纳米技术之发展现况

本文作者:admin       点击: 2003-03-01 00:00
前言:
摘要
    纳米科技正在创造新一波的技术革命与产业,它对人类生活的影响将是全面的,不仅将改变我们制作事物的方法,同时也会改变我们所能制作事物的本质。本文将针对美国、欧洲、日本、中国大陆及台湾地区目前纳米科技发展之现况,作一综合性的介绍。

1. 绪论
    纳米是对物质尺寸的描述,1纳米(nm)长度为10-9米。在纳米尺度下,一般指介于1nm至100nm间,物质的特性,不归属于古典物理的巨观视界,也不属于量子物理下的微观行为,而是呈现所谓的介观现象。在介观尺度下,由于电子、光子、声子自身与彼此之交互作用,材料、组件及系统会展现出显着改善或全然不同的物理、化学及生物特性和现象。纳米技术主要目标即是藉由掌控原子、分子或巨分子尺度的结构或装置来探索这些特性,并有效率的制造或使用这些装置。
    纳米技术已成为世界各国科技发展的重点之一,诺贝尔化学奖得主Richard E. Smalley教授于1999年6月22日美国参议院的纳米科技听证会上强调:「纳米科技对未来人类健康及生活福祉之贡献绝对不亚于本世纪微电子产品、医学影像、计算机辅助工程、人造高分子材料等之总合贡献。」;Zyvex公司Principal Fellow- Dr. Ralph Merkle在听证会上亦作证说明:「纳米科技将完全取代目前所有生产制程,而开发出更新颖、更精准、更价廉、更具弹性之产品制造技术。」;美国IBM公司首席科学家John Armstrong表示「正像二十世纪七十年代微电子技术产生了信息革命一样,纳米技术将成为下一世纪信息技术时代的核心。」。
    这些看法皆显示纳米科技的重要性,没有一个国家、一个公司可以轻忽它的重要性,也因此必须有整体策略面的推动。目前美国、欧洲及邻国日本均已投入相当大的资源从事纳米科技研发,台湾地区亦将纳米技术列为重点科技发展项目,期待能在纳米新世界展开的时候,取得有利的竞争优势。
    1997年世界各国政府投资就接近5亿美元;西欧1.28亿美元;日本1.2亿美元;美国1.16亿美元,其它国家和地区总计7000万美元。根据纳米材料发展趋势以及它在21世纪高技术发展所占有的重要地位,各国政府都在部署并规划未来10至15年有关纳米科技的发展,表1为全球纳米科技投资概况。
本文将针对美国、欧洲、日本、中国大陆及台湾地区目前纳米科技的发展现况,做一综合性的介绍。

2. 各国纳米科技之发展现况
    1996至1998年间,美国世界技术评估中心(World Technology Evaluation Center,简称WTEC)的专题小组,进行了一项世界纳米粒子、纳米结构材料、纳米器件开发状况和趋势的研究,有两个重要的发现:一是人类可以将材料制成纳米结构以得到全新的性能,这也是此一领域的基本主题,即透过纳米构型(nanostructuring)得到新性能;它象征着人类控制材料的能力处于一个全新变革时代的开始,在纳米尺寸下进行材料的合成与控制,能够以前所未有的方式得到新的材料性能和零件特性;其次是对纳米科技发展有所贡献的学科范围极广,纳米构型的跨领域活动水准迅速提高,令人振奋,其重要性也不断增加,而许多新活动就在各学科之间的交叉点上。
    尽管这一领域的许多方面在科学家们给纳米科技定义前已存在,但是只有透过以下三股技术洪流汇合,才看出一个明确的方向:一是纳米级构件尺寸和控制新的改进和控制手法;二是纳米级材料的最新发展和改进的特征(空间分辨率、化学灵敏度等);三是对纳米结构和性能之间关系以及如何控制这些关系的新认识。
    目前,在纳米材料合成与组装方面,美国领先,其次是欧洲,然后是日本;在生物方法及应用方面,美国与欧洲的水准相当,日本位于二者之后;在纳米级分散体和涂料方面,美国与欧洲并驾齐驱,日本随后;在纳米材料方面,美国显然领先于欧洲,日本居后;在纳米零件领域,日本独占鳌头,欧洲和美国居其后;而满足增强型材料方面,日本明显领先美国和欧洲。

2.1 美国
    美国是最早成立纳米科技研究中心的国家。不过,1996年以美国国家科学基金会为首的十多个联邦政府委托世界技术评估中心(WTEC)的调查发现,美国(1.16亿美元)在纳米技术研究经费投资上不仅落后于西欧(1.28亿美元)和日本(1.2亿美元),甚至在纳米技术上更不具优势,美国仅在纳米材料合成、纳米化学制品和纳米生物学方面领先。这两项评估结果,使得美国不得不急起直追。
    1997年,美国国防部将纳米技术提升到战略研究领域的层面;1998年,美国总统科学顾问尼尔‧莱思博士在国会听证会上强调纳米技术的重要性,他说:「未来会取得重大成就的和最有希望的科学技术是纳米技术。」
    1999年1月,美国国家科学技术委员会设立纳米技术工作小组,同年9月又提出国家纳米技术计划 (National Nanotechnology Initiative,简称NNI)。在柯林顿宣布把纳米技术研究列为重点政策之后,美国政府于2000年2月7日发表一份关于纳米科学、纳米工程和纳米技术的报告,标题是「纳米冲击」,震撼了全世界。另外,1999年7月8日『Nature』杂志刊登一篇题为「美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴起」的文章,文中报导美国政府预计在三年内对纳米技术研究经费投入加倍,从2.5亿美元增加到5亿美元。而1999年8月19日美国Business Week也指出美国政府决定把纳米技术研究列入21世纪前10年头11个关键领域之一。
    2000年1月21日,美国前总统柯林顿发表了「国家纳米技术策略」,宣布成立国家纳米研究机构,力争美国在纳米技术领域的主导权。之后,美国政府决定拨款5亿美元进行纳米技术研究
    美国政府之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视,原因有两个:一是德国国家科学技术部于1996年对2010年纳米技术的市场做了预测,估计能达到14400亿美元获利,美国试图在这个诱人的市场中赢得先机。美国基础研究的负责人威廉姆斯说:「纳米技术的应用将远远超过计算机工业。」美国白宫战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最重要的组成部分。在『自然』杂志的报导中,特别提到美国一方面已在纳米结构组装体系,高比表面积纳米颗粒制备与合成方面领先世界,另一方面在纳米功能涂层设计、纳米材料应用于生物技术和欧洲并列世界第一,而与纳米体积一样大小的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。
    1999年7月,美国加州大学洛杉矶分校与惠普公司合作研发成功100纳米芯片,而美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年成功研制量子磁盘,这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米数组体系,密度已达19纳米。
    早在1988年法国人就发现了巨磁电阻效应,到了1997年,以巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世,在磁储存、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。2000年底,美国柯达公司研究部成功研发一种具有颜料和分子染料功能的新型纳米粉末,预计将为彩色照相带来革命性的变革。纳米粉末材料改良了橡胶、颜料及陶瓷制品的特性,并很可能给传统行业和产品注入新的高科技元素,在未来市场上占有一席之地。
    2003年美国将持续增加纳米科技的投资,预计投入6.79亿美元。同时为了在纳米科技的投资能获广泛冲击,国家科学基金会在整个研发策略上也力求五项纳米工作领域能均衡发展:
(1)基础研究与教育:纳米尺度生物系统、纳米尺度结构、新行为及量子控制、组件与系统建造设施,纳米尺度环保制程、纳米尺度仿真与模式研究。
(2)重大挑战项目:包括设计操控纳米结构材料;纳米尺度电子组件、光电组件及磁性组件;纳米尺度生产制程、催化剂、化学生产、环保及健康。
(3)卓越中心:提供支持新研究与教学中心,进行跨领域纳米尺度仿真及模式研究,提供设施从事纳米加工实验。
(4)研究设施方面:改进纳米尺度检测、制程及操作设备及软件。
(5)提供学生奖学金,规划纳米科学与工程相关课程,俾培育人才。

此外,国家科学基金会更准备于五年内投入6,500万美元,支持六个纳米技术中心,包括:
(1) Columbia University- Center for Electronic Transport in Molecular Nanostructure
(2) Cornell University- Center for Nanoscale Systems in Information Technology
(3) Harvard University- Center for the Science of Nanoscale Systems and their Device Applications
(4) Northwestern University- Center for Integrated Nanopatterning and Detection Technologies
(5) Rensselaer Polytechnic Institute- Center for Directed Assembly of Nanostructure
(6) Rice University- Center for Biological and Environmental Nanotechnology

    而在最近美国总统小布什提出2003年「国家纳米技术创新计划」预算书,投资金额再创新高,达到6.79亿美元,投资分布于各部门,如表2所述;。其中的主要投资还是在基础研发部分,以及组成中心与网络之间横向沟通关系。优先发展的课题为:1. 发展有效率的纳米产业;2. 生化放射、易爆物质的侦测与防护;3. 新一代工业劳工的教育与训练;4. 纳米科技产业革命的劳资关系与政策。
2.2 欧洲
    近年来,欧洲也先后启动了「纳米技术信息组件」5年研究计划(1999-2003),其中该计划的主要目标是:(1)开发纳米尺度范围的新结构和信息处理及储存系统,以达到超高性能;(2)开发新的纳米尺度的组件(从量子组件到生物分子组件);(3)开发为加工10纳米以下结构的技术和设备,为微电子学技术向纳米电子学技术过渡作技术和设备上的准备。
另外,仅在1999年,欧洲就已实施近20项纳米研究计划,其中包括:「纳米生物技术与医学研究计划」、「DNA分子电子学及组件研究计划」、「纳米机械研究计划」等等领域。
除此之外,欧洲各国根据本国纳米技术的发展需要,也先后提出大量的纳米技术研究计划。
例如德国的19家研究机构已在卡尔斯鲁厄研究中心签署一项合作协定,建立一个遍布全德国的研究网,共同研究「21世纪关键技术」的纳米技术。
    英国在1990年代初期就已先后实施三项有关纳米技术的研究计划,现在有上千家公司和30多所大学、7个研究中心积极进行纳米技术的应用开发。并制订出「纳米技术联合研究计划」,在电子学、光学、机械工程等领域遴选了8个重大项目进行研究。
法国于2000年11月在法国东南部的格勒诺布尔市建立了一个大型微米纳米技术研发中心,并计划于2004年建成运转。该研发中心的总投资为8亿法郎(约4.5亿美元),建成后将有3000至3500名研究人员在此从事以微米和纳米技术的研发工作,从事包括了先进组件和系统(微系统、微型医疗仪器、微型屏幕显示器、生物芯片和大容量存储器等)和先进通信器材(大容量高速通信系统、汽车通信设备、移动电话和智能家用电器等)等领域的研究工作。
至于瑞士、丹麦、荷兰、瑞典、俄罗斯等国,也都各自致力于纳米技术的有关研究。

2.3 日本
    日本早在70年代,政府与企业就开始重视零组件,并朝超微小的方向发展,因此在纳米组件制造与材料研发上,一直在世界上处于领先地位。1998年,日本政府就提出「纳米结构研究计划」和「微机电研究计划」,为期十年。2000年11月21日,日本又确定了将成为政府科技政策的「下期科技基本计划草案」(2001至2005年度)。该基本计划草案将纳米技术做为国家研究开发投资的重点领域之一。
    目前,日本仍处于纳米材料的研究阶段。然而,一直关注美国纳米技术政策的日本经济团体联合会早就开始研究对策,在2000年7月18日提出一份名为「开创21世纪的纳米技术」的报告。同年8月,大阪大学产业科学研究所教授川合知二拜访当时的科技厅长官大岛理森,说明了「日本的纳米科学和纳米技术策略」及其重要性。因此,日本重新认识到:纳米技术的运用领域广泛,除了电子和信息科技领域,也可以应用在生命科学、生物技术和环保等领域,是21世纪不可缺少的基础科学技术。
    日本正在加紧建立国家级的纳米技术研究体制,科技厅下的金属材料技术研究所和无机材料技术研究所将合并为「物质材料研究所」,设立「纳米材料研究中心」,建立与大小企业进行联合研究的体制。另外,通产省还将成立产业技术综合研究所,建立「纳米技术国际财团」,从事纳米材料技术和半导体装置技术的开发。
    日本科技政策的最高决策机构-科学技术会议-还设立推进纳米技术策略有关措施的座谈会,拟定以纳米技术研究为主要内容的报告,并将纳米技术研究列为下一个科技基本计划的重点课题之一。
    日本经产省在2001会计年度与纳米科技相关的预算经费为202亿4000万日圆,其中载明有纳米技术的项目预算额为54亿8400万日圆。而文部省2002会计年度的纳米技术相关研究预算编列费用,将比前一年度增加1.5余倍,约为301亿日圆。据估算,日本2002会计年度与纳米科技相关的研究费用,至少超过415亿日圆。
    此外,民间企业申请研究补助经费也年年提高,日本的经济产业省自2001年3月起一整年度,供研发单位与民间企业申请纳米合成技术等领域的研究补助经费,从2000年的16亿圆,扩增为2001年度的40亿圆,并增设「纳米碳管」研究领域,并从今年起开始编列预算,提出至少5年的研究计划。
    目前东京大学、大阪大学、东京工业大学、东北大学等,都成立了纳米技术研究中心。尤其大阪大学,今年四月又刚成立「产业科学纳米技术中心」,一口气设置了材料和生技等十个部门。至于业界部分,像是三井物产(Mitsui)、三菱商事(Mitsubishi)、富士通(Fujitsu)、日立(Hitachi)等都已跨入纳米研发工作。