裹在直径仅为几十纳米的超微粒中,(脂质体包裹技术Liposome Capsulized Technology)从而使活性物质得到有效的保护、并且还可有效控制其释放的速度、延长释放时间,这方面的技术,目前世界上德国和瑞士领先。纳米维生素E化妆品的祛斑效果,据有关部门的临床试验表明,比一般含氢醌类化合物的被动祛斑效果快且明显,而且具有安全稳定,无毒副作用的优点。
三、 各种科学技术的发展对化妆品科学的推动作用
步入21世纪,化妆品科技发展越趋先进,传统化妆品的固有缺陷就越需通过各种新兴科学技术加以克服。如上所述,人们正在使用纳米技术解决活性物质失活和透皮吸收的问题,尽管目前化妆品流行少加或不加香精,以提倡自然减少刺激,然而仍不得不添加防腐剂,因为从生产到消费的流通环节以及在以后消费者使用的过程中,不可避免细菌的入侵和繁殖,所以必须添加各种化学防腐剂。这些防腐剂在杀灭有害菌群的同时,也会伤及化妆品中的有效活性成分,使得大量活性成分衰减失活,并且各种防腐剂对皮肤都有或大或小的刺激性。人们正试用各种方法解决这个问题,有的公司采用了先进的高分子常温乳化剂及纳米技术结合超微乳化工艺,在严格的无菌生产环境下操作,产品中不加任何化学防腐剂,并在销售与储存中采用冷藏保鲜(0℃--10℃),以确保高生物活性成分不受环境温度、湿度和防腐剂的破坏,提供有高活力强渗透性的护肤品。另外日本已经在包装上引入外磁技术来代替冷藏保鲜技术,以达到更加方便的目的;美国更是对化妆品本身加以磁化技术处理,效果更趋完美。