从纳米走向未来

2020-10-14供稿齐俊杰王陆君瑜

金属世界 2020年5期

供稿|齐俊杰，王陆君瑜

提及纳米材料与技术，你想到的是奇妙的微观世界，科幻电影中的纳米机器人，还是高端的仪器设备呢？自1959年诺贝尔奖得主物理学家费曼点燃纳米科技之火以来，纳米材料与技术的发展日新月异，人类不断地揭开纳米世界的迷雾并收获了许多意想不到的惊喜。本文将带你走进奇妙的纳米世界，带你领略北京科技大学纳米材料与技术专业的风采。

什么是纳米材料与技术

1959年美国物理学家费曼曾预言[1-2]：如果人类可以按照自己的意志排列原子或分子，就会获得大量异乎寻常的特性，这将产生怎样的奇迹？ 60多年后的今天，纳米材料与技术已经将这一构想初步变成了现实。

纳米材料与技术包含纳米尺度、纳米材料和纳米技术三个方面。纳米(nm)是一个微小的长度单位，它是一米的十亿分之一(1 nm=10-9m)。不同物质的尺度对比如图1所示，即便是人类的一根头发丝，其直径也为60000 nm左右[3-4]。纳米材料具有两个特点，首先它至少有一个维度处于1～100 nm之间，或者由纳米尺度的基本单元构成。同时它具有一些由纳米尺度所导致的新奇效应，例如熔点、硬度、颜色、化学反应活性等的改变。纳米材料在古罗马时期就已走入人类的生活，早在公元4世纪古罗马人就造出了莱克格斯杯，由于杯体中具有50～100 nm的合金粒子，杯子在反射光和透射光的照射下呈现不同的颜色[3]。纳米技术是研究纳米材料规律和特性并加以利用的高新技术。IBM公司曾于1990年利用扫描隧道显微镜在镍基底上摆出由35个氙原子构成的IBM标志(如图2(a))[5]，1993年中国科学院也通过操纵硅原子写出“中国”两字(如图2(b))。如今纳米技术已经深入到物理学、化学、材料学、生物学和电子学等领域，为探寻微观世界及实现器件微型化提供了可能[1]。

图1 不同物质尺度对比[4]

图2 利用纳米技术操纵原子：(a) IBM公司利用扫描隧道显微镜在镍基底上摆出由35个氙原子组成的IBM标志[5]；(b) 中国科学院运用纳米技术移动硅原子并写出“中国”两字[6]

纳米材料与技术的发展现状

纳米材料与技术自20世纪90年代以来发展迅猛，由于其在众多领域具有广阔的应用前景，因此世界各国竞相制定战略计划，将纳米技术研发作为本国科技创新与发展的有力驱动器。截至2009年就有超过60个国家启动了国家纳米技术计划[7-9]。

美国于2000年实施美国国家纳米计划(NNI)，将本国纳米技术的发展分为无源纳米结构、有源纳米结构、三维纳米系统、分子纳米结构四个阶段，项目最初五年的经费投入就超过了40亿美元。日本也在多个科学技术基本计划中将纳米材料与技术定为国家级优先发展领域之一[8]。我国自20世纪80年代末就将“纳米材料科学”列入国家攀登项目，并不断加大该领域的投资，促进人才队伍建设。自2001年到2017年，我国国家知识产权局授权了73634件纳米技术相关专利，其数量与增幅均超过美国，所涉及的方向主要包含材料、冶金、化学等领域(如图3)[10]。同时国家也不断加强该领域的人才培养，2003年中国科学院成立国家纳米中心，2010年首批高校获准开设纳米材料与技术专业，其中就包括北京科技大学。

纳米材料与技术的应用

纳米材料在众多领域均具有广阔的应用前景，其在电子信息、军事、医学和运输等领域的应用阐述如下。

电子信息领域

图3 2001—2017年美国专利商标局(USPTO)和中国国家知识产权局(CNIPA)授权纳米技术相关专利数[10]

电子信息产业是目前纳米材料与技术应用最为成功的领域，纳米材料与技术推动了电子信息技术的高速发展。电子信息领域的日新月异对元器件的微型化提出了更高的要求，而纳米材料与技术是提升电子器件存储能力和运行速度的关键。最为典型的例子是纳米多层膜巨磁电阻材料的应用使得硬盘的存储容量迅猛提高。而当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，必然要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。同样借助纳米多层膜“巨磁电阻”效应，制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化(如图4)[12]。

图4 硬盘的发展及其形态的变化[12]

军事领域

纳米材料与技术的发展有助于微型化、隐形化、高性能军事武器的发明和制造。利用纳米技术制造的量子器件相比传统半导体集成电路具有体积小、重量轻、运行速率高等优势，可以大大提高武器装备控制系统的信息存储、传输和处理能力。同时由于纳米材料具有独特的光学性能，其常被应用于军事武器的“隐身”当中。如图5所示，美国的B-2隐形轰炸机采用超级碳黑作为隐身涂层，其不仅具有99%的雷达吸收率，而且也具备改变透射光束方向的能力[11]。

图5 隐形轰炸机[11]

医学领域

未来纳米材料与技术有望更多地应用于生物医学领域。相比普通药物，纳米药物可以直接被皮肤吸收，从而减轻患者因注射而带来的痛苦[2]。纳米技术也可应用于靶向药物运输和基因治疗，采用纳米材料运输基因或药物能够在提高治疗效果的同时减轻对其他细胞的伤害[13]。2020年新型冠状病毒肺炎疫情爆发后，科学家提出了采用纳米科技进行病毒检测和抑制的方法(如图6)[14]。不过目前纳米药物的应用仍存在一定的安全隐患，有待更多研究者投入到相关领域中进行更深入的研究。

图6 利用纳米科技应对新型冠状病毒(COVID-19)[14]

运输领域

在交通运输领域，纳米材料应用于车身的不同部件可以在一定程度上节约燃料并降低交通事故发生的概率(如图7)。车身涂覆纳米涂层可以起到自清洁的功能，同时也能增加车身的耐腐蚀性和抗摩擦能力。为降低刺眼的车灯反射光对驾驶的影响，可以在反射镜和前照灯表面涂覆超反射纳米薄层，从而帮助驾驶者看清道路和车辆情况，减少交通事故发生的概率(如图8)。为减少汽车的燃料损耗，可以利用纳米晶材料降低气缸的摩擦，也可以利用纳米复合材料取代沉重的钢材以减轻车身的重量。这些纳米材料的应用既减少了燃料耗费又有利于引擎和车体的维护[15]。

图7 通过纳米技术改良的汽车零部件[16]

图8 (a) 传统反射镜；(b) 纳米涂层防闪光反射镜[17]

北京科技大学纳米材料与技术专业特色

北京科技大学纳米材料与技术专业是依托材料科学与工程一级国家重点学科成立的新型交叉学科，也是教育部批准创办的全国首批纳米材料与技术本科专业，拥有硕士、博士学位授予权及博士后流动站，与国家纳米科学中心联合招生和培养。本专业拥有中国科学院院士1人、外籍(美国籍)兼职院士1人、教授16人、国家有突出贡献的专家2人、教育部长江学者奖励计划特聘教授3人、国家杰出青年科技基金获得者3人、教育部跨世纪和新世纪人才4人、北京市科技新星2人，另外有副教授10人。所有教师均具有博士学位，其中大部分教师具有在美国、德国、日本等国名校留学研修的经历。

北京科技大学与国家纳米科学中心签订了联合培养纳米材料与技术专业本科生的合作协议。国家纳米科学中心优秀科研人员为本科生开设短期课程，并为培养高层次纳米材料专业人才提供了良好的实践平台。北京科技大学纳米材料与技术专业拥有多个国家级科研、教学平台，并依托教育部“低维功能材料”创新团队、北京市“新能源纳米材料与技术”重点实验室等为学生提供科技创新实践平台。

纳米材料与技术专业学什么？

培养计划

北京科技大学纳米材料与技术专业的培养目标是培养掌握坚实的基础理论，具备扎实的纳米材料制备、加工、结构与性能检测与分析、纳米器件构建及应用等专门知识，具有适应专业发展需求、创新创业意识和国际化视野的卓越专门人才。本专业的主要专业课程包括：材料科学基础、材料分析方法、半导体物理、材料化学基础、材料物理性能、纳米材料制备与表征、微纳加工技术、表面与界面、纳米半导体材料、纳米催化材料、纳米能源材料、生化传感器等课程。

北京科技大学纳米材料与技术专业为本科生提供了丰富的教研实践平台，每年安排本科生到科研院所和相关企业单位进行认识实习及生产实习、暑期实践活动、本科生创新实践等(如图9)。例如，2015年纳米材料与技术专业本科生到中科信电子装备有限公司进行生产实习(如图10)，2016年到北京市纳米科技产业园及多家纳米科技公司、中科院半导体所、微电子所、国家纳米中心及北京市能源所等科研企业单位进行实习。

图9 北京科技大学纳米材料与技术专业的同学到国家纳米科学中心进行暑期实践

图10 北京科技大学纳米材料与技术专业的本科生到中科信电子装备有限公司太阳能电池生产线进行生产实习

另外，北京科技大学纳米材料与技术专业具有特殊的优势——“双导师制”培养机制。根据北京科技大学与国家纳米科学中心共同培养纳米材料与技术专业本科生的协议，双方共同选派导师，联合指导学生，给予学生以个性化的指导和帮助，在双方导师的指导下撰写毕业论文。例如，2016届纳米材料与技术专业本科毕业生王国栋由北京科技大学张跃院士和国家纳米中心魏志祥研究员共同指导完成毕业设计及论文工作。

国际交流

北京科技大学纳米材料与技术专业与国际接轨，为同学们提供了良好的国际交流平台。目前，已与加拿大麦克马斯特大学、美国佐治亚理工学院、日本北海道大学、香港大学等多所高校有联合培养与合作研究项目。学生在校期间不但可以申请到这些国内外著名大学进行交流学习，而且还可以申请国家留学基金委的优秀本科生国际交流项目。北京科技大学纳米材料与技术专业经常邀请国际顶尖专家和学者定期来访、讲学。每年夏季小学期，邀请2～3位海外高校教授为学生讲授专业课。

纳米材料与技术专业毕业后能做什么？

北京科技大学纳米材料与技术专业本科毕业生继续深造率高达73%，出国率21%左右，总体就业率达97%。四年的本科专业学习为同学们打下了坚实的理论基础和专门知识，毕业生无论是选择学术、科研道路，还是想步入社会成就一番事业，都能让同学们自信满满，做出自己的人生规划。

选择在国内继续深造的毕业生去向，除留在本校攻读研究生之外，还包括清华大学、北京大学、北京航空航天大学、国家纳米科学中心、中科院物理所、化学所等。出国深造的毕业生去向，包括美国哈佛大学、美国宾夕法尼亚大学、美国卡内基梅隆大学、美国佐治亚理工学院、德国亚琛工业大学、加拿大麦克马斯特大学、日本北海道大学、香港大学等国际一流学府。

直接就业的本科毕业生可以选择在材料、电子信息、新能源、航空航天、生物医药等行业或相关领域从事与纳米材料与技术相关的设计、研发、生产、教学、咨询和管理工作。毕业生还可以进入政府机关职能部门成为政府工作人员，也可以到银行等金融机构从事与专业相关的咨询工作等。总之，纳米材料与技术专业的学生可以选择从事的行业种类覆盖面大，就业前景广阔。