纳米这个概念，很多人早就听说过。曾经，“纳米鞋垫”“纳米能量杯”等五花八门的产品广告相当火热。然而，它们和纳米技术毫无关系。在被打假后，很多消费者认为纳米技术是骗局。
如今，纳米技术已和信息技术、生物技术并列，成为当今世界科技发展的三大重要支柱之一。比如，智能手机中有一百多个零部件都使用了纳米技术和纳米材料。还有新能源汽车中的动力电池，以及mRNA疫苗，都包含着纳米技术的应用。
“大概2010年之后，纳米技术真正用起来了，以纳米为噱头的炒作反而越来越少了。”中国科学院院士、国家纳米科学中心主任赵宇亮在接受库叔采访时表示，“随着纳米技术的科学普及，公众对待纳米技术的态度也回归了理性。”
赵宇亮指出，人类往前进入智能时代，是绕不开纳米技术的。目前，全球有60多个国家和地区展开了专项纳米研究计划。我国高度重视纳米科学研究和技术开发，成为国际上推动纳米科技发展的主要力量之一。纳米科技已经广泛应用于我国的信息技术、人工智能、量子技术、新能源、新材料、化工催化与绿色制造、大健康与新医学、类脑科学、深海、深空等领域。
纳米科技为何受到全球重视？当前，我国在纳米科技研究和应用方面进展如何？让我们一起来听听赵宇亮的讲述。
本文根据现场采访内容整理。
文 | 王乙雯 云贺 瞭望智库
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1进入智能时代最核心的技术
当今已进入到5G和数字化时代，然而，如果没有1981年扫描隧道显微镜的发明，为人们揭示了一个纳米世界，数字信息时代基本上不可能达到现在的水平。
没有纳米科技，现在的智能手机是不可能出现的，移动互联网也不可能存在。在智能手机的技术中，至少有8项获得了诺贝尔奖，其中大部分都跟纳米科技有关。可以说，智能手机是人类迄今为止最为复杂的科技集成，其中纳米技术起了决定性作用。如果我们回到1981年，当时就算可以造一栋像大楼一样规模的计算机，也实现不了现在智能手机的功能。正是纳米科技的出现，使芯片加工的密度越来越大，器件变得越来越小，同时纳米材料等新的材料又使得手机变得越来越薄，可以随身携带。
2022年6月21日，安徽庐江高新区一家工厂车间，工人在装配新能源汽车动力电池。图｜新华社记者 马姝瑞 摄
还有新能源汽车，其实也使用了大量的纳米技术，最典型的就是动力电池。只有使用纳米材料，比如隔膜、电解液等，才有可能让电动汽车的动力电池接近它的理论值上限（电池容量的最大极限）。
再如新冠mRNA疫苗的广泛使用。实际上，mRNA疫苗上世纪90年代就有了，但一直没有用到临床，主要的原因是没有合适的载体把转录新冠病毒刺突蛋白的 mRNA 递送至抗原呈递细胞内。随着纳米技术的不断进步，科学家们把脂质纳米颗粒（Lipid Nanoparticle，LNP）作为载体，成功将其输送进细胞，便产生了mRNA新冠疫苗。该疫苗的出现，把疫苗研发技术向前推进了好几代。
一些科幻小说和电影也提到了纳米科技，比如《三体》中切割一艘船的“飞刃”，还有连接太空电梯的缆绳。理论上现在的纳米材料（碳纳米管）是可以做到的，但这里有很多工程难题要解决。
早在20多年前，很多厂家就在打造纳米噱头的产品，实际上当时很多宣传都是不实的，一些企业会利用公众对新技术的兴趣来蹭热度。大概到2010年之后，纳米技术真正在企业中用起来了，以纳米为噱头的炒作反而越来越少了。从纳米材料到纳米加工再到纳米器件，越来越多的企业用纳米技术提升了自身产品性能。同时，科普对公众认知度的提升起到了很大作用，随着纳米技术的科学普及，公众对待纳米技术的态度也回归了理性。
人类进入智能时代，是绕不开纳米科技的——器件的加工、检测，还有材料等，都需要纳米科技。可以说，纳米科技是我们进入智能时代最核心的技术。
2为什么纳米可以变成一门科学
近年来，纳米科技持续受到世界各国重视，全球60多个国家和地区都展开了专项纳米研究计划。在我国，纳米科学与工程是跟化学数学物理一样的一级学科。
纳米本身是一个尺度，但它可以成为一个一级学科、一项科学与技术，而微米、分米却没有，这是非常值得探讨的事情。
【注：纳米（nanometer，nm）原称“毫微米”，1纳米=10的负9次方米（10亿分之一米），比单个细菌的长度还要小得多。假设一根头发的直径是0.05毫米，把它纵向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是1纳米。】
尽管纳米是一个尺度，它跟别的尺度有本质区别。单个原子的直径一般只有零点几个纳米，但单个原子是没有功能的，只有通过一定的方式排列形成一定的结构。在纳米尺度上，比如晶胞，这个结构再逐级放大到我们的宏观世界，从而产生功能。生命也是这样，从非生命到生命的过渡同样发生在纳米尺度。换句话说，在纳米尺度调控物质的功能是最高效的，在纳米尺度上去治疗疾病、调控生命过程，也是最高效的、最精准的。
这就是为什么纳米可以变成一门科学和技术——它的内涵远远超出了我们通常的尺度，它概括了在纳米尺度上发生的不同的物理化学或生物学的基本过程。
【注：纳米技术，指的是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的技术。1981年扫描隧道显微镜的发明，使人们打开了研究分子世界的大门，开始直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。与纳米相关的新兴学科有：纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等。】
美国最早提出了纳米技术的国家计划。2000年，美国总统克林顿宣布了国家纳米技术倡议（NNI），并在2001财政年度拨给NNI研究经费5亿美元。直到现在，美国还在继续这个国家计划，仅联邦政府（不包括州政府、企业和社会投入）就已投入超300亿美元。2021年发布的第七版《国家纳米技术计划(NNI)战略规划》动员全美参与，以确保美国在纳米科学发现、转化、相关产品制造方面继续处于世界领先地位。
我国高度关注纳米科技发展，纳米科技可能是我们在前沿科技领域里为数不多与世界同步发展的一个领域。2000年，中国成立了国家纳米科技指导协调委员会，又于2003年成立了国家纳米科学中心，并在国家中长期发展规划中部署了纳米科技研究计划。
3从核化学到纳米的一次转身
我是2001年回国后，从核化学领域转到纳米领域来的。此前我在国外做的是新元素探索，当时和同事发现了元素周期表中113号新元素Nh（鉨）。
赵宇亮。图 | 国家纳米科学中心提供
当时我有两个选择，一个是“吃老本”，因为我对新元素的发现做出了贡献，讲以前的功劳也能在学术界有自己的位置；另一个选择就是去挑战新的东西，或者去挑战别人没有做过的。我觉得科学家的勇气很重要，尤其是去走少有人走的路。失败没有什么大不了的，因为人类的科学技术没有经历失败，就不可能有现在的发达。大家看到的大多是成功的案例和结果，其实经历的失败要更多。
我回国后就一直想做一个新领域，那时候我才30多岁，如果到60岁我都要“吃老本”，还有二十几年，应该做点更有价值的事。
我经常跟学生讲一个观点，一个受过严格、系统、完整的科研训练的人，基本上可以做任何领域的科学研究。如果给你5年时间，你一定可以成为一个领域的专家。专家是什么概念？就是你可以跟这个领域的任何人进行对话，讨论科学问题，不管他是诺贝尔奖得主，还是研究员，或是普通学生。
当然，这需要花时间和精力。我刚转到纳米领域的时候，周围的人都不知道。晚上我从玉泉路下班后，会坐公交车到北大，偷偷坐在教室后面听课。当时建实验室发招聘，要找学生物的人到中国科学院高能物理研究所来，人家认为我是骗子，因为他觉得高能物理怎么会做生物研究。
我对生物安全方向的预判，是在一次国际学术会议上。当时我跟一个德国科学家聊天，他聊到了转基因食品，说欧洲国家的政府不支持也不鼓励，因为不知道它的安全性。我突然想到，现在我们做了这么多纳米材料，这些材料将来进入体内后，是否存在安全问题？这个启示让我开始调研，我发现纳米安全领域没有人做，全球都没有。
2001年7月，我给中国科学院打了个报告，说需要成立一个新的实验室，研究纳米材料的生物效应与安全性。当时任副院长的白春礼院士一听，就很高兴，因为他是纳米领域的领军科学家，他认为这个事情很重要，然后就开始做起来。
赵宇亮与学生们在实验室。图 | 国家纳米科学中心提供
4“纳米机器人”颠覆医疗技术认知
生物医药是纳米技术非常活跃的应用领域，那么纳米医疗都包含哪些内容？
中国科学院沈阳自动化所微纳米研究实验室研究人员展示肉眼看不见的细菌驱动微颗粒机器人。图｜新华社记者 姚剑锋 摄
一类是用纳米材料作为载体递送药物。比如，用纳米技术作为制剂，可以把非水溶性的小分子药物变成水溶性的，提升其在体内的成效性。再比如，用纳米颗粒作为载体可以把有些小分子药物或者大分子药物，包括基因药物、核酸药物等送到细胞里面去。
还有一类是把纳米材料本身作为药物，比如利用崭新的纳米结构或纳米特性，发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。但这一类现在研究还相对比较少，其优势还没有被充分发挥和应用于临床，未来会很大发展空间。
纳米药物研究虽然起步晚，但发展极其迅速，现在已经占到全球纳米科技研究的三分之一。除了纳米药物，纳米医疗器械的应用更为广泛，比如纳米材料制成的生物材料等。
还有医疗中用到的纳米机器人，也是近10年的研究热点。2018年，我国科学家第一个把纳米机器人应用到体内治疗，当时在全球引起了极大反响。我们把这个领域的研究推到了新的高度，从体外细胞用到了体内，向临床迈进了一大步。我们的体内实验，还有大规模制备，在国际上都是处在前列的。但进入临床的过程到底还有多久？我不好预测，现在正在动物实验中大力推进。
纳米机器人大概只有细胞的几十分之一大小，它里面可以装载药物或其他我们所需要的东西。我们把它注射到血管内，通过血液循环就可以去到需要的地方（病灶）。比如，它会到达血栓处把药物释放出来，处理完后会自己降解，然后通过代谢就可以排出体外了。
未来的肿瘤切除手术，我们可以直接注射一针纳米机器人，在体内就能治疗肿瘤。我们还可以通过AI设计，快速合成出只针对个人疾病的纳米机器人。这会颠覆我们对很多医疗技术的认知。
5连接科研和企业的4-6级到底难在哪
纳米技术的科技创新链分为9级，1-3级是基础研究，4-6级是成果的转移转化（工程化），7-9级是产业化。从纳米基础研究的世界指标来看，中国现在的基础研究各项数据都位于世界前列。2018 年，我国成为高质量纳米科学研究产出的引领者，但作为连接基础研究和产业桥梁的4-6级则是我们的短板。
2021年2月24日，在清华大学天津高端装备研究院表界面微纳技术研究所，实验人员展示研发成功的经亲水改性纳米涂层技术处理过的镜片和未处理镜片在遇水蒸气时的不同效果。图｜新华社发(孙凡越 摄)
4-6级到底难在哪？它实际上是做验证。比如在基础研究中提出一个概念、方法或原理，其验证就需要自己设计一套流程、方法和工艺，这要求研究者既要懂基础科学，也要懂工程。所以我们必须要有这么一批人，他们既能理解基础科学的发现发明创造，又能知道工程技术里的基本原理或者基本手段、基本路径。这两者的结合是最大难点。
同时，不是所有验证都行得通，基础研究有好的东西，但到了成果转化的工程阶段可能就没用，成不了产品。这时候还得要耐得住寂寞，才能真正把一项技术发展起来。人类现在这些有用的技术，都是通过多年不断地积累、迭代和更新才发展起来的。所以评价体制也很重要，如何评价这些人在过程中发挥的作用。他可能做5年、10年失败了，对工程来说没有办法，不“交学费”就找不到成功的路径或方法。这里面有很多难点，要理解技术落地的内在规律和需求，要有一套实事求是的评价方法。
有时候，成果的转化也需要经历一个很长的过渡期。假设一项技术需要10-20年才能完善，然后走向市场，但如果有100项技术在同时研发，那每年都会有新技术和产品出来，10年前不能达到的，也许今年就能出来了。所以我们需要一个研发的机制体制，保证持续不断有人在做，不断有成果出来。
作为创新主体，4-6级应该由企业去做。然而我国纳米企业的发展时间相对太短，研发能力还有待提高。1-3级的科研队伍非常庞大，这里的一部分人应该勇敢地站出来，跟企业结合，把提出的基本方法、总结的基本规律变成适配企业的技术和产品，否则企业拿到我们发表的新论文是没有用的，接不住，更用不了。
科研和企业的结合，有几个条件非常重要：
第一，科学家们发明创造的知识产权需要保护。在高校、科研机构的科研人员跟企业合作后，其科研成果如果跟自己没关系了，合作就进行不下去，过几年大家都不去和企业合作了。
第二，需要建立机制。这些发明创造大部分来自于国有资金，那么这些资金所产生成果该如何与市场对接？又该如何满足国家科技强国建设的需求？
第三，企业和科学家之间的信任，这非常重要。没有信任，也是做不下去的。
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6一定要在 “卡脖子”问题上不断有进展
国际上企业之间基本都是竞合关系。全球人口现在已超80亿，这么大的市场没有一个企业可以把全球的买卖都做了，竞合关系才是一个正常的世界关系。但是很遗憾，本来正常的竞合关系变成了零和博弈的对抗关系，这是不正常的。对中国来说，只有应对，没有别的办法。
我们早已预判到这种可能，国家也在体系化地应对，但是需要时间。我们一定要在解决这些“卡脖子”问题的路上不断有进展，这是很重要的。
在纳米领域，在诸如智能手机、新能源汽车、疫苗这些技术中，有的我们其实解决得比较好，有的因为前期积累还不够，这几年通过国内技术发展正逐步追赶。比如临床使用的生物材料、新能源汽车的一些核心技术、智能终端里的一些微纳加工技术等，正在不断地提升自给自足的能力。
【注：区别于传统机械加工毫米级的尺寸量级，微纳加工是制造微米和纳米尺寸量级微小结构的加工技术，尺寸范围在200微米以下到纳米甚至亚纳米级别（1微米＝1000纳米，亚纳米尺度是指在1纳米左右甚至1纳米以下的尺度）。这一加工技术起源于微电子，人们常提到的5纳米芯片、3纳米芯片就是运用平面微纳加工工艺制成。微纳加工技术是衡量国家高端制造业水平的标志之一。】
基础研究和核心技术的突破并不矛盾。首先，我们有足够大的科研体量，也就是科研人员；其次，我们现在有相对比较充足的科研投入、有国家的大力支持。只要机制体制、科研范式组织得当，基础研究和核心技术的突破可以同步发展，而且都可以做得很好。
在基础研究方面，我国纳米科技从跟跑到走在世界前列，甚至开始引领一些方向。要重点发力的是把我们的长板，也就是自己开创的一些方向做得更强，保持我们的领先地位。
在应用技术方面，目前从基础研究到产业之间成果转化的“桥梁”还没有真正搭起来。我们需要政府在中间把它搭起来，这应该是整个纳米科技发力的重点，实际上针对其他领域也是一样的。
新型举国体制让我们能够高效率办大事，尤其是需要集体攻关的时候，它起到了非常重要的引导性作用，目标明确且非常高效。最核心的是要发挥科学家和工程师群体的内驱力，让他们能够更高效工作、完成目标，把科学家个人的能力转化成国家能力。
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