前言

纳米技术表现为，采用单个原子或分子来制造物质产品的一种工艺方法。同时，它还研究产品结构大小，在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术是现代科技的一项综合产物，它体现着混沌物理、介观物理、量子力学、分子生物学等现代科学思想，体现着计算机技术、微电子技术、光子扫描隧道显微镜技术、核分析技术等现代技术工艺。同时，它的发展，又会导致一系列新颖科技成果的诞生，并促使科学技术朝着纵深挺进，形成纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米电子学、纳米光子学、纳米计量学，以及纳米制造技术、纳米加工技术、纳米组装技术等新理论。

作为世界头号科技强国的美国，高度重视发展纳米技术，多年来，在纳米技术研究开发方面，占据资金投入和人才供给优势，从而使其拥有的纳米技术及物质成果，一直保持世界领先水平。

1999年，美国在学术界、工业界和政府部门遴选150多位专家，专题讨论本国纳米技术发展问题，进而确定这项技术的研究和发展方向，在此基础上，制定美国国家纳米技术研发的长期发展规划，用以指导全国纳米技术及其相关产业的发展。到2003年12月，布什总统签署《21世纪纳米研发法案》，掀起美国纳米技术发展的新高潮，使纳米话题在美国备受人们关注，成为基础科学研究和应用技术开发的新热点，纳米产业也成为风险投资的一道热门风景线。

为了保证纳米技术快速成长、优势发展，美国采用的一项重要措施，是加强纳米技术领域的资金投入。2001年，美国国家纳米技术发展规划的预算为4.65亿美元，到2004年猛增到9.61亿美元，在短短3年时间内实现投入资金翻一番。在美国联邦政府大力扶持纳米技术发展的同时，各州地方政府也努力推进当地的纳米产业建设，有关资料显示，2004年美国各州投入纳米技术研发的科研经费，已达4亿美元。此外，美国企业和其他私营部门在纳米技术领域的投资，更是十分可观，多年来，其资金量都超过联邦和地方政府的总和。

在高投入的刺激下，美国纳米技术新成果大量涌现，成为世界上申请有关纳米技术专利最多的国家，到2005年年初，美国已拥有近8000个纳米技术专利。这些专利主要集中在半导体材料及芯片、癌症诊断与治疗、光学新材料和生物分子追踪技术等方面。

近年来，在美国，纳米技术专利，推动纳米产品持续增长，并迅速进入生命周期的快速成长阶段，占据越来越大的消费市场份额。所谓纳米产品，是指在生产加工过程中，应用了纳米技术或纳米级原材料的制成品。目前，在美国市场上随处可见纳米产品，如纳米刀具、纳米玻璃、纳米布料、纳米染料、纳米黏合剂等。美国有个专门统计纳米技术产品的机构，2006年3月，开始建立全球首个在线纳米技术产品目录时，产品总数只有212种。到2008年4月28日，它发布的已登记纳米消费产品目录，已上升到609种。这段时间里，平均每周有三四种新纳米技术消费产品进入美国市场。

2010年以后，美国纳米技术向着更加广阔的纵深拓展，其中表现之一，是纳米产品原料来源更加丰富。此间，美国除了继续开发纳米级银微粒、碳纳米管、纳米级氧化锌、纳米级二氧化钛、纳米级硅、纳米级金微粒等纳米原料外，又动用大量科研力量和资金，集中研制典型纳米材料石墨烯，以及用它为原料生产的产品，并取得长足进展。就电子产品来说，2011年开发出石墨烯晶体管、石墨烯集成电路，2012年研制成超强功能石墨烯电容器，2013年制造出全石墨烯无缝集成电路架构。

本书密切跟踪美国纳米技术研发的前沿信息，所选材料限于本世纪以来的创新成果，其中98%以上集中在2004年至2013年的十年期间，少部分内容由于写作需要，适当向前面的年份延伸。本书披露了大量鲜为人知的纳米技术创新信息，可为遴选纳米技术研究开发项目和制定相关科技政策提供重要参考。

本书由9章内容组成，大体可以分为两个部分。构成第一部分的是第一章至第三章，主要从一般意义上阐述纳米技术领域的创新信息。第二部分，包括第四章至第九章，共有六章内容。先分章阐述电子信息、光学、新能源、新材料，以及生命健康领域纳米技术的新进展。最后一章，由于搜集到的材料有限，把航空航天和环境保护领域纳米技术的创新信息组合在一起。本书的内容梗概大体如下：

第一章纳米原理与功能研究的新进展。美国在纳米原理研究领域的新成果：破解碳纳米管形成的奥秘，揭开“纳米金刚石”的秘密，用计算机模型预测纳米管破裂机制。直接观察纳米尺度下磁性原子的相互作用，发现铁电体的“敏感”来自其材料内部的混乱，发现可提高光电效能的黄金纳米粒子微观通道。在纳米尺度上研究爆炸物的内在机制，运用纳米原理首次打破黑体辐射定律。

美国在纳米性质研究领域的新成果：发现纳米量子点能够互相通讯，发现纳米管可释放电子，发现“纳米管水”近绝对零度时也不结冰。发现圆柱形纳米颗粒在病人体内运输药物效果优异，发现核糖核酸递送纳米粒子系统能关闭特殊基因，发现纳米粒子可伪装成血细胞对抗细菌感染。发现铁电纳米盘和纳米棒记忆存储新特性，发现纳米催化剂电荷转移的证据，首次证实微生物纳米线具有导电性。

美国在纳米结构与功能研究领域的新成果：发现高分子纳米复合材料的三维分子结构，发现纳米材料结构塑性形变的新现象，发现氢可调控氧化石墨烯的化学结构和特性，发现珠母贝的纳米级复杂结构。发现金纳米粒子可作为微小的加热器，发现金纳米粒子层可改善太阳能电池转换效率，发现石墨烯可成为防金属腐蚀的理想涂层。发现纳米级铁镍合金磁盘可杀死癌细胞，发现磁性纳米粒子和交变磁场可“联手”治癌，发现纳米银微粒能抗艾滋病病毒。

第二章纳米制造及产品的新进展。美国在纳米粒子制造领域取得的新成果：用纳米刻蚀技术研制出能充分伸展的单晶硅，研制出能增强光线的双层纳米晶体。利用DNA分子装配纳米颗粒，用纳米粒子与DNA按照设计制造出全新晶体，开发出可关闭疾病相关蛋白质的编程纳米粒子，制成可传递药物直入大脑的磁电纳米粒子。用碳纳米微粒巴基球研制抗辐射药物，用纳米粒子制造出半导体气凝胶。

美国在纳米管制造领域取得的新成果：研制成高性能纳米管，研制出数百米超长碳纳米管，提高微型磁纳米管实际效用。合成杀死细菌的纳米管，用碳纳米管仿制骨胶原纤维，用碳纳米管研制可感知冷热的人造皮肤。用纳米管制成晶体管，研制出纳米管存储器，开发出第一款碳纳米管集成电路，建成世界第一台碳纳米管计算机。用碳纳米管制成可快速分离水与油的过滤网，用碳纳米管制成类似壁虎脚底的黏合材料，制造出以碳纳米管为基础的世界最小白炽灯。

美国在纳米产品制造领域取得的新成果：制作有助于测量机械张力的纳米图案，研制出世界第一辆单分子纳米汽车，给单分子纳米汽车装上发动机。制成运转速度最快的纳米级晶体管，制成世界上首个分子晶体管，研制出模拟生物生长的蛋白质纳米级电路，用纳米技术研制出可用于远程供电的微流体芯片，用纳米颗粒制造超级化学传感器，研制成功迄今频率最高的纳米振荡器。利用纳米微粒发明衣物自动清洁染料，发明使玻璃不起雾的纳米涂料，研制出钻石型分子结构的纳米级防护涂料，制造出世界上第一个纳米阀门，首次用纳米棒研制出能自愈聚合物凝胶。用纳米材料研制出超强的人造肌肉，开发出可快速检测高危血栓的纳米尿检试纸，研制出新的纳米银抗菌整理剂，发明能搭载细胞修复伤口的可降解纳米球。

第三章纳米技术与设备的新进展。美国在开发纳米技术领域的新成果：发明低温量子点纳米合成新技术，找到精确黏结纳米粒子的新方法，开发出控制药物载体纳米粒子形状的新方法，发明纳米粒子印刷组装技术，用DNA作为纳米粒子印刷模板的新技术。找到一种用活细菌制造纳米材料的技术，发明能控制纳米材料性质的合成技术，发明制造有序排列纳米纤维的技术，开发芯片生产中的自组装纳米技术。发明制造生物超材料的沾笔纳米光刻技术，开发生产碳纳米芯片的新技术，发明用纳米粒子在石墨样品上挖出世界最小隧道的技术。

美国在应用纳米技术领域的新成果：用纳米技术开发出“十字插锁”电子元件，利用纳米技术研制超导电线，用纳米技术开发出可制造微型机器人的“铁磁纸”，用纳米技术研制出量子密码分发系统样机。用金纳米微粒开发新的医学成像技术，用纳米技术研制癌症快速检测生物芯片，研究纳米管进入癌细胞的新技术，用碳纳米管与红外射线共同治疗癌症。用纳米技术开发新型锂离子电池，用纳米技术研制出超薄太阳能电池，用纳米技术开发体内微型生物燃料电池，利用纳米技术生产生物燃料。用纳米技术开发出乙烯低温制备新方法。

美国在研制纳米设备领域取得的新成果：研制出简单价廉的纳米控制器，研制破解粒子快速排列难题的“纳米钢笔”，研制出世界最小的超微纳米刷。发明用于电子设备的纳米液体散热装置，研制出快速制造多层纳米级导电薄膜的自旋喷射系统。发明能操控单个细胞或纳米粒子的多功能声学镊子，开发出可测量单个细胞的纳米温度计，研制出含有纳米微粒的体内肿瘤实时监控装置。

第四章电子信息领域纳米技术的新成果。美国微电子领域纳米技术的新进展：运用纳米技术开发出把光子和等离子体混合在一起的准粒子；研制出能诱捕、探测和操纵单个电子旋转的纳米量子设备，合成出捕获纳米离子的分子笼。研制成能自行重构电路的多维导控电流纳米材料，进一步完善铜纳米导线的制造方法。用纳米技术研制出首个高温电子自旋场效应晶体管，用纳米技术制成以单个苯分子为材料的分子晶体管，通过纳米技术研制出新型生物纳米电子晶体管。研制出世界首个纳米碳管电路开关，研制成以碳纳米管为基础的全晶片数字电路。研制出由单一碳纳米管构成的收音机，研制首例光能驱动的纳米发动机，研制成世界上首个单分子电动马达，发明为纳米设备充电的装置。

美国电子元器件领域纳米技术的新进展：把复合半导体纳米线成功整合在硅晶圆上，开发出纳米级砷化铟二维半导体量子膜，发明以纳米管为基础的固态超级电容器，研制出纳米级忆阻器芯片，研制出非硅基纳米级全门三维晶体管，研发有望突破摩尔定律限制的纳米级真空晶体管。用镍蒸汽制造可直接连接的纳米电子元件电路，用纳米技术开发出大规模集成电路低耗电化技术，拟用DNA纳米结构开发功能更强大的微处理芯片。

美国电子设备领域纳米技术的新进展：用纳米技术研制微型计算机，开发出提供巨大存储空间的纳米存储技术，推出可保存数据10亿年的存储芯片，推出世界首块可编程纳米处理器，用纳米技术研制新型非易失性铁电存储器。推出功耗最低的纳米功率运算放大器，试制新型“激声”放大器，研制出负折射率等离子纳米天线。

第五章光学领域纳米技术的新成果。美国光学研究与光学技术领域的纳米新成果：通过纳米技术用飞秒成像首次观察到等离子波运动，通过纳米技术首次证实二维半导体存在普适吸光规律。发明固体沉浸透镜纳米探针光刻技术，发明达到纳米级分辨率的光学显微成像技术，首次实现在纳米光缆中传输可见光，用纳米粒子发明可随意改变颜色的光电技术，用纳米技术提高光负折射率超材料性能。

美国光电子元器件领域纳米技术的新进展：用碳纳米管开发出光吸收率最高的材料，用纳米技术研制以光造激子为基础的电路，用纳米技术研制由光子电路元件组成的“超电子”电路。用纳米天线开发出发光真空管，利用纳米碳管成功研制出超亮发光二极管，开发纳米线紫外发光二极管，开发出超快纳米级发光二极管。

美国光学仪器设备领域纳米技术的新进展：研制出具有超高分辨率的超材料纳米镜头，研制出新型X光纳米显微镜。研制出可用于激光器的高反射率纳米镜子，制造出高效的无阈值纳米激光器。研制成有机发光二极管“纳米显示器”，用纳米技术研制出首个可见光隐身斗篷。发明可捕获多种粒子的纳米光学天线，研制出迄今最薄的纳米捕光器。研制出纳米激光热电探头，用多壁碳纳米管“最黑”材料制成高精度激光功率检测器。发明把光子变为机械能的纳米装置，用纳米技术开发出彩色等离子偏振器。

第六章材料领域纳米技术的新成果。美国无机材料领域纳米技术的新成果：合成用于硅晶片抛光的球形陶瓷纳米材料，用石墨研制下一代纳米电子设备的碳素新材料，利用纳米技术发明能自我清洁的玻璃，借助纳米技术研制出按需透光的智能玻璃。

美国有机材料领域纳米技术的新进展：开发出纳米苯乙烯与丙烯共聚物纤维材料，用纳米技术发明高科技“智能纺织面料”，利用纳米技术研制抗菌防臭纺织品。研制出多功能可自我清洁的纳米塑料，发明可加快生物降解的纳米改良塑料，开发出性能优异的纳米电光聚合物。开发能粘接难连接材料的纳米黏合剂，发明超黏超薄的新型纳米胶。

美国复合材料领域纳米技术的新成果：研制可导电的纳米柔软复合材料，用纳米技术开发出抗撕裂的纺织复合材料，用硅胶纳米颗粒研制液态性防弹服材料。研制出聚合物与纳米粘土相结合的复合塑料，研制成用于防护和阻燃的粘土纳米复合织物。研发超强的碳基纳米纸复合材料，用纳米技术研制出光控碳基水凝胶。

美国典型纳米材料石墨烯研制的新进展：发现在石墨烯表面能激发出等离子体振子；开发印证摩尔定律的石墨烯新技术；推进石墨烯纳米电路技术研究，生产形状尺寸可控石墨烯量子点的新方法，研制出开关频率提高千倍的石墨烯晶体管，研制出有望替代硅晶片的首款石墨烯集成电路，制造出全石墨烯无缝集成电路架构。用石墨烯解决半导体材料的散热问题，研制出廉价石墨烯海绵传感器，研制出超快高敏石墨烯光电探测器。开发出石墨烯太赫兹设备样机，创造石墨烯太阳能电池能量转化率纪录，发明用“石墨烯筛子”淡化海水的新方法。

第七章能源领域纳米技术的新成果。美国电池领域纳米技术的新进展：用纳米材料研制成轻薄柔韧的质纸锂电池，通过纳米新技术提高锂电池十倍的储电量和充电率，用碳纳米管制成可折叠纸基高密度锂离子电池。利用混合的纳米材料改进钠离子充电电池，采用纳米工艺制成可用甲醇的燃料电池。研制出成本低寿命长的“纸电池”，研制出采用三维纳米电极的新型电池。

美国太阳能开发利用领域纳米技术的新成果：研制出能捕获90%以上光能量的纳米太阳能薄片，研制出能让房屋外墙发电的纳米太阳能涂料。用纳米棒制成高质量新型管状太阳能电池，用硅纳米颗粒提升太阳能电池性能，用碳纳米管研制自我修复的太阳能电池，用纳米晶体制成可印刷的微型液体太阳能电池。发明可制造太阳能电池的纳米柱，研制出能降低硅太阳能电池成本的纳米锥。研制出增强纳米薄膜太阳能电池吸光技术，发明能大幅降低太阳能电池硅用量的纳米蚀刻技术。

美国氢能与其他能源领域纳米技术的新进展：用纳米管发明光电解水造氢新技术，用纳米粒子催化剂让制氢过程一氧化碳接近零排放，用纳米重力计发掘出新储氢材料。研制出可利用人体运动来发电的纳米纤维。制成碳纳米管增强型风电叶片。利用玉米棒芯制成纳米孔天然气储存装置。利用纳米技术使海藻细胞生产电流。试用纳米材料把放射线转换为电能。制成可把人体热量转换成电能的纳米“动力毡”热电装置。

第八章生命健康领域纳米技术的新进展。美国生命领域纳米技术的新成果：发明把DNA解链为纳米级有序结构的技术，纳米阵列技术使基因测序成本大幅度下降，研制出可测量单个DNA分子质量的纳米级设备，发明利用纳米通道精确检测DNA的新技术，发明纳米隧道电穿孔基因治疗技术。利用蛋白酶促使纳米微粒聚合，用纳米线研制出检测蛋白的新装置，利用纳米技术合成可修复皮肤疤痕的蛋白。发明能看清活细胞内活动的纳米成像技术，利用肌细胞与纳米技术相结合研制成功超微机器人，研发用于细胞疗法的可编程纳米机器人。研制出可称量病毒质量的纳米级超灵敏仪器，结合纳米和生物技术研制迅速检测隐秘细菌的检测装置，发明在纳米尺度上观察植物细胞壁的新方法。

美国癌症防治领域纳米技术的新进展：发明纳米导线检测癌症的新方法，发明快速检测癌症的纳米传感器，利用纳米粒子研制出体内肿瘤实时监测微型装置。利用纳米粒子运送基因治疗卵巢癌，开发让黄金纳米粒子在脑部肿瘤“安家”的新技术，发明纳米粒子与转铁蛋白结合的治癌新技术，利用红外线和纳米微粒组合治疗癌症，试用光纳米技术和生物分子联手治疗癌症。研究能穿越细胞膜的治癌纳米药物，研制出可杀癌细胞的纳米胶囊，制成定点“爆破”癌细胞的纳米“炸弹”，制成首个杀死癌症细胞的纳米机器人，研制出兼具双重抗癌功效的纳米药物递送系统。

美国其他疾病防治领域纳米技术的新进展：推出能提高心肌导电性的金纳米线心脏补丁。研制把纳米电缆接到大脑神经元的新技术，用碳纳米管制造出模拟大脑突触功能的电路。利用纳米技术使转基因蛋白质能够抑制流感病毒，用纳米粒子开发出大肠杆菌超灵敏快速检测方法，利用纳米技术发明以泪珠测试糖尿病的新装置，首次在碳纳米管上培育出骨细胞，用纳米粒子帮助治疗青光眼。

第九章其他领域纳米技术的新成果。美国航空航天领域纳米技术的新进展：加强谱段探测器阵列、芯片级光网络、用于空间的紧凑型能源等快速响应技术方面的研究。运用纳米技术提高航空器性能，如用纳米技术增强飞机外壳强度。发射只有面包块大小的纳米级人造卫星，着手研制接近光速的纳米飞船，用纳米技术研制铝冰火箭推进剂。

美国环境保护领域纳米技术的新进展：研制出有重大突破的饮用水纳米除砷技术，发明利用碳纳米管去除水中的高氯酸盐，用纳米材料制成可同步除盐的便携净水装置，用纳米粒子在废水中低成本提取“可再生”氢气。运用纳米原理研究以细菌清理铀废物，发明可加快生物降解的纳米杂交技术。发明可以清除水中油污的“纳米纸巾”，制成能清除有毒金属的纳米海绵，用碳纳米管合成可清除漏油的纳米亲油物质。提出要研究纳米材料废物对环境的潜在影响，研究纳米材料对环境和安全的影响，发明用蠕虫及癌细胞吸收碳纳米管的测量方法。

张明龙 张琼妮

2014年3月26日