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崛起的中国纳米材料科研和纳米科技前景

发布时间:2017-10-24 09:11:42

不断崛起的中国纳米科研

过去二十年,中国的科研产出实现了人类有史以来前所未有的增长速度,这已不是什么秘密。1997年,中国的科研人员参与撰写的科研论文约占科学引文索引(简称SCI,现由科睿唯安编制)期刊全球所发表的论文数量的2%。目前,中国几乎贡献了全球四分之一的原创论文。其中,最能突出展现这一发展趋势的研究领域几乎非纳米科学与技术莫属了。

纳米科学


纳米科学的重点研究方向

通过分析Nano数据库中发表于2014-2016年期间的涉及纳米材料的论文,我们发现中国科学家对多种纳米材料都有研究,其中最常见的是纳米结构材料、纳米颗粒、纳米片、多孔纳米材料和纳米器件。这与其它纳米研究强国最热门的纳米材料类别大同小异(如图)。值得注意的是,中国对纳米多孔材料的研究力度相对更大,有关纳米器件的论文在过去三年有快速的增长。

热门纳米材料

新兴的纳米结构是指十大重点研究类别之外的,但在2014至2016年期间有更显著科研产出增长的纳米结构。在我们分析研究的八个纳米科研强国中,超分子化学是最受关注的新兴纳米结构方向。除此之外,其他新兴纳米结构的研究,如富勒烯、DNA折纸术和纳米凝胶等,在中国也有快速增长。而在其它国家,如美国、德国、韩国和日本,一个快速发展的研究领域是纳米囊。


中国的专利产出

尽管专利只是基础知识转化为商用技术过程中的一小部分,但它通常是反映科研实际影响力的主要指标。科睿唯安的德温特专利数据库(DerwentInnovationIndex)收集了近二十年来纳米科学与技术方面的专利申请数据。我们利用这些专利数据,对中国纳米科研应用于纳米技术的趋势进行了分析。

以纳米科技相关的关键词和国际专利分类代码为检索策略,我们检索了1997至2016年之间(基于最早优先权年或基本专利申请时间)申请的与纳米科技相关的466,884个专利家族,结果发现纳米技术方面的专利申请量在全球呈总体上升趋势。专利申请量从1997年的2,826件增至2015年的51,389件6。其中,中国专利申请数量的增长尤为迅速,现已领先世界。同时,中国纳米专利申请所涉领域非常广泛,尽管各领域的增长模式各有不同。

中国的纳米专利申请量位列世界第一,这与中国纳米科研强国的地位相一致。过去二十年,中国的纳米专利申请量累计达209,344件,占全球总量的45%,是美国同期累计申请总量的两倍以上,美国是全球第二大纳米专利贡献国。自2008年起,中国的年度专利申请量即已超过美国,成为世界第一,其增长速度远高于世界平均水平(如图)。

纳米科学专利

很多对自己的研究成果或技术充满信心的中国科研人员还会去申请国际专利,以求自己的专利技术能在其他国家也受到法律保护。中国的国际专利申请量近年来在稳步增长,从2000年的10件左右增至2014年的748件。但是,中国国际专利的增长远不及其纳米专利申请总量的飞速增长。与其它科技发达的国家相比,中国在国外申请的纳米专利数量仍较少,仅占过去20年累积专利申请总量的2.61%,而在美国,这一比例高达近50%。一些欧洲国家,如英国和法国,有超过70%的纳米专利都是非本国专利。

中国有五家机构,即中国科学院、浙江大学、清华大学、鸿海精密工业股份有限公司和天津大学,位列全球十大纳米专利的机构申请者。其中,中科院自2008年即位居全球首位,过去20年总共申请了11,218件纳米专利。有意思的是,位居前十的其他机构申请者,如韩国的三星集团、LG集团、日本的富士胶片公司和美国的IBM都是商业公司。而中国在专利申请中居主导地位的往往是科研和学术机构。这也许反映出中国科研人员很重视研究成果的应用转化,以及中国科研机构在研发上的相对优势。但另一方面,这也凸显出中国企业在研发上的相对弱势。


中国纳米技术专利的覆盖范围

从全球范围来说,纳米专利申请主要集中在基本电气元件和电子产品、化学和冶金、医药卫生、超微技术和材料等领域。近二十年来,与医药卫生类的器件和技术、高分子材料,以及催化和胶体化学相关的专利申请呈持续增长趋势;而半导体器件相关的专利,虽然是最常见的纳米技术专利类别,却在2012年之后不断下降。超微技术的专利曾在该段时间的前15年迅速增长,但在2011年达到顶峰后开始下降。

中国在多个热门纳米技术应用领域都有大量的专利申请,其中最多的是高分子合成和超分子化合物的专利。相比较而言,美国、日本、韩国主要申请的是半导体器件和电子产品的专利,其中美国半导体器件的专利申请总量位居全球第一(如图)。这与Nano数据库中涉及应用的科研论文的情况基本一致。

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从专利增长趋势上来看,高分子合成和超分子化合物是中国纳米专利申请量增长最快的领域。这包括了涂料、打印墨水、染料、粘合剂、纤维材料和纺织品加工处理技术等。此外,催化等促成物理或化学过程的技术或装置的专利申请,在中国的增速也很快。


展望中国纳米科学技术未来


科研产出和专利申请数量的迅速增长,都描绘出中国纳米科学发展的美好前景。不论是传统的强项学科,还是新兴领域,中国的纳米科学都表现出巨大的潜力。但是,机遇与挑战并存。为了对此有更深入的理解,我们采访了中国纳米科研界不同研究方向的专家。

中国纳米科技前景


机遇



在中国经济持续增长,以及政府大力扶持和倡导科技创新的前景之下,中国的科技投入,尤其是对纳米科学和技术的投入有望继续增加。中国政府各部委和相关机构已制定了科研计划,为纳米科学和技术提供持续的经费支持。

这包括了科技部、教育部和自然科学基金委员会等中国主要的科研经费资助机构。最近五年,仅教育部就已为各高校拨付了逾5亿元人民币的纳米科研预算资金。中科院也启动了纳米先导专项,投入了约10亿元人民币。

具体来说,大量优质资源被投入纳米材料、表征技术、纳米器件与制造、纳米催化技术与纳米生物医药等领域的基础和应用研究中。在采访中,专家们指出了纳米科学几个最具发展前景的领域。



催化

不少受访专家认为,催化技术和纳米催化材料是中国最有发展前景的纳米科学领域。这一观点并不出人意料,因为中国在该领域已拥有丰富的专业知识。以纳米结构为基础的催化剂能够加快化学反应,因此在化学或化工产业及炼油行业有广阔的应用前景。

例如,中国科学家最近研发了一种新的双功能催化剂,能将煤气化产生的合成气直接转化为低碳烯烃——生产塑料等材料的重要原料。他们的方法突破了煤化工业一直沿袭的费托合成的选择性限制,大幅提高了转化效率,并已经成功吸引了多家化工企业,共同开发催化剂制备和工艺过程,将这一原创性成果实现产业化。

工业需求的不断增长会继续推动纳米催化剂的发展。中国有望继续保持该领域的领先优势。不过,受访专家也认为,对纳米结构进行更为精准的控制仍旧是一项挑战,这需要能生产出高效率、高活性、高选择性和长寿命的催化剂。

有些专家指出,合成一种新的催化剂并就此发表论文相对而言并不困难;我们真正需要努力的,是寻找新的合成方法和更好地控制组装过程。而且,发表更多的论文并非唯一的目标。“它们(论文)真那么重要吗?(合成的催化剂)真能用于工业生产吗?”一位专家指出,他强调科研人员应该思考科研的价值,让中国纳米催化的发展更上一层楼。


能源 

能源的重要性和发展可再生能源的必要性已被广泛认可,尤其是在中国——日益突出的环境问题已引起了政府的高度重视。中国致力于长期投资新能源的研究,这为中国纳米能源的发展带来光明前景。该领域的一位青年专家说:“纳米技术在能源产业的应用有着广阔的前景,我们很可能在接下来的5到10年里就会有重大突破。”据其介绍,太阳能产业的上游在中国,这为做新能源研发的科研人员带来丰富资源,有利于他们挖掘源头。由于中国政府具有强大的资源调动能力,因此开发纳米能源技术和推广可再生能源方面,中国比美国更有优势。

中国某些领域的纳米能源研究已引领世界,尤其是锂离子电池的开发。最近,一个中国研究团队发明了一种折叠式氧化石墨烯薄膜设备,能利用太阳能淡化盐水,淡化过程中的热量损失被降到最低,效率很高。

中国还有许多研究团队正在为开发低成本、高效率的钙钛矿太阳能电池作出重要贡献。


医药

与能源一样,健康和医药与每个人的日常生活息息相关,这使纳米医药成为一个新的充满潜力的领域。该领域一位专家说:“纳米医药令人振奋的地方在于它在诊断和治疗上的应用。通过运用纳米技术,我们能够控制药物释放并更好地实现靶向治疗。”

中国巨大的人口基数为临床研究提供了大量案例和病人,这有助于促进纳米医药的转化研究。纳米材料用于药物传送,以及纳米粒子用来制成治疗药物,其潜力巨大。除此之外,受访科学家们还对纳米技术在医疗器械和医学成像上的应用前景寄予厚望。

该领域一位专家说:“若将纳米材料用到医用电子设备或可穿戴设备,我们将会得到一些非常有价值的产品。”然而,与西方一些发达国家相比,中国的基础生命科学研究和生物医学研发仍较为薄弱。生物医学专业知识的缺乏限制了纳米医药的发展。

目前中国从事纳米医药研究的科学家大多拥有化学或材料科学背景,但动物模型和临床研究的经验相对有限。一位纳米医药专家说:“缺乏生物学和医学知识,是我在研究中面临的最大挑战。”不过,中国政府已对生命科学和生物医学进行大量投入,这些领域的高质量研究产出正在迅速增加。


挑战



提升科研的社会影响力

中国政府对纳米科学和技术有大量投入,旨在开发可用来产业化的技术,以促进经济增长。然而,尽管学术论文发表量及专利申请量都很高,中国纳米技术的产业影响力仍旧有限。纳米科学和纳米技术产业化之间仍存在差距。

多数接受采访的纳米科研人员都认为,政府需要在应用研究上有更多投入,以促进纳米科研成果的转化。“相对来说,我们国家对基础性纳米科学研究提供的支持还是很充裕的。”一名研究者说。“但是对应用研究的投入还是不够。”他所说的应用研究是指以产品商业化为目标的研发工作。在一些研究人员看来,这类应用研究要比基础性纳米研究耗费更多的资金,一项产品或技术的产业化,或生产规模的相应提高可能需要数十亿元人民币。“企业在产品研发和商业化方面占有优势,他们应该参与进来。”另一位研究者说。“他们(企业)作为纳米技术开发和应用的重要参与者,应受到鼓励在研发上有更大的投入。”

“在我看来,基础研究就是产生新知识、新观念或新想法,而应用研究则侧重于能产生实际影响的应用和新产品。但是现在,许多人游走在两者之间,因此有了许多重复研究。还有很多人只是跟风。我个人认为,我们要更加(重视)应用。”

目前,产业部门在一定程度上参与了进来。许多纳米科研人员频繁与企业开展合作,也有越来越多的企业愿意与大学或研究机构的科学家合作,为他们提供科研资金并一起研发新技术或产品。有些企业还大力投资研发,建立了自己的研究部门。但是这还不够。中国纳米科学的产业合作程度(以与产业界人士合著的论文所占比例来看)虽然在逐年提高,但与其他科研大国相比,仍旧较低。就像一位纳米科研人员所说:“政府需要进一步鼓励企业的研发工作,并优化有利于科技成果产业化的机制。”人们知道,要真正动员企业投入研发,就需要有完善的机制,为科学界和产业界架起一座对话的桥梁,简化科技成果产业化的流程,并保持投资渠道通畅。

“如果问我最想看到什么变化,那就是对纳米技术研发和应用研究的投入应该更大。”

如何加强纳米科研成果的应用被认为是中国纳米科学发展所面临的最大挑战之一。这是一项长期任务,相关研究者建议产业化过程需要循序渐进,并警惕急功近利的行为。中国政府承诺资金支持纳米技术的全产业链发展,这是一大利好。为了扩大科研的社会影响力,科学家应在引导经费投资方向上发挥更大的作用,他们掌握前沿的科技知识,因此对颠覆性技术的预见力,要强于产业领袖或政策制定者。


平衡应用研究与基础研究

实现科技成果转化和产生积极的社会影响是纳米技术发展的目标,但是基础研究仍是应用的立足点与推动力。对大多数供职于大学或科研机构的科学家来说,他们的研究活动还是应该由科学上的好奇心所驱动。因此,当强调以应用为重心的科技创新时,保持基础研究和应用研究之间的平衡就尤为重要。

世界上大多数意义深远的创新都源于基础科学的发现。然而,中国在真正的创新研究方面仍相对落后。为了实现从零到一,给真正的创新打好基础,我们需要有更多高质量的基础研究。就像一位研究者所言:“现在有很多针对应用的讨论,但是(我们)同样需要做更多的基础研究来理解不同纳米材料的基础结构,并更好地控制这些结构。”的确,这是最终推动开发新型催化剂、高效太阳能电池和创新药物传送方法的根本。

“创新的种类有很多。中国研究者可能善于从1走到10(的创造发明),但从0到1的突破仍十分罕见,这对我们来说仍是一大挑战。”

统计数据显示,和多数西方国家相比,中国科研支出总量中通常只有一小部分用于基础研究。这似乎与本白皮书中大多数受访的纳米科研人员的观点相左。这可能是因为人们对基础研究和应用研究有不同的定义造成的。自然科研在两年前曾做过一次调查,当时受访的科学家将纳米科学和技术视为应用研究,而认为基础研究指的是生命科学、物理科学或地质科学,因为没有明确迹象表明它们能立即投入应用。但是,在目前这项研究中,大部分纳米科研人员所认为的应用研究是转化研究,也就是将实验室的研究结果转化市场上的产品。然而,就像一些研究者所建议的,或许商业公司应该在缩小产业化与科研之间的差距上发挥领导作用,而“教授的主要职责范围应该仍旧集中于科学研究。”或者,如另一位研究者所说的:“只要你在做好的研究,不必太在意它是基础研究还是应用研究。”

从这个意义上来说,给予科学家充分的空间,让他们自由探索自己的创新想法,追随自己真正的科学兴趣才是关键。过于追求论文发表数量或专利申请数量,都会让研究目的从发现新知识偏离到成为一种生产论文和专利的手段。

“加强研究的应用性非常重要,但是当科研评估过分强调(衡量)应用(价值)的定量指标时,专利申请能带来的实际意义往往会被削弱,”

“研究就像高斯曲线——很糟糕的研究不多,但是具有深远影响力的研究也很少。仅仅依靠引用次数并不是判断研究重要性的好方法。”


鼓励国际合作

在政府的大力支持下,越来越多有海外经历的中国科学家回到国内工作。因此,受访的纳米科研人员相信,中国与其他国家的科研合作将会增加,国际合作网络也会扩展。数位年轻的研究者介绍说,他们经常与海外的前同事、导师或同行开展合作,因为他们相互间已建立起密切的联系。

十多年之前,中国的国际合作主要为了学习国外先进的专业知识或技术,而现在的国际合作则有所不同,更多是为了寻求知识和技能的互补。“不同国家的研究者有不同的背景,也有自己的专业领域。”一位纳米科学专家说。“比如,我们最近与日本合作进行一个针对治疗胰腺癌的基因表达干预项目。我们擅长处理纳米材料,而日本研究者有扎实的医学背景,以及动物模型方面的丰富经验。我们就可以取长补短。”

此外,基于中国在纳米科学一些领域的技术专长,中国在越来越多的国际合作项目中正在发挥重要的领导作用。“我们已经在能量转换和存储研究中处于领导地位,并在几项新能源电池的合作项目中扮演重要角色。”一位专攻纳米能源的研究者说。

就像一位资深研究者所说的,我们应该进一步鼓励基于项目的合作,以便集中互补性的专业知识,提升研究的效率。尽管私人关系对合作非常重要,但“要想使合作研究真正可持续发展,培养合作的文化至关重要。”他表示,随着人们日益意识到改善研究评估体系的必要性,一些可喜的变化正在慢慢发生。


加强学科间的合作

如前所述,纳米科学本质上是跨学科的,它涉及许多不同的传统学科,如化学、物理、工程学、生物和医学等。从下一代计算机芯片到未来的癌症治疗,所有这些领域的发展进步都取决于我们对这个世界如何在纳米尺度上运转的理解。但是,即使是来自相近学科的研究者,比如物理和化学,他们往往用截然不同的语言描述自己眼中的世界。打破传统学科之间的界限,建立真正跨学科的研究方法,对于促进纳米科学和技术的发展至关重要。

“纳米科学非常广泛,其本质就是跨学科的,这符合不同科学领域一体化的全球趋势。因此,我们需要更多的跨学科合作。”

跟随全球趋势,目前许多中国大学和研究机构都十分重视跨学科研究。然而,就像一位研究者所指出的,中国在跨学科研究上仍相对薄弱。“大多数科研资助机构,比如自然科学基金委,还是按照传统学科分类来划分资助项目,这其实不利于支持像纳米科学这类跨学科领域的发展。”他说道。

但是,大部分受访科研人员对这种按传统学科划分经费资助项目的做法并不十分介意,因为多数纳米科学研究者是化学家,他们只要申请化学类资助项目就可以了。此外,自然科学基金委还有一些针对纳米科学的专门项目,科技部也是一样。然而,有些研究人员提出,跨学科研究如囿于有限的范围内,就会阻碍纳米科学的多样化发展。多数时候,合作仅限于材料科学家或化学家,尽管也涉及某些不同的子学科方向。一个鼓励化学家与生命科学家、环境科学家,甚至是地质科学家开展更广泛的跨学科合作的机制,尚有待建立。

“目前,纳米科学领域的跨学科合作范围仍旧很窄。打个比方,大多数(研究纳米科学)的人都是学化学或材料背景的,而有物理学或医学背景的却不多。从这点来看,真正意义上的跨领域交流还不够……我们需要组织更多的跨领域交流的论坛,还要学习彼此的语言,才好展开相互理解的对话。”


培养年轻科学家

我们在采访纳米领域专家的时候,大家都会谈到一个话题:寄望下一代研究者能有更多了不起的想法和灵感,推动纳米科学的创新(所有学科都是如此)。利用好这一珍贵的人才资源,并不仅仅是确保中国的年轻研究者有足够的研究经费,还要为他们的事业发展提供支持,或许更重要的是,让他们能够发出自己的声音并倾听他们的声音。

中国政府已为年轻科学家提供大量支持,启动了多项针对年轻科学家的高端资助项目。比如,自然科学基金委的国家杰出青年科学基金,中央组织部的青年千人计划,还有中科院的百人计划。这些项目并不限定特定的学科,让入选的青年科学家能自由探索自己感兴趣的领域。接受采访的纳米科学专家中有几位在美国工作,他们说中国年轻的纳米科学家从中国政府获得的经费支持超过了美国或其他发达国家的同行。

但是经费申请的竞争正变得日益激烈,因为越来越多的青年科学家进入这个领域,或从国外归来。虽然太过激烈的竞争可能会妨碍创新,但是大部分受访青年科学家并不十分担心经费的竞争,而是更强调软环境的重要性。他们希望能有渠道来表达自己的建议或创新的想法。

“在中国科研圈里,新陈代谢的速度要比美国和其他发达国家较慢。我们需要更加努力地推动这个领域的研究更新……这不仅包括提供硬件设施或经费支持,软环境同样很重要。为了鼓励新想法不断冒出来,应该支持年轻科学家有更多的话语权。”

而且,当前许多面向年轻人的经费项目都是基于申请人已取得的科研成就。目前的评估体系也偏向于重视过往成就或海外经验。这让一些有才华的青年研究者可能永远也得不到所需经费,一展宏图。如何在事前选择有潜力的研究者,这仍旧是一个难题,因此人才选拔机制需要加以改进。

培养人才应从优化教育开始。要发展纳米科学,使之成为可持续发展的科学学科,提升其跨学科合作的程度,并提高研究质量,都离不开有针对性的教育项目。过去几十年,随着纳米技术的高速发展,许多世界知名大学建立了纳米科学和纳米技术专业,培养这方面的硕士和博士研究生。2010年,苏州大学与苏州工业园区、加拿大滑铁卢大学合作,成立了中国首个纳米科学技术学院。为了培养纳米科学领域的专业人才,该学院首创了连贯式的本科、硕士和博士课程,将教学、科研和纳米科学与技术的应用结合在一起,是中国建立跨学科纳米科学教育的首次尝试。

为了满足人们对纳米专业人才不断增长的需求,中国科学院也决定在中科院大学建立一所纳米科学技术学院。这所新学院由国家纳米科学和技术中心牵头,着重把纳米科学研究融入本科和硕博教育,旨在成为世界一流的培养具有纳米科学和技术能力的跨学科人才的基地。国家纳米中心主任指出,生物医学、能源和信息技术等不同产业的发展,都需要有掌握纳米知识的跨学科人才。纳米科学技术学院还有助于建立一个新的知识框架,融合多个学科,促进人们对纳米科学的理解,并使之成为学术系统中一个新的跨学科领域。


纳米技术未来

展望未来


50年前,实现对材料世界的纳米级操控似乎还只是幻想。25年前,正在研发工具将这个幻想变为现实的人们甚至也不相信这些工具会在不久的将来催生纳米技术的商业化。如今,机器已能将DNA分子链穿过纳米级宽的孔来进行基因组测序,防晒霜里已有纳米陶瓷粒子阻挡有害紫外线,制造计算机芯片的晶体管也只有10纳米大小,这一切都是很平常的事。

中国纳米科学和技术取得引人瞩目的发展速度,这只有中国科技的发展是与之同步的。无论是科研产出总量还是影响力的科研产出,中国都是当今世界纳米研究的主要贡献者,并遥遥领先。这一成就主要是建立在化学和材料科学的传统优势之上。同时,中国也在纳米科学应用于生物技术方面逐渐发展新的优势。但如此快速的发展也不可避免地面临着挑战。

虽然纳米科学由物理学家和化学家创立,但它已逐渐演化成一种在本质上具有跨学科、广泛性、合作性特点的科学领域。其发展速度取决于是否能够吸取各个不同学科的专业知识,也就是取决于物理学家、化学家、生物学家、材料科学家、临床研究者和工程师是否能建立一种共同语言。这意味着研究机构、政策制定者和科研资助机构需要建立并扩大有利于跨学科合作的项目,并避免简单地按物理学、化学、生物学和其他传统学科来对研究项目进行分类。

第一个用来全面描述该学科的词语是纳米技术,而不是纳米科学,这并非巧合。虽然这个词在几十年就被创造出来,早于纳米科学工具的商业使用,但这个领域的指导原则一直都是利用这些工具,帮助我们建设一个更美好的世界。这并不是说不应当继续去大力支持那些好奇心驱使的研究——尤其是这类研究常常能够带来意想不到的、改变世界的发现。但是,我们白皮书访谈中的专家们都一致认为,必须进一步缩小基础科学和应用科学之间,以及应用科学到实际解决方案的距离。

最后,我们与专家交谈得最多的话题——也是对中国纳米科学的未来有最重要意义的话题,就是他们期待中国下一代的纳米科学家能成为该领域科研创新的最有力源泉。自然科学基金委等科研资助机构对此并不会感到惊讶,因为他们已率先设立了面向青年科学家的资助项目。但是充足的经费并不能解决全部问题。教育同样重要。国家纳米中心等其他的中国机构已为此开发专门的课程,帮助学生掌握传统的物理学、化学或生物学之外的广泛技能。(摘自国家纳米科学中心)


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