不斷崛起的中國納米科研

過去二十年，中國的科研產出實現了人類有史以來前所未有的增長速度，這已不是什么秘密。1997年，中國的科研人員參與撰寫的科研論文約占科學引文索引（簡稱SCI，現由科睿唯安編制）期刊全球所發表的論文數量的2%。目前，中國幾乎貢獻了全球四分之一的原創論文。其中，最能突出展現這一發展趨勢的研究領域幾乎非納米科學與技術莫屬了。

納米科學的重點研究方向

通過分析Nano數據庫中發表于2014-2016年期間的涉及納米材料的論文，我們發現中國科學家對多種納米材料都有研究，其中最常見的是納米結構材料、納米顆粒、納米片、多孔納米材料和納米器件。這與其它納米研究強國最熱門的納米材料類別大同小異（如圖）。值得注意的是，中國對納米多孔材料的研究力度相對更大，有關納米器件的論文在過去三年有快速的增長。

新興的納米結構是指十大重點研究類別之外的，但在2014至2016年期間有更顯著科研產出增長的納米結構。在我們分析研究的八個納米科研強國中，超分子化學是最受關注的新興納米結構方向。除此之外，其他新興納米結構的研究，如富勒烯、DNA折紙術和納米凝膠等，在中國也有快速增長。而在其它國家，如美國、德國、韓國和日本，一個快速發展的研究領域是納米囊。

中國的專利產出

盡管專利只是基礎知識轉化為商用技術過程中的一小部分，但它通常是反映科研實際影響力的主要指標。科睿唯安的德溫特專利數據庫（DerwentInnovationIndex）收集了近二十年來納米科學與技術方面的專利申請數據。我們利用這些專利數據，對中國納米科研應用于納米技術的趨勢進行了分析。

以納米科技相關的關鍵詞和國際專利分類代碼為檢索策略，我們檢索了1997至2016年之間（基于最早優先權年或基本專利申請時間）申請的與納米科技相關的466,884個專利家族，結果發現納米技術方面的專利申請量在全球呈總體上升趨勢。專利申請量從1997年的2,826件增至2015年的51,389件6。其中，中國專利申請數量的增長尤為迅速，現已領先世界。同時，中國納米專利申請所涉領域非常廣泛，盡管各領域的增長模式各有不同。

中國的納米專利申請量位列世界第一，這與中國納米科研強國的地位相一致。過去二十年，中國的納米專利申請量累計達209,344件，占全球總量的45%，是美國同期累計申請總量的兩倍以上，美國是全球第二大納米專利貢獻國。自2008年起，中國的年度專利申請量即已超過美國，成為世界第一，其增長速度遠高于世界平均水平（如圖）。

很多對自己的研究成果或技術充滿信心的中國科研人員還會去申請國際專利,以求自己的專利技術能在其他國家也受到法律保護。中國的國際專利申請量近年來在穩步增長，從2000年的10件左右增至2014年的748件。但是，中國國際專利的增長遠不及其納米專利申請總量的飛速增長。與其它科技發達的國家相比，中國在國外申請的納米專利數量仍較少，僅占過去20年累積專利申請總量的2.61%，而在美國，這一比例高達近50%。一些歐洲國家，如英國和法國，有超過70%的納米專利都是非本國專利。

中國有五家機構，即中國科學院、浙江大學、清華大學、鴻海精密工業股份有限公司和天津大學，位列全球十大納米專利的機構申請者。其中，中科院自2008年即位居全球首位，過去20年總共申請了11,218件納米專利。有意思的是，位居前十的其他機構申請者，如韓國的三星集團、LG集團、日本的富士膠片公司和美國的IBM都是商業公司。而中國在專利申請中居主導地位的往往是科研和學術機構。這也許反映出中國科研人員很重視研究成果的應用轉化，以及中國科研機構在研發上的相對優勢。但另一方面，這也凸顯出中國企業在研發上的相對弱勢。

中國納米技術專利的覆蓋范圍

從全球范圍來說，納米專利申請主要集中在基本電氣元件和電子產品、化學和冶金、醫藥衛生、超微技術和材料等領域。近二十年來，與醫藥衛生類的器件和技術、高分子材料，以及催化和膠體化學相關的專利申請呈持續增長趨勢；而半導體器件相關的專利，雖然是最常見的納米技術專利類別，卻在2012年之后不斷下降。超微技術的專利曾在該段時間的前15年迅速增長，但在2011年達到頂峰后開始下降。

中國在多個熱門納米技術應用領域都有大量的專利申請，其中最多的是高分子合成和超分子化合物的專利。相比較而言，美國、日本、韓國主要申請的是半導體器件和電子產品的專利，其中美國半導體器件的專利申請總量位居全球第一（如圖）。這與Nano數據庫中涉及應用的科研論文的情況基本一致。

從專利增長趨勢上來看，高分子合成和超分子化合物是中國納米專利申請量增長最快的領域。這包括了涂料、打印墨水、染料、粘合劑、纖維材料和紡織品加工處理技術等。此外，催化等促成物理或化學過程的技術或裝置的專利申請，在中國的增速也很快。

展望中國納米科學技術未來

科研產出和專利申請數量的迅速增長，都描繪出中國納米科學發展的美好前景。不論是傳統的強項學科，還是新興領域，中國的納米科學都表現出巨大的潛力。但是，機遇與挑戰并存。為了對此有更深入的理解，我們采訪了中國納米科研界不同研究方向的專家。

機遇

在中國經濟持續增長，以及政府大力扶持和倡導科技創新的前景之下，中國的科技投入，尤其是對納米科學和技術的投入有望繼續增加。中國政府各部委和相關機構已制定了科研計劃，為納米科學和技術提供持續的經費支持。

這包括了科技部、教育部和自然科學基金委員會等中國主要的科研經費資助機構。最近五年，僅教育部就已為各高校撥付了逾5億元人民幣的納米科研預算資金。中科院也啟動了納米先導專項，投入了約10億元人民幣。

具體來說，大量優質資源被投入納米材料、表征技術、納米器件與制造、納米催化技術與納米生物醫藥等領域的基礎和應用研究中。在采訪中，專家們指出了納米科學幾個最具發展前景的領域。

催化

不少受訪專家認為，催化技術和納米催化材料是中國最有發展前景的納米科學領域。這一觀點并不出人意料，因為中國在該領域已擁有豐富的專業知識。以納米結構為基礎的催化劑能夠加快化學反應，因此在化學或化工產業及煉油行業有廣闊的應用前景。

例如，中國科學家最近研發了一種新的雙功能催化劑，能將煤氣化產生的合成氣直接轉化為低碳烯烴——生產塑料等材料的重要原料。他們的方法突破了煤化工業一直沿襲的費托合成的選擇性限制，大幅提高了轉化效率，并已經成功吸引了多家化工企業，共同開發催化劑制備和工藝過程，將這一原創性成果實現產業化。

工業需求的不斷增長會繼續推動納米催化劑的發展。中國有望繼續保持該領域的領先優勢。不過，受訪專家也認為，對納米結構進行更為精準的控制仍舊是一項挑戰，這需要能生產出高效率、高活性、高選擇性和長壽命的催化劑。

有些專家指出，合成一種新的催化劑并就此發表論文相對而言并不困難；我們真正需要努力的，是尋找新的合成方法和更好地控制組裝過程。而且，發表更多的論文并非唯一的目標。“它們（論文）真那么重要嗎？（合成的催化劑）真能用于工業生產嗎？”一位專家指出，他強調科研人員應該思考科研的價值，讓中國納米催化的發展更上一層樓。

能源 

能源的重要性和發展可再生能源的必要性已被廣泛認可，尤其是在中國——日益突出的環境問題已引起了政府的高度重視。中國致力于長期投資新能源的研究，這為中國納米能源的發展帶來光明前景。該領域的一位青年專家說：“納米技術在能源產業的應用有著廣闊的前景，我們很可能在接下來的5到10年里就會有重大突破。”據其介紹，太陽能產業的上游在中國，這為做新能源研發的科研人員帶來豐富資源，有利于他們挖掘源頭。由于中國政府具有強大的資源調動能力，因此開發納米能源技術和推廣可再生能源方面，中國比美國更有優勢。

中國某些領域的納米能源研究已引領世界，尤其是鋰離子電池的開發。最近，一個中國研究團隊發明了一種折疊式氧化石墨烯薄膜設備，能利用太陽能淡化鹽水，淡化過程中的熱量損失被降到最低，效率很高。

中國還有許多研究團隊正在為開發低成本、高效率的鈣鈦礦太陽能電池作出重要貢獻。

醫藥

與能源一樣，健康和醫藥與每個人的日常生活息息相關，這使納米醫藥成為一個新的充滿潛力的領域。該領域一位專家說：“納米醫藥令人振奮的地方在于它在診斷和治療上的應用。通過運用納米技術，我們能夠控制藥物釋放并更好地實現靶向治療。”

中國巨大的人口基數為臨床研究提供了大量案例和病人，這有助于促進納米醫藥的轉化研究。納米材料用于藥物傳送，以及納米粒子用來制成治療藥物，其潛力巨大。除此之外，受訪科學家們還對納米技術在醫療器械和醫學成像上的應用前景寄予厚望。

該領域一位專家說：“若將納米材料用到醫用電子設備或可穿戴設備，我們將會得到一些非常有價值的產品。”然而，與西方一些發達國家相比，中國的基礎生命科學研究和生物醫學研發仍較為薄弱。生物醫學專業知識的缺乏限制了納米醫藥的發展。

目前中國從事納米醫藥研究的科學家大多擁有化學或材料科學背景，但動物模型和臨床研究的經驗相對有限。一位納米醫藥專家說：“缺乏生物學和醫學知識，是我在研究中面臨的最大挑戰。”不過，中國政府已對生命科學和生物醫學進行大量投入，這些領域的高質量研究產出正在迅速增加。

挑戰

提升科研的社會影響力

中國政府對納米科學和技術有大量投入，旨在開發可用來產業化的技術，以促進經濟增長。然而，盡管學術論文發表量及專利申請量都很高，中國納米技術的產業影響力仍舊有限。納米科學和納米技術產業化之間仍存在差距。

多數接受采訪的納米科研人員都認為，政府需要在應用研究上有更多投入，以促進納米科研成果的轉化。“相對來說，我們國家對基礎性納米科學研究提供的支持還是很充裕的。”一名研究者說。“但是對應用研究的投入還是不夠。”他所說的應用研究是指以產品商業化為目標的研發工作。在一些研究人員看來，這類應用研究要比基礎性納米研究耗費更多的資金，一項產品或技術的產業化，或生產規模的相應提高可能需要數十億元人民幣。“企業在產品研發和商業化方面占有優勢，他們應該參與進來。”另一位研究者說。“他們（企業）作為納米技術開發和應用的重要參與者，應受到鼓勵在研發上有更大的投入。”

“在我看來，基礎研究就是產生新知識、新觀念或新想法，而應用研究則側重于能產生實際影響的應用和新產品。但是現在，許多人游走在兩者之間，因此有了許多重復研究。還有很多人只是跟風。我個人認為，我們要更加（重視）應用。”

目前，產業部門在一定程度上參與了進來。許多納米科研人員頻繁與企業開展合作，也有越來越多的企業愿意與大學或研究機構的科學家合作，為他們提供科研資金并一起研發新技術或產品。有些企業還大力投資研發，建立了自己的研究部門。但是這還不夠。中國納米科學的產業合作程度（以與產業界人士合著的論文所占比例來看）雖然在逐年提高，但與其他科研大國相比，仍舊較低。就像一位納米科研人員所說：“政府需要進一步鼓勵企業的研發工作，并優化有利于科技成果產業化的機制。”人們知道，要真正動員企業投入研發，就需要有完善的機制，為科學界和產業界架起一座對話的橋梁，簡化科技成果產業化的流程，并保持投資渠道通暢。

“如果問我最想看到什么變化，那就是對納米技術研發和應用研究的投入應該更大。”

如何加強納米科研成果的應用被認為是中國納米科學發展所面臨的最大挑戰之一。這是一項長期任務，相關研究者建議產業化過程需要循序漸進，并警惕急功近利的行為。中國政府承諾資金支持納米技術的全產業鏈發展，這是一大利好。為了擴大科研的社會影響力，科學家應在引導經費投資方向上發揮更大的作用，他們掌握前沿的科技知識，因此對顛覆性技術的預見力，要強于產業領袖或政策制定者。

平衡應用研究與基礎研究

實現科技成果轉化和產生積極的社會影響是納米技術發展的目標，但是基礎研究仍是應用的立足點與推動力。對大多數供職于大學或科研機構的科學家來說，他們的研究活動還是應該由科學上的好奇心所驅動。因此，當強調以應用為重心的科技創新時，保持基礎研究和應用研究之間的平衡就尤為重要。

世界上大多數意義深遠的創新都源于基礎科學的發現。然而，中國在真正的創新研究方面仍相對落后。為了實現從零到一，給真正的創新打好基礎，我們需要有更多高質量的基礎研究。就像一位研究者所言：“現在有很多針對應用的討論，但是（我們）同樣需要做更多的基礎研究來理解不同納米材料的基礎結構，并更好地控制這些結構。”的確，這是最終推動開發新型催化劑、高效太陽能電池和創新藥物傳送方法的根本。

“創新的種類有很多。中國研究者可能善于從1走到10（的創造發明），但從0到1的突破仍十分罕見，這對我們來說仍是一大挑戰。”

統計數據顯示，和多數西方國家相比，中國科研支出總量中通常只有一小部分用于基礎研究。這似乎與本白皮書中大多數受訪的納米科研人員的觀點相左。這可能是因為人們對基礎研究和應用研究有不同的定義造成的。自然科研在兩年前曾做過一次調查，當時受訪的科學家將納米科學和技術視為應用研究，而認為基礎研究指的是生命科學、物理科學或地質科學，因為沒有明確跡象表明它們能立即投入應用。但是，在目前這項研究中，大部分納米科研人員所認為的應用研究是轉化研究，也就是將實驗室的研究結果轉化市場上的產品。然而，就像一些研究者所建議的，或許商業公司應該在縮小產業化與科研之間的差距上發揮領導作用，而“教授的主要職責范圍應該仍舊集中于科學研究。”或者，如另一位研究者所說的：“只要你在做好的研究，不必太在意它是基礎研究還是應用研究。”

從這個意義上來說，給予科學家充分的空間，讓他們自由探索自己的創新想法，追隨自己真正的科學興趣才是關鍵。過于追求論文發表數量或專利申請數量，都會讓研究目的從發現新知識偏離到成為一種生產論文和專利的手段。

“加強研究的應用性非常重要，但是當科研評估過分強調（衡量）應用（價值）的定量指標時，專利申請能帶來的實際意義往往會被削弱，”

“研究就像高斯曲線——很糟糕的研究不多，但是具有深遠影響力的研究也很少。僅僅依靠引用次數并不是判斷研究重要性的好方法。”

鼓勵國際合作

在政府的大力支持下，越來越多有海外經歷的中國科學家回到國內工作。因此，受訪的納米科研人員相信，中國與其他國家的科研合作將會增加，國際合作網絡也會擴展。數位年輕的研究者介紹說，他們經常與海外的前同事、導師或同行開展合作，因為他們相互間已建立起密切的聯系。

十多年之前，中國的國際合作主要為了學習國外先進的專業知識或技術，而現在的國際合作則有所不同，更多是為了尋求知識和技能的互補。“不同國家的研究者有不同的背景，也有自己的專業領域。”一位納米科學專家說。“比如，我們最近與日本合作進行一個針對治療胰腺癌的基因表達干預項目。我們擅長處理納米材料，而日本研究者有扎實的醫學背景，以及動物模型方面的豐富經驗。我們就可以取長補短。”

此外，基于中國在納米科學一些領域的技術專長，中國在越來越多的國際合作項目中正在發揮重要的領導作用。“我們已經在能量轉換和存儲研究中處于領導地位，并在幾項新能源電池的合作項目中扮演重要角色。”一位專攻納米能源的研究者說。

就像一位資深研究者所說的，我們應該進一步鼓勵基于項目的合作，以便集中互補性的專業知識，提升研究的效率。盡管私人關系對合作非常重要，但“要想使合作研究真正可持續發展，培養合作的文化至關重要。”他表示，隨著人們日益意識到改善研究評估體系的必要性，一些可喜的變化正在慢慢發生。

加強學科間的合作

如前所述，納米科學本質上是跨學科的，它涉及許多不同的傳統學科，如化學、物理、工程學、生物和醫學等。從下一代計算機芯片到未來的癌癥治療，所有這些領域的發展進步都取決于我們對這個世界如何在納米尺度上運轉的理解。但是，即使是來自相近學科的研究者，比如物理和化學，他們往往用截然不同的語言描述自己眼中的世界。打破傳統學科之間的界限，建立真正跨學科的研究方法，對于促進納米科學和技術的發展至關重要。

“納米科學非常廣泛，其本質就是跨學科的，這符合不同科學領域一體化的全球趨勢。因此，我們需要更多的跨學科合作。”

跟隨全球趨勢，目前許多中國大學和研究機構都十分重視跨學科研究。然而，就像一位研究者所指出的，中國在跨學科研究上仍相對薄弱。“大多數科研資助機構，比如自然科學基金委，還是按照傳統學科分類來劃分資助項目，這其實不利于支持像納米科學這類跨學科領域的發展。”他說道。

但是，大部分受訪科研人員對這種按傳統學科劃分經費資助項目的做法并不十分介意，因為多數納米科學研究者是化學家，他們只要申請化學類資助項目就可以了。此外，自然科學基金委還有一些針對納米科學的專門項目，科技部也是一樣。然而，有些研究人員提出，跨學科研究如囿于有限的范圍內，就會阻礙納米科學的多樣化發展。多數時候，合作僅限于材料科學家或化學家，盡管也涉及某些不同的子學科方向。一個鼓勵化學家與生命科學家、環境科學家，甚至是地質科學家開展更廣泛的跨學科合作的機制，尚有待建立。

“目前，納米科學領域的跨學科合作范圍仍舊很窄。打個比方，大多數（研究納米科學）的人都是學化學或材料背景的，而有物理學或醫學背景的卻不多。從這點來看，真正意義上的跨領域交流還不夠……我們需要組織更多的跨領域交流的論壇，還要學習彼此的語言，才好展開相互理解的對話。”

培養年輕科學家

我們在采訪納米領域專家的時候，大家都會談到一個話題：寄望下一代研究者能有更多了不起的想法和靈感，推動納米科學的創新（所有學科都是如此）。利用好這一珍貴的人才資源，并不僅僅是確保中國的年輕研究者有足夠的研究經費，還要為他們的事業發展提供支持，或許更重要的是，讓他們能夠發出自己的聲音并傾聽他們的聲音。

中國政府已為年輕科學家提供大量支持，啟動了多項針對年輕科學家的高端資助項目。比如，自然科學基金委的國家杰出青年科學基金，中央組織部的青年千人計劃，還有中科院的百人計劃。這些項目并不限定特定的學科，讓入選的青年科學家能自由探索自己感興趣的領域。接受采訪的納米科學專家中有幾位在美國工作，他們說中國年輕的納米科學家從中國政府獲得的經費支持超過了美國或其他發達國家的同行。

但是經費申請的競爭正變得日益激烈，因為越來越多的青年科學家進入這個領域，或從國外歸來。雖然太過激烈的競爭可能會妨礙創新，但是大部分受訪青年科學家并不十分擔心經費的競爭，而是更強調軟環境的重要性。他們希望能有渠道來表達自己的建議或創新的想法。

“在中國科研圈里，新陳代謝的速度要比美國和其他發達國家較慢。我們需要更加努力地推動這個領域的研究更新……這不僅包括提供硬件設施或經費支持，軟環境同樣很重要。為了鼓勵新想法不斷冒出來，應該支持年輕科學家有更多的話語權。”

而且，當前許多面向年輕人的經費項目都是基于申請人已取得的科研成就。目前的評估體系也偏向于重視過往成就或海外經驗。這讓一些有才華的青年研究者可能永遠也得不到所需經費，一展宏圖。如何在事前選擇有潛力的研究者，這仍舊是一個難題，因此人才選拔機制需要加以改進。

培養人才應從優化教育開始。要發展納米科學，使之成為可持續發展的科學學科，提升其跨學科合作的程度，并提高研究質量，都離不開有針對性的教育項目。過去幾十年，隨著納米技術的高速發展，許多世界知名大學建立了納米科學和納米技術專業，培養這方面的碩士和博士研究生。2010年，蘇州大學與蘇州工業園區、加拿大滑鐵盧大學合作，成立了中國首個納米科學技術學院。為了培養納米科學領域的專業人才，該學院首創了連貫式的本科、碩士和博士課程，將教學、科研和納米科學與技術的應用結合在一起，是中國建立跨學科納米科學教育的首次嘗試。

為了滿足人們對納米專業人才不斷增長的需求，中國科學院也決定在中科院大學建立一所納米科學技術學院。這所新學院由國家納米科學和技術中心牽頭，著重把納米科學研究融入本科和碩博教育，旨在成為世界一流的培養具有納米科學和技術能力的跨學科人才的基地。國家納米中心主任指出，生物醫學、能源和信息技術等不同產業的發展，都需要有掌握納米知識的跨學科人才。納米科學技術學院還有助于建立一個新的知識框架，融合多個學科，促進人們對納米科學的理解，并使之成為學術系統中一個新的跨學科領域。

展望未來

50年前，實現對材料世界的納米級操控似乎還只是幻想。25年前，正在研發工具將這個幻想變為現實的人們甚至也不相信這些工具會在不久的將來催生納米技術的商業化。如今，機器已能將DNA分子鏈穿過納米級寬的孔來進行基因組測序，防曬霜里已有納米陶瓷粒子阻擋有害紫外線，制造計算機芯片的晶體管也只有10納米大小，這一切都是很平常的事。

中國納米科學和技術取得引人矚目的發展速度，這只有中國科技的發展是與之同步的。無論是科研產出總量還是影響力的科研產出，中國都是當今世界納米研究的主要貢獻者，并遙遙領先。這一成就主要是建立在化學和材料科學的傳統優勢之上。同時，中國也在納米科學應用于生物技術方面逐漸發展新的優勢。但如此快速的發展也不可避免地面臨著挑戰。

雖然納米科學由物理學家和化學家創立，但它已逐漸演化成一種在本質上具有跨學科、廣泛性、合作性特點的科學領域。其發展速度取決于是否能夠吸取各個不同學科的專業知識，也就是取決于物理學家、化學家、生物學家、材料科學家、臨床研究者和工程師是否能建立一種共同語言。這意味著研究機構、政策制定者和科研資助機構需要建立并擴大有利于跨學科合作的項目，并避免簡單地按物理學、化學、生物學和其他傳統學科來對研究項目進行分類。

第一個用來全面描述該學科的詞語是納米技術，而不是納米科學，這并非巧合。雖然這個詞在幾十年就被創造出來，早于納米科學工具的商業使用，但這個領域的指導原則一直都是利用這些工具，幫助我們建設一個更美好的世界。這并不是說不應當繼續去大力支持那些好奇心驅使的研究——尤其是這類研究常常能夠帶來意想不到的、改變世界的發現。但是，我們白皮書訪談中的專家們都一致認為，必須進一步縮小基礎科學和應用科學之間，以及應用科學到實際解決方案的距離。

最后，我們與專家交談得最多的話題——也是對中國納米科學的未來有最重要意義的話題，就是他們期待中國下一代的納米科學家能成為該領域科研創新的最有力源泉。自然科學基金委等科研資助機構對此并不會感到驚訝，因為他們已率先設立了面向青年科學家的資助項目。但是充足的經費并不能解決全部問題。教育同樣重要。國家納米中心等其他的中國機構已為此開發專門的課程，幫助學生掌握傳統的物理學、化學或生物學之外的廣泛技能。（摘自國家納米科學中心）