美国纳米技术国家战略解析与我国对策研究*

■ 贺斌 张卫海 李静

1 南通大学未来教育研究所科技政策研究中心 南通 226019

2 南通大学马克思主义学院 南通 226019

3 中国矿业大学公共管理学院 徐州 221116

1 前言

半导体芯片已经成为全球科技竞争的焦点。2022 年8 月9 日，美国总统拜登正式签署的《2022年芯片和科学法案》（简称《芯片法案》）行政令中，授权对美国本土芯片产业提供巨额补贴、研发资助和减税优惠，试图重构美国强大的半导体生态系统，引发了全球高度关注和警惕。2022年10 月，为了纪念美国国家纳米技术日（每年10月9 日），白宫科技政策办公室（Office of Science and Technology Policy，OSTP）和国家纳米技术协调办公室（National Nanotechnology Coordination Office，NNCO）发布旨在推进拜登政府努力实现科技造福全体美国人民承诺的公告，同时对美国政府正在推进的、旨在确保美国在未来产业中世界领先地位的《芯片法案》实施情况进行补充说明[1]。由于纳米技术为未来先进制造业、人工智能、量子信息科学等关键产业提供重要支撑，许多发达国家将纳米技术列入优先发展重大事项[2]。NNCO 主任布兰登·布劳夫（Branden Brough）认为[3]，国家纳米技术日是一个庆祝拜登政府努力推动纳米级研究突破的重要机会，这些突破几乎影响了每个科学学科，并为新兴的领域和技术奠定了基础。正如2022 年诺贝尔奖所公布的量子信息科学和点击化学方面的工作表明，纳米技术界正在利用国家在原子和分子水平上的研究投资，寻找解决微电子制造等当今最紧迫的、最具有挑战的有效方案。

《国家纳米技术倡议战略规划》（National Nanotechnology Initiative Strategic Plan，NNI 战 略规划）是美国从战略层面推动纳米技术研发、转化和应用的最高级别的国家文本。从克林顿政府到拜登政府，先后共发布了6 个版本。2000 年，时任总统克林顿发起了国家纳米技术倡议（National Nanotechnology Initiative，NNI），借以协调联邦政府研发工作，提升美国在纳米技术方面的竞争力。美国国家科学技术委员会（National Science and Technology Council，NSTC）下设纳米科学工程与技术（Nanoscale Science, Engineering, and Technology，NSET）分委员会负责协调NNI 工作。2001 年，NNI 首次获得美国国会资助。2003 年12月3 日，时任总统布什签署的《21 世纪纳米技术研发法案》中规定，NEST 每隔3 年制定一个战略规划。NNI 战略规划制定了国家纳米技术行动的总体目标以及相应的具体目标，成为NNI 各成员机构优先考虑与研发、培训和基础设施相关活动的指南[4]。2021 年9 月，拜登政府发布了第6 版《国家纳米技术倡议战略规划》，比前5 个版本的规划发生了重大调整。美国总统财年对NNI 的预算已由2021 年的17 亿美元升至2022 年的19.8 亿美元以及2023 年的19.9 亿美元。中国知网数据库检索表明，目前国内有关美国纳米技术战略比较分析的文献相对匮乏。本文借助文本挖掘技术、内容分析和比较研究方法，深入分析拜登政府纳米技术国家战略的热点主题、目标定位和前沿动向，以期为我国推进新一代纳米科技和芯片产业发展战略提供重要启示。

2 美国纳米技术国家战略的主题结构分析

2.1 高频词分析

由于战略规划文本属于非结构化数据，本文采用KH coder 文本挖掘软件对数据进行处理。利用NLP 技术可实现单词的精确定位、词频统计、词间关系以及可视化文本挖掘过程[5]，因此，NLP技术在国内外文本分析研究中得到应用广泛[6]。本文将相关文件转化为纯文本文件，剔除无效词汇，合并同义词，设置停用词，并对文本进行词频统计。

本文的核心数据是NSET 发布的《国家纳米技术倡议战略规划》报告。由于前5 个版本的规划报告目标定位和内容框架基本保持一致，只有2021 年拜登政府发布的战略规划作了重大调整。因此，本文以前面4 个版本的规划以及近3 年NNI 总统财年预算等作为背景资料，重点对2016年[7]和2021 年[8]颁布的最后2 个版本的《国家纳米技术倡议战略规划》报告进行详细比较。

利用KH Coder 的词频分步（Term Frequency Distribution）计算得出，2016 年NNI 规划文本的词频平均值是4.74（每个词汇平均出现4.74 次）、标准差为9.46，出现次数少于18 次的词汇占比为95.53%；2021 年NNI 规划文本的词频平均值是5.30、标准差为12.22，出现次数少于18 次的词汇占比为94.66%。图1 展示了两个版本的NNI 规划文本的词频分布呈现明显的长尾效应。因此，有限的高频词汇能够较好地反映NNI 规划文本中的重要信息，对高频词进行分析处理是剖析政策文本的重要途径。

图1 2021 年与2016 年NNI 规划文本的词频分布图Figure 1 Term frequency distribution of NNI planning texts in 2021 and 2016

由表1 可知，2016 年的NNI 战略规划文件中，高于50 次的高频词是“纳米技术”“机构”“研究”“开发”，其中“研究”与“开发”的词频数基本均等，表明上一轮规划对纳米技术研究和开发几乎给予同等地位加以重视。此外，规划中出现了“目标”“项目”“商业化”“协作”等较高频率的主题词，表明2016 年NNI 规划比较关注总体目标的制定，支持多元化项目资助，重视纳米技术市场化应用以及NNI 参与机构合作等主题。

表1 2021 年和2016 年NNI 战略规划文本的TF 词频分析表（前50）Table 1 TF word frequency analysis table of 2021 and 2016 NNI strategic planning texts (top 50)

在2021 年NNI 国家战略文件中，“纳米技术”“共同体”“开发”“研究”“机构”“努力”“领域”等是高于50 次的高频词，其中“开发”的词频比“研究”的词频高了近30 次。这表明拜登政府高度重视提升美国在纳米技术研发方面的竞争力，希望通过联邦政府与NNI 成员机构的共同努力，能够在多个重要领域开展研发和应用，并强调纳米技术应用地位强于开发。此外，该规划文件中出现了“资源”“项目”“教育”“劳动力”“培训”“设施”“机制”等较高频率的主题词，显示了拜登政府对多元化纳米技术人才培养和纳米技术生态系统建设机制创新的最新关注。

2.2 主题分析

本文利用KH coder 的LDA 模型对2016 年和2021 年美国NNI 战略规划文本进行主题分析，以便于对文档主题、主题关键词和共现频率进行提取，从而形成聚类关系。图2 和图3 分别是2016年与2021 年NNI 规划文本的主题词聚类图。图中每种颜色代表一个主题聚类；每个主题由若干关键词组成，关键词所在圆圈大小代表词频高低，关键词之间连线粗细代表两者之间关系强弱。为了更加准确地分析聚类关键词的情境，本文结合KWIC（key words in context）一致性对每个聚类做出相应解释。

图3 2021 年NNI 战略规划主题词聚类图Figure 3 Sub-group of key words in 2021 NNI strategic plan

2016 年NNI 规划的主题词聚类分析显示，首 先，“nanotechnology-development-reseach-science-technology-program-agency-effort-community-mechanism”主题中包含词频最高，直观地展现了2016 年NNI 规划文件对纳米技术研发的科技项目以及纳米技术共同体机制的重视。其次，“investment-infrastructure-user-facility-workforce”主题与“commercialization-market-product-innovation-transfer-industry-partnership-collaboration”主题表明，上一轮规划要在基础设施和劳动力培养等方面加大投资力度，增加对纳米技术商业化和对公私合作关系的相关支持的关注力度。此外，“student-public-network-opportunity-stakeholder-activity”主题表明，美国NNI 机构和国家纳米技术协调办公室（NNCO）要寻找机会接触学生和公众，向公众宣传和普及纳米技术。最后，“risk-benefit-assessment-datum-discovery-tool-device”主题表明，美国要致力于开发和验证测量工具和决策模型，以评估纳米技术对环境和人类健康与安全的潜在风险和益处。

2021 年NNI 规划主题词聚类分析显示，首先，“nanotechnology-development-world- research-support-workforce”主题中的词频最高、聚类效果明显，直观地展现了最新规划文件对世界级纳米技术研发和高素质劳动力队伍建设的重视与支持。其次，“community-partnership-collaboration-machanism-area-priority-practice-applicaton-industry”主题表明，美国要重构国家纳米技术共同体，创新参与主体之间的伙伴协作机制，推动纳米技术在国家高优先级的产业应用领域的快速发展。再次，“student-opportunity-education-training-program-agency”主题表明，美国要以多种项目资助NNI 和参与机构为学生提供教育和培养机会，着力培养下一代纳米技术的用户、设计师和建设者。“ecosystem-science-technology-innovation- pathway”主题体现了美国要进一步加强NNI 在培育和推进充满活力的纳米技术生态系统以及推动重大科技创新突破方面的关键作用。最后，“researcher-user-facility-access-tool-nanomaterial-product”主题表明，NNI 要重点支持纳米技术用户设施，为研究人员和产业界制作纳米材料产品提供工具和设备支持。

3 美国纳米技术国家战略文本内容分析

由于NNI 战略规划的主要内容是制定美国纳米技术发展目标，本节主要运用内容分析法对2016 年和2021 年的NNI 规划文件的战略目标作比较分析。通过比较发现，2021 年NNI 战略规划包含了五大政策目标，比2016 年NNI 增加了1 项，其余4 项总体保持一致，但在一定程度上已发生质变（表2）。

表2 美国2021 年NNI 战略规划与2016 年NNI 战略规划的政策目标比较Table 2 Comparison of the policy objectives of the 2021 and 2016 NNI strategic plan

3.1 目标1：确保美国在纳米技术研发方面保持世界领先地位

面对全球日益激烈的科技竞争态势，2021 年NNI 战略规划将目标1 确定为“确保美国在纳米技术研发方面保持世界领先地位”，这是对2016年“推进世界级纳米技术研发项目”目标定位的超越和提升。为此，2021 年战略规划更加重视NNI 成员机构之间在具有共同利益的领域增进合作，更加重视与联邦政府优先事项和行动倡议之间的联系，强调在共同利益领域开展国际合作与交流。该目标为推进跨学科基础研究提供了一种平衡途径，通过支持广泛的、高成熟度的纳米技术研究组合（research portfolio）来推动新发现的产生和战略合作的形成，进而在高优先级领域取得快速发展。

3.2 目标2：促进纳米技术研发的商业化

根据美国国家科学、工程和医学院（合称“国家研究院”，National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine，NASEM）的建议，NNI和参与成员将重新强调促进纳米技术商业化的活动。为此，2021 年NNI 的目标2 在以下几个方面发生了明显变化。一是增强并扩大纳米技术创业共同体。创业者会不断产生创意并将其推向市场，在纳米技术生态系统中发挥着关键作用。NNI成员机构为创业者提供了大量培训机会，如美国国家卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）的“从概念到临床：创新项目商业化”项目等。二是巩固和加强与区域生态系统之间的联系。区域创新生态系统在培养跨学科开发者共同体以及作为支持先进技术商业化的可访问资源等方面具有独特地位，NNI 将不断加强与在区域生态系统做出贡献的组织之间的联系。三是重点突出高优先级领域的纳米技术开发路径后续阶段的重大挑战。2021 年战略规划首次提出纳米技术发展路径后期阶段（Later Stage）的概念，主要是指纳米技术向市场转化应用的重大挑战阶段。NNI将组建“老虎团队”（tiger teams），以制定技术路线图等方式快速地梳理和应对各种重大挑战。四是将公私伙伴关系（Public-private Partnership，PPP）作为对知识和资源加以利用并产生商业化途径的有效机制。NNI 成员机构在高优先级技术领域建立新的公私伙伴关系，不断交流新发现和新需求，在基础研究和应用研究之间建立良性循环以加速创新。

3.3 目标3：提供可持续支持纳米技术研发和部署的基础设施

2021 年NNI 战略规划的目标3 是“提供可持续支持纳米技术研发和部署的基础设施”。相较于2016 年NNI，2021 年NNI 的目标3 更加聚焦和精细化。一是重视纳米技术研发的新型基础设施建设。昂贵的专用工具和平台环境仍然是许多纳米技术研发的核心需求。NNI 开发和采购了新型的物理基础设施（如扫描电子显微镜）和网络基础设施（如数字模型、模拟和数据等），为高水平纳米技术研发提供不间断支持。二是为研究用户设施向原型、测试和制造业资源的转换途径提供便利。当研究设施与制造设施之间的路径清晰且可访问时，开发人员可以更容易地将其创意从实验室转移到市场。三是对纳米技术用户设施在全国范围内进行部署。NNI 有意将用户设施分布到美国各地。例如，国家科学基金（National Science Foundation, NSF）资助的国家纳米技术协调基础设施（National Nanotechnology Coordinated Infrastructure，NNCI）站点分布在17 个州，涉及29 所大学和其他合作组织。

3.4 目标4：让公众参与并扩大纳米技术劳动力

2021 年NNI 战略规划新增的目标4 是“让公众参与并扩大纳米技术劳动力”，其集中地反映美国对纳米技术人才培养的高度重视。第一，突出STEM 人才和劳动力的基础性地位。STEM 是科学发现和技术创新的基础，培养具有全球竞争力和多样化的纳米技术劳动力成为NNI 的第一目标[9]。第二，开发丰富的教育资源。NNI 支持了数十种教育资源的开发，其中新一代的物理和网络基础设施能够提供前所未有的世界级专业纳米技术工具，带给学习者真实的、动手做的学习经验。第三，支持中小学教师培训与专业发展。NNI机构为K-12 纳米技术课程教师提供丰富的教育资源、培训材料以及纳米技术案例等。例如，NSF支持了一系列关于纳米科学和工程教育的研讨会，为K-12 教师开发教育资源，其中包括经由NSF 教师研究体验项目开发的课程计划和展演。第四，增加学生参与研究、实习、交换和国际经验的机会。NNI 机构利用实习、奖学金和国际交流项目为学生提供沉浸式研究和真实体验。第五，纳米科学的社会普及。公众对纳米科技的信任对于实现纳米技术创新的潜力至关重要。NNI 和成员机构将通过分享有关科学进步和应用的信息以及纳米技术对环境、健康和安全的潜在影响，促进公众信任和技术采纳。

3.5 目标5：确保负责任地开发纳米技术

负责任地开发纳米技术是NNI 成立以来的一个重要支柱。2021 年战略规划将“确保负责任地开发纳米技术”作为第五个目标。新规划中的负责任的发展框架既继承了NNI 最初的负责任的发展工作理念（如人类健康与环境保护），又产生了新的思想，如包括对伦理、法律和社会影响（Ethical, Legal, and Societal Implications，ELSI）的考虑，对包容、多样性、公平和获取（Inclusion,Diversity, Equity, and Access，IDEA）的强调以及负责任的研究行为。负责任开发的另一个关键方面是透明的公众参与，增进消费者的信任，并具备做出明智决策的知识。此外，国际参与对负责任开发具有极其重要的价值。NNI 机构支持可持续的纳米技术等主题的国际研究对话，来自NNI 各地的代表通过经合组织（Organisation for Economic Cooperation and Development，OECD）和世界卫生组织（World Health Organization，WHO）等多边论坛就纳米技术展开积极对话，促进资源共享、探索协同效应，并塑造全球对话[10]。NNCO 正在推动国际研究共同体对有关纳米技术相关环境、健康和安全问题和纳米制造的科学信息进行广泛交流[11]。

4 分析与讨论

在当今纳米技术全球竞争日趋激烈的时代，虽然美国仍然是纳米技术领域的竞争对手，但已不再是毫无争议的领导者（unambiguous leader），期望或主张美国在纳米科技的每一个领域都处于领先地位是不现实的，因此，有必要确定美国致力于领导世界最为关键的研究领域[12]。为了帮助美国实现纳米技术复兴（resurgence）目标，确保美国纳米技术在赋能电子元件、医疗保健、清洁能源等领域中能够重新位居世界前列，强力捍卫美国国家安全利益和国家经济繁荣，拜登政府重新设计了NNI 战略规划的重点任务和实施框架。

4.1 遵循国家优先事项的研究与开发

拜登政府为了解决美国政府紧迫的研发优先事项，通过NSTC 和其他机构间论坛协调的多机构研究活动，正在解决对未来产业、科学发现和创造就业机会最有希望的领域的研究投资。主要优先领域包括：大流行病预防、应对气候变化、促进关键新兴技术的研究和创新、为公平创新、国家安全和经济弹性、STEM 教育和参与等[13]。为此，美国2023 总统财年预算中将研发投资置于历史最高水平，将为联邦研发提供2,049 亿美元，比2021 年增加了28%。为了响应国家优先事项研发战略需求，NSET 分委员会和NNI 成员机构应协调国家纳米技术倡议工作，与国家优先事项保持战略一致，提出负责任何可持续的基于纳米技术的解决方案，有针对性地解决联邦研发的优先事项，如利用纳米技术开发出COVID-19 诊断和监测工具、消毒剂以及防护设备等[14]。

4.2 重构纳米技术创新生态系统

根据NASEM 研究，纳米科学带来的关键机遇以及美国的战略需求已经发生了重大变化，即从创造新知识和新材料以提升对纳米现象的理解（先前机会），扩展到对纳米产品负责任的商业化以实现纳米科学的经济价值和社会效益（当前机会）。然而，相较于其他国家，美国在对纳米技术商业化方面的协调和直接支持进展较缓。鉴于目前的战略机遇期，迫切需要更好地重构机能完备的纳米技术创新生态系统，将纳米科学研究、基础设施开发、公共产品研发和劳动力发展纳入其中，要发挥学术界、产业界和政府各自优势，加强相互之间的沟通与协作，加速提升纳米技术的社会经济效益。在良好的创新生态系统中，学术界将不断孕育创新的种子，产业界将收获新技术带来的巨大益处，联邦政府则在研究重点设定、研究经费资助、基础设施、技术专长、监管指导以及健康和安全领导等方面提供重要支持。因此，NEST 分委员会和NNCO 要加强构建完善的连接实验室和市场的创新生态系统，以支持纳米技术从基础研究到产品和服务的转移，确保美国纳米技术的竞争力并造福美国社会。

4.3 重新设计纳米技术倡议工作机制体系

由于最新NNI 规划调整了战略目标，NNI 需要对运行结构和参与机制进行重新设计，以便敏捷地应对纳米技术创新生态系统的变化，进而灵活、高效地适应国家优先事项。这些机制主要包括五方面。一是国家纳米技术挑战（National Nanotechnology Challenges，NNCs）应对机制。NNI正在启动国家纳米技术挑战新机制，以动员纳米技术研发界要加倍努力应对重大的世界性挑战（如大流行病应对、气候变化等）。二是利益共同体机制。作为一种高效、实用的非正式机制，纳米技术共同体吸纳了最广泛的利益相关者主动参与，包括美国和世界各地的研究人员，大小企业，教师和学生，联邦、州和地方政府官员，非营利组织以及社会大众。三是资金筹措机制。高技术研究通常具有高投入、高风险特征，尤其是在研发初期需要大量资金支持。NNI 将探索增加使用多种灵活的筹资机制（funding mechanism），如政府资助的风险资本、其他交易授权（other transactional authority）和相关基金会等。NNI 成员机构还提供了广泛的筹资机会组合，以支持后期开发和向市场过渡，如小型企业创新研究（ Small Business Innovation Research，SBIR）和小型企业技 术 转 让（Small Business Technology Transfer，STTR）项目是美国的种子基金，鼓励小企业参与具有商业化潜力的联邦研发。四是国际交流合作机制。从政府与政府之间的对话到研究人员领导的合作，参与国际事务可以推进NNI 许多研究优先事项，并为美国外交关系提供支持。NNI 成员代表还广泛地参与并领导了其他国际活动，从双边对话到多边参与（如通过OECD 或标准制定组织），再到与世界上专注于纳米技术的组织建立联系。五是审查评估机制。根据美国《21 世纪纳米技术研发法案》，总统科技顾问委员会（President’s Council of Advisors on Science and Technology，PCAST）和NASEM 负责为美国纳米技术的发展提供必要的评估和建议。此外，还可根据某些项目特殊需求，灵活组建跨机构审查专家组开展审查评估工作。

4.4 科学制定战略规划实施框架

由图4 可以看出，NNI 战略规划实施框架总体分为3 个层次：目标层、任务层和愿景层。三者之间保持着相互依赖、相互支持和相互转化的互动关系。具体来说，NSET 分委会将密切跟踪美国国家优先事项为NNI 议定共同愿景，然后将愿景转化为具体的目标系统，并就NNI 目标相关的政策、程序和规划向NSTC 和白宫科技政策办公室（Office of Science and Technology Policy，OSTP）提供建议和协助。在NNI 目标体系的驱动下，纳米技术战略规划重点强调以三大重点任务为主要支柱，明确将NNI 研发行动以国家优先事项和重大需求为根本遵循，重构纳米技术创新生态系统，优化设计纳米技术倡议的工作机制体系，最终确保美国在纳米技术关键领域的领导地位，维护美国国家安全利益，促进社会经济繁荣，增进国民福祉。

图4 NNI 战略规划实施框架Figure 4 NNI implementation framework

5 对我国的对策建议

中国是当今世界纳米科技进步的重要贡献者和世界纳米科技研发前沿大国。然而，拜登政府视中国为最大的科技竞争对手，总体上对华采用科技扼制、出口管制和精准脱钩策略[15]。《芯片法案》更是明确规定，获得美方补助的企业十年内不得与中国或其他“令美国担忧”的国家进行任何“重大交易”。面对全球科技竞争激烈态势，中国要坚决采取积极防御战略，把纳米科技发展放在国家战略层面，系统布局、主动谋划，牢牢把握纳米科技发展新阶段国际竞争的战略主动，有效保障国家安全、提升人民生活品质。为此，本文提出如下对策建议。

第一，进一步发挥国家纳米科学技术指导协调委员会的专业职能，就国家纳米科技政策、战略规划、国家行动等向上级主管部门提供建议和协助，对能够满足国家重大战略需求的纳米科技进行跟踪，并承担国家纳米科技行动的协调、监督和报告等工作。

第二，与国家经济社会发展五年规划相配套，科学研制和发布国家纳米科技战略规划。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中指出，要把科技自立自强作为国家发展的战略支撑，坚持“四个面向”，加快建设科技强国。要制定和实施国家纳米科技战略规划，根据新时期国家优先发展战略需求，确立我国纳米科技发展战略目标，通过整体部署、科学布局，突出重点任务，协同优势力量攻克关键技术，增强我国纳米科技核心竞争力，服务经济社会发展、支撑国家安全。

第三，要重构国家纳米科技创新生态体系，建成新一代国家纳米技术基础设施，筑牢学术界、产业界和政府之间的伙伴关系，从而促进纳米技术的实验室研发向市场负责任产品转化，实现纳米科技的经济效益和社会价值。

第四，要进一步建立健全国家纳米科技发展创新机制体系。从顶层设计层面入手，系统设计好国家纳米科技发展的管理机制、投入机制、监控机制、协调机制、市场机制、激励机制、评价机制等，促进国家纳米科技战略良性运行。例如，尝试推行技术总师负责制，实行“揭榜挂帅”“赛马”等制度，健全奖补结合的资金支持机制；健全纳米科技评价机制，完善自由探索型和任务导向型科技项目分类评价制度，建立非共识科技项目的评价机制等。

第五，加快引培纳米科技高端人才，加强高素质纳米技术劳动力培训与建设，推进青少年纳米科技普及教育。纳米科技高端人才是国家纳米战略发展的重中之重，要培养和引进全球顶尖人才和青年人才，形成我国纳米科技人才新高地。支持高等院校、社会化培训机构等开展纳米科技培训，提升就业人员专业技能。在中小学综合实践活动、STEM 教育、科技创新等课程中普及纳米科学与技术，提升青少年对纳米科技的整体认知。

第六，加强国际事务参与，增进国际交流与合作。以相互尊重、和平共处、合作共赢的基本工作方针，在全球性挑战应对、专业人才培养、纳米科技标准制定等方面积极开展国际交流和合作，共同支持全球纳米科学与技术负责任、可持续发展。