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第一种,是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子的机器实用化,从而可以任意组合所有种类的分子,可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。
第二种,是把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去,从理论上讲终将会达到限度,这是因为,如果把电路的线幅逐渐变小,将使构成电路的绝缘膜变得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。
一、纳米技术知识基础设施计划概述
1.纳米技术知识基础设施计划与纳米信息学2012年5月,即在材料基因组计划颁布11个月之后,美国“国家纳米计划(”NationalNanotechnologyInitiative,NNI)提出纳米技术知识基础设施计划,以确保美国在纳米领域可持续设计方面继续保持其国际领先地位。该计划旨在建立一个直接面向问题、面向需求的纳米技术知识基础设施,从而加快美国在纳米领域技术发现与技术创新的速度。从计划的内容与目标不难看出,此项计划与材料基因组计划有诸多相似相通的地方。提到纳米技术知识基础设施计划,必须要提及纳米信息学(nanoinformatics)这一重要的概念。纳米信息学指的是开发和实施有效的机制以帮助相关机构对纳米技术信息进行收集、验证、储存、分享、发掘、分析和应用,覆盖整个纳米领域,影响到研究、开发以及应用的方方面面。一个不断完善的纳米信息学基础设施将通过不断改善实验数据的再现性,以及通过促进工具和模型的开发和验证,而将数据转换成信息加以应用,从而确保国家纳米技术可持续性发展。因此,纳米信息学将为纳米材料和产品的合理设计,研究方向最优化和风险评估奠定坚实的基础。从这个角度来看,纳米技术知识基础设施计划和纳米信息学的发展同时也为材料基因组计划的实施提供了必要的补充与帮助。
2.纳米技术知识基础设施计划的基础与助推力(1)多元化的合作团队建立一个由科学家,工程师和技术人员组成的多样性的协作团队,对于美国纳米技术的研究、开发和应用至关重要,它们是美国纳米技术核心竞争力的中坚力量。该团队涉及纳米技术研究、开发乃至产业化的方方面面,包括多方面的研究力量,主要有:实验科学家、计算科学家和理论家,产业工程师,负责材料合成、测试、质量监控等的技术人员。(2)跨学科的协作网络建立一个灵活的可以开展多学科知识协作的网络,有效衔接基础实验研究、建立模型和应用开发,对于提高研发效率具有重要的作用。可靠的计算模型能够准确地预测和设计具有理想性能的纳米材料并进行风险评估和管理。此外,模型在开发新概念以及加深人们对纳米级材料的性能和行为的理解方面也起着重要作用。因此,当模型和实验结果在网络中能够被迅速分享时,基础研究与应用开发就可以更加有效迅速地连接起来,从而有的放矢提高研发效率。(3)可持续的计算工具箱一套能够促进实验分析和理解纳米材料的计算工具对于完成纳米技术知识基础设施计划而言至关重要。计算工具能够帮助人们发现在当前理论框架中不明显或难以表现出来的材料的性能与现象之间的关系。因此,经过验证、易于访问且得到良好维护的模拟软件将对纳米材料的性能和行为做出可靠的模拟,从而有效帮助纳米材料的设计与开发。(4)坚实的数据基础纳米技术知识基础设施计划迫切需要建立一个坚实的纳米技术数据和信息基础,将纳米材料设计、合成、性能、现象以及对生物和环境的影响等方面实验数据进行整合。开源数据与软件、开放获取的方式、通用的数据传送与存档格式、标准化的词表等都是建立这一基础的必要条件,对研究人员管理与储存实验数据具有重要的意义,同时也将极大地促进不同学科间研究人员的数据共享与彼此合作。
3.纳米技术知识基础设施计划与材料基因组计划相互促进、共同发展材料基因组计划是美国众多行业众多机构为加速本国先进材料的发现和巩固制造业的地位而共同做出的努力。纳米技术知识基础设施计划与材料基因组计划的合作涉及纳米技术知识基础设施计划的所有方面,特别是研究方法和数据方面的建设。通过相互间合作与交流,纳米技术知识基础设施计划与材料基因组计划将实现互利共赢。因此,这里所介绍的纳米技术知识基础设施计划将直接为材料基因组计划作出贡献。纳米技术知识基础设施计划试图通过模型、模拟工具和数据库的发展,以实现对纳米级尺度和亚微秒领域里各种现象的预测。相比来说,材料基因组计划的范围要宽得多,既包括纳米级别也包括宏观尺度的材料信息。纳米技术知识基础设施计划的实施对材料基因组计划来说,将是其重要和有利的补充。纳米技术知识基础设施计划取得的重要成果,如数据格式标准化,使实验科学家与理论家相结合以加速材料设计的方法等可适用于材料基因组计划的其他相关领域。同样,通过材料基因组计划开发出的与纳米材料相关的方法和标准等也可以在纳米技术知识基础设施计划的工作中进行探索,测试和评估。通过持续的交流与合作,在这2项计划指引下合作的各部门成果将推动整个时间与空间范围内材料的研究与开发,以进一步提高美国在材料与制造领域甚至更广泛领域的竞争能力。
二、启示与建议
材料基因组计划后,我国学术界迅速做出了反应。在中国科学院和工程院的推动下,计划的当年,近百名材料领域的科学家会聚北京香山,召开了“材料科学系统工程”会议,并提出建设集理论计算、数据库和测试三位一体的共用平台、实现重点材料示范突破以及成立多方协作的指导委员会等建议。在过去的2年多里,在中国工程院、中国科学院、科技部等机构以及上海市、北京市等地方政府的努力下,我国的材料基因组计划正在逐步落到实处,其研究理念也越来越多地被学术界所接受和采纳,不同学科背景的研究人员也逐渐投身此中。十几年前的“人类基因组计划”,我国尽管在后期也有少量参与,但是并没有能抓住那次重大科学计划的先机。因此,面临比“人类基因组计划”更为广泛的“材料基因组计划”,我国政府和相关机构能够迅速做出响应并踏实努力,确实有很大的进步且值得肯定。但在赶超的过程中,我们决不能简单照搬国外计划的内容与方案,而应深入消化吸收,并结合自身情况做出适合国情的选择与决定。
1.积极鼓励并大力发展原创的材料计算软件美国材料科学家已经通过不断改进计算方法,在计算预测模型上取得了不少成果,只是苦于一直没有合适的平台向制造业分享这些研究成果。材料基因组计划正是为他们提供了一个向材料科学家和制造商在内的整个材料科学界共享数据和计算工具的平台。当然在建立这个平台的过程中,随着交流与合作的加深,还将伴随计算工具与方法的不断改进与提高。而我国在材料计算软件上的开发几近空白,几乎没有自主知识产权的通用程序包。除了个别单打独斗的研究小组,我国材料计算大都依靠外国商用软件,在使用上有很大的局限性。因此,我国推动材料基因组计划的发展,首先亟需解决的是形成规模化的长期稳定的开发队伍,开发自主知识产权的各种模型、算法和大规模科学计算软件,摆脱国外软件的垄断和限制,为我国新材料产业的全面发展打下坚实的基础。
2.依托现有基础将数据库建设细化对材料的性能进行成功模拟和预测取决于2个基本要素,一是计算模拟方法和软件,另一个就是材料数据库。从材料领域的广度和深度,不难看到建立材料数据库将会是一项庞大的系统工程,需要政府、学术界、产业界通力合作,需要投入大量的人力物力和时间才能完成。高度规范化的系统数据库是决定这项计划成败的关键。美国政府也并没有从零开始建设,而是依托纳米技术知识基础设施计划的实施或者IBM和哈佛大学这样的机构自身的基础进行建设。我国可考虑依托“863”“、973”、国家科技支撑项目、国家自然科学基金等现有科技计划,对已完成项目的实验数据进行整理归纳,在统一的加工、标引与建设规范的指导下,逐步建设完成整个材料领域的数据库。2014年3月正式开通的“国家科技报告服务系统”,可系统查阅国家科技计划项目所产生的科技报告,涵盖国家科技投入产生的大量科技信息和数据。如果能够设计合理的字段与入口,也极有可能对材料领域的数据库的建设起到支撑与帮助作用。
纳米耐磨符合图层的运用
纳米材料颗粒之间都存在着范德华力、库仑力等,甚至有些颗粒还会和化学键结合,结果导致了陶瓷颗粒很容易出现团聚,而且颗粒愈小,团聚就越紧,在这种情况下,纳米材料应有的良好性能就比较难以充分发挥出来。就解决方式而言,一般通过施加机械能,或者引发化学作用这两种途径进行解决,不过硬团聚由于颗粒之间结合的比较紧密,单纯的通过化学作用是远不能够实现目标的,所以还需要另外施加一个比较大的机械力,例如剪切力、撞击力等。通过这些里对材料的结合力进行破坏。
纳米磁性液体在旋转轴中的应用
一般而言,对于静态的密封比较容易解决,通常可以采用塑料、金属、橡胶等材料制作的O型环当做密封的元件,将其密封。但对于动态的密封,特别是旋转条件下的密封则一直没有好的解决方式。在高速、高真空条件下一般不能进行动态密封,而纳米磁性液体则带来了一种新的解决方式。纳米技术对磁性液体在旋转轴中的应用取得了很大的促进作用。我国南京大学已经成功进行了多种磁性液体的制成,比如硅油、水基、烷基、二脂基等。而在磁性液体的应用方面,电子计算机的硬盘在防尘密封方面就普遍采用了磁性液体。而在剂的制造方面,对新型剂的制造也起到了较大的促进作用。
(1)纳米磁性液体在旋转轴中应用的尺寸效应在纳米技术领域,其显著成果之一就是在旋转轴中,对传统的尺寸单位进行了缩小,以前的计量单位级为毫米,而今则是纳米级,而1纳米仅相当于1毫米的百万分之一,如果运用在机械工程之中,那么机械的体积会因为纳米技术的应用而极大的降低,在此基础上就有了微型机械为代表的新型机械的诞生和生产。实际上,这种微型化并不仅仅是单纯意义上的尺度上发生了重大变化,而更多的是指可以成批进行制作生产微传感器、集合微结构、微驱动器、微电路等处置装置于一体的微型机电系统。系统中的大部分都运用了纳米技术成果,因此,从某种意义上说,其已经远远超出了传统机械的概念和范畴。可以说微型机械是以现代科学技术为基础,在整个纳米科技中具有重要地位,采用崭新技术路线和思维方式的具有划时代意义的产物。
李小红:……
纳米,听起来很神秘,其实它的定义很简单。纳米是迄今为止人类发现的比毫米、微米还要小的长度单位。在人类的发展历程中,人们把第一次工业革命称作是毫米时代。因为在此之前,人类对毫米还没有认识,恰恰是蒸汽机的出现,使人类需要精确到毫米。第二次工业革命被称作微米时代,由于有了电,人类认识了微电子,但是现在的微米范畴的能量已经达到了极限,正是在这种科技不断进步的前提下,人类又发现了纳米,纳米技术的出现将导致一次产业的新革命,人类将进入纳米时代。纳米技术在未来的应用将远远超过计算机工业,并成为未来信息时代的核心。纳米技术是对原子和分子的进一步驾驭,将引发一场比微米技术更为深远的大规模变革,甚至将改变人们的思维方式和生活方式。
【道具三:纳米二氧化硅、神铜节能修复剂】
主持人:我们现在研究出来的纳米产品都有哪些?
李小红:介绍研发出的产品,目前在国际或国内的技术地位……
工程中心研究出来的产品主要有可分散纳米二氧化硅系列产品、纳米铜合金系列产品、可分散纳米三氟化镧、纳米聚硅减阻增注剂。目前,科学技术转化为生产力的时间周期大大缩短,过去需要十年时间,现在需要五年,在纳米产业的国度中需要的时间更短,有的甚至仅需要三年的时间。我们工程中心是依托于河南大学特种功能材料教育部重点实验室,在那里有许多在科技前沿做基础研究工作的院士、教授、实验师。他们辛勤劳动得到的具有独创性科研成果在我们工程中心以最快的速度进行转化,转化为现实的产品,满足国民经济各个部门的需要,推动社会的发展。因此我们工程中心的研发出的产品在国内的技术地位是领先的,在国际上也是先进的。
主持人:这些纳米产品可应用于那些领域?
《新经济导刊》:据了解,今年联想之星与苏州地方政府联合投资了一个碳纳米管的项目,资金规模为1000多万元,具体详情怎样?
梁青:碳很奇妙,可以说是终极材料。纳米技术发展没多久,碳纳米管技术比较先进。现在其已经有量产的可能了,但在工业上还没有大规模地应用。我们投资进去,就是希望能帮它从实验室走到产业化。这是中科院苏州纳米所的一个项目,实验室阶段已经完成,因为成本很高,还不能实现大规模生产,没有完全产业化。联想之星今年投资进去,并帮助它成立了公司,是希望能帮助它进一步探索大规模生产的可能性。
《新经济导刊》:在纳米产业发展初期,很多都是偏早期项目,我们如何判断其价值?
梁青:我们判断这个产业是否能在10年后发展起来。长期投资不看具体项目,而是认准原理级或核心级的技术,一定会对未来发生影响。纳米就是这样的技术之一,东西到达纳米级后就会出现变化。而它一旦出现变化,都是革命性的变化,能够原来的体系。10年后,你就能看到真正产业化的成果。那时,你就会发现很多具体的东西和生活密切相关。
《新经济导刊》:在科技成果产业化过程中,作为机构天使,联想之星的作用是什么?如何处理与这些学研、技术出身的创业者的关系?
梁青:我们进入后,主要帮助企业制定战略规划,在企业管理、团队构建方面会有些建议,对他们的企业文化,让企业良性发展,会有些增值服务。此外,还有各种其他资源关系。因为,联想之星各方面的资源比较多。事实上,联想之星一个学年后,学员之间也会出现类似交叉的项目。
我们与创业者合作基本有两个方向:第一,引导科学家向企业家方向转型。做企业家和科学家概念不同、特征不同,两者要忍受的痛苦不同。做企业家必须有各种能力,不能有一方面弱,需要团结方方面面的人。第二,如果创业者愿意做科学家,就要有心胸能包容合作伙伴,未来可能就要退到董事长或首席科学家的位置上,让真正的管理人员进来发挥核心作用。
我们经常让创业者来选,往往开始时,他们不知道企业家是什么滋味,都想试试。通过试验和我们的培训,他们会感觉到做企业家到底需要改变什么。他就会思考,到底要不要成为企业家。其实,他们中很多都是已经功成名就的人,就会想,可能做科研更好,便退到首席科学家的位置。这是人的磨合,大家都把心胸打开,为了这个公司,为了这个事业。
《新经济导刊》:与物联网等相关产业类似,纳米技术问世也已有10余年时间,但现在,技术产业化过程并不理想。您认为,障碍在于什么?
梁青:纳米技术产业化面临的最大问题是:现在没有设备、没有原料、没有应用,一切都要从新开始。这也是我们在投资过程中面临的最头痛的问题。材料做出来了,但还得等6年才能实现部件销售,应用时间更长。因为周期长,投资额也很大。
同时,纳米技术是变革性的,不是改良性的。其产业化周期很长,需要产业链上下游的协调与配合。正常情况下,要先做出材料,再做出配件,再做出应用。但现实的情景是,很多部件企业会认为,上游材料没有大规模生产前,不敢冒然采用,而材料大规模生产至少要两三年,部件大规模生产也要两三年,应用同样如此。它们之间的矛盾很明显。
比如,富士康与清华合作做一个碳纳米管触摸屏的项目,富士康要求公司专门空出一条生产线专门配合这个项目,前期投资了3个亿,做了近5年时间,今年也不能说成功。手机设计部门就说,等材料大规模生产我再用,这是胶着的过程。虽然这个触摸屏好处是同样的性能比较便宜,但要达到同样性能要花很多功夫,并且要达到一定量才能降低成本,而生产规模放大还要投入很多。据了解,还要投资10亿元来做这个事。
《新经济导刊》:为什么纳米技术产业化不能做到“以企业为主体,政府主导”?对于科技成果产业化过程中的问题,政府能否起到一些作用?
梁青:打个比方,我是部件生产企业,它是最终产品生产企业,我做过很多部件,你来投资我来做这个部件,我就能做。但如果你在材料没大规模生产前就让我做,我就会说,这个没成熟,因为我不知道什么时候能收回成本,企业对投入、产出要求比较高。
事实上,只有像联想、3M等大型企业才会考虑三五年后的事情,一般的中小企业无暇,也没有实力去考虑长远。所以,它们就宁愿等着,反正没有威胁,它并不着急。而最着急的是新创立的企业,但它们也是干着急。很多纳米产业投资进去后,都出现越来越难熬的状况。
我们建议,能不能让政府投资,材料、部件、应用等三个层面的企业一起干。在遵循市场规律的同时,给予足够的扶持政策,消除企业对规模化生产的疑虑。这等于把一个串行动作,变成一个并行的。如果能做到这一点,产业就能非常快地推进,长远对行业是有好处的。据了解,苏州市政府正在研究这件事。
其实,各地都在依托自身条件,推动科技成果产业化,也都在考虑各自的产业规划布局。一些比较有眼光的地方政府,总会有一些机会。
《新经济导刊》:在纳米技术产业化过程中,国外有没有相应的成功经验可以借鉴?
梁青:在纳米技术领域,中国并不落后。但国外有更多的钱,更好的投资环境,企业不是那么急功近利,而国内中小企业功利性比较强。现在,很多地方政府和学研机构对科技成果产业化也有疑虑。国家科技经费投资研发出某项技术,后被企业以某种方式获取的状况时有发生。当然,更应该看到,技术如果一直放在研究所里就不值钱。
《新经济导刊》:资本的助力对纳米技术产业化来说也必不可少。现在,资本市场偏好投资中后期项目,而不愿意投资早期项目。纳米技术行业的融资环境如何?