第1章 概述
There’s plenty of room at the bottom.——Richard Feynman，1959
1.1 什么是纳米技术？
纳米技术是对纳米尺度（1—100纳米）科学、工程和技术的统称，是在纳米尺度认识和控制物质的科学技术，包括成像、测量、建模和操控。在纳米尺度，物质可能呈现出与宏观尺度或单个原子、分子时不同的物理、化学、生物性质，这些特性可能导致创新的应用（NSET，2014）。
人类利用纳米技术的历史可以追溯至很久以前。公元4世纪，古罗马手工艺者制造了莱克格斯杯（the Lycurgus cup）。该杯的玻璃具有二向色性：光源从外部照射时，玻璃呈绿色；如果将光源置于杯子内部，则玻璃呈红色。造成这种神奇现象的原因是玻璃中含有大小为50—100纳米的金银合金纳米粒子（梁琰，2016）。
现代纳米技术的开端一般以1959年12月29日美国物理学家理查德 费曼在美国物理学会年会上所作的题为“微观之下还有大量空间”的演讲为标志。1974年，日本东京理科大学教授谷口纪男创造了“nano-technology”一词。1981年，IBM公司科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜，使人类可以“看到”原子。1989年，IBM公司科学家Don Eigler和Erhard Schweizer操控35个氙原子摆出了“I、B、M”三个字母。1996年，诺贝尔化学奖授予富勒烯的发现者罗伯特 柯尔、哈罗德 克罗托、理查德 斯莫利，此后又有多名科学家因纳米技术领域研究（如石墨烯、分子机器）而荣获诺贝尔奖。2000年1月21日，时任美国总统克林顿在加州理工学院宣布了美国国家纳米技术计划（National Nanotechnology Initiative，NNI）；截至2012年4月，已有60多个国家发布国家*纳米科学技术发展规划（科技部，2012a）。还有一些国家，虽然没有专项的纳米技术计划，但在其他计划中包含了纳米技术相关的研发。2008年，Kavli纳米科学奖首度颁发，该奖被誉为纳米科技界的诺贝尔奖。2010年，联合国教育、科学及文化组织（简称联合国教科文组织，UNESCO）设立了纳米科学和纳米技术发展贡献奖章（UNESCO Medals for Contributions to the Development of Nanoscience and Nanotechnologies），用于表彰为纳米科学和纳米技术发展做出重要贡献的个人和机构（UNESCO，2018）。
纳米技术已经从实验室走出，实现了产业化。从地面（意大利罗马郊区掺杂石墨烯的道路）到太空（美国“朱诺”号木星探测器），从普通民用（净化水装置）到尖端军用（F-35战斗机），包括正在研制的用于治疗新型冠状病毒肺炎（简称新冠肺炎）的药物，纳米技术、纳米材料的应用无处不在。Nanowerk数据库显示，商业化的纳米材料已超过4000种（Nanowerk，2020）。技术咨询公司Lux Research估算，2014年纳米技术产品全球销售额高达1.6万亿美元（NNI，2020）。
1.2 纳米技术为什么重要？
纳米技术将大大拓展和深化人们对客观世界的认识，使人们能够在原子、分子水平上制造材料和器件，引发信息、材料、能源、环境、医疗卫生、生物、农业等领域科技革命。纳米技术将对人类的生产和生活方式产生重大影响，促进传统产业的改造和升级，推动新一轮产业变革，成为21世纪经济的新增长点之一。纳米技术已成为国际竞相争夺的科技战略制高点（科技部，2001）。下面以美国对纳米技术的认识为例来做一简要分析。
2003年2月，美国能源部基础能源科学咨询委员会（Basic Energy Sciences Advisory Committee，BESAC）发布《确保能源安全所需的基础研究》研究报告，认为纳米技术是至关重要的交叉技术领域，可能为长期困扰人类的科学问题和技术难题提供解决方案。这一观点在随后关于氢能、太阳能、固态照明等细分领域的基础研究需求报告中被不断重复（BESAC，2003）。
2004年3月，美国能源部等NNI参与机构组织了为期3天的讨论会，邀请来自大学、国家实验室和企业的63名专家，就纳米技术与美国能源未来的关系进行研讨。总结报告指出，鉴于能量转化的所有基本步骤都发生在纳米尺度，纳米技术的发展将引发能源科技的创新范式变革（NSET and DOE，2005）。
美国国防部视纳米技术为一项使能技术，认为其对美国战争能力具有重要且不断增长的贡献潜力，应受到*高级别的重视。美国国防部将纳米科学和工程与合成生物学、量子信息学、认知神经科学、人类行为模型、新型工程材料一起列为需要高度关注的六大基础科学领域。美国国防部认为，原子尺度的材料科学可能会带来新型电子设备、传感器、化学催化剂、高强度材料和含能材料（NSET，2016）。
美国国防部高级研究计划局（DARPA）是专门从事投资变革性国防科技研发的资助机构，致力于使美国始终成为战略技术奇袭（strategic technological surprise）的发起者而不是受害者。DARPA高度重视纳米技术，2014年8月启动“原子到产品”（Atoms to Product，A2P）项目，部署研究组装技术，使材料在宏观尺度（至少毫米级）也能具有其在纳米尺度所具有的独特性质，从而带来全新类型的材料和超越现有水平的材料、工艺、器件小型化技术（DARPA，2014）。项目分为两个技术领域（technical area，TA）：TA1为原子到微米级组装，研究将原子、分子或纳米器件组装成微米级的组件或材料；TA2为微米到毫米级组装，研究将微米级的组件或材料组装成毫米级的系统、组件或材料（DARPA，2015）（图1-1）。
图1-1 A2P项目技术领域示意图
2016年4月，美国陆军发布《2016—2045年新兴科学技术趋势》研究报告。报告提出未来30年可能影响陆军作战能力和作战环境的24个科学技术/领域 和可能影响科技发展的6个社会、政治、经济、环境发展趋势 。报告在逐项分析24个科学技术/领域时多次提及纳米技术，尤其在“先进材料”章节特别提及纳米材料，认为其具有巨大的应用潜力。报告指出，纳米材料已用于制作发动机的超光滑涂层、飞机和车用高强度复合材料、轻量化防弹衣和高效光伏电池，制药公司也正在开发靶向纳米药物。未来30年，纳米材料将在服装、建筑材料、车辆、道路、桥梁等众多领域获得应用，陆军可以利用纳米材料等先进材料制作轻量化高强度防弹衣、节能车辆和避难所，以及耐用电池和可再生能源系统（Office of the Deputy Assistant Secretary of the Army，2016）。
1.3 各国如何发展纳米技术？
通过重点分析美国、欧盟、英国、法国、德国、西班牙、荷兰、俄罗斯、日本、韩国、巴西、中国等国家（组织）发展纳米技术的政策、措施与成效，本书认为，世界主要国家（组织）在发展纳米技术方面总体呈现出十大共同特点。
1. 政府高度重视
各国（组织）普遍将纳米技术视为促进经济发展、提升国家竞争力的关键技术。2017年，美国政府在《国家安全战略》中指出，为了保持竞争优势，美国将优先发展纳米技术等事关经济增长和安全的关键新兴技术（The White House，2017）。欧盟将纳米技术列为旨在使欧洲在多个行业（特别是在高附加值和技术密集型产品和服务方面）处于全球领先的六项关键使能技术（key enabling technology）之一。英国将先进材料与纳米技术等八大技术 作为科学与创新的优先领域，认为这八大技术是英国重要的发展机遇，通过发展这八大技术可以推动英国经济增长、创造就业、实现产业结构转型升级，保持英国世界领先国家地位（HM Treasury and BIS，2014）。法国从2018年起实施为期五年（2018—2022年）的“大规模投资计划”，通过向加快生态转型、提升公民就业竞争力、鼓励创新、建设数字化国家等四大优先领域投入570亿欧元，推动法国向新的经济增长形态转型。其中，在鼓励创新领域，公共科研机构与企业合作研发纳米技术是鼓励方向之一（Gouvernement，2017）。俄罗斯《国家安全战略》提出重点发展纳米技术等战略高技术（Президент России，2015）。纳米技术被列入《俄罗斯联邦科学、技术与工程优先发展方向》（Приоритетные направления развития науки， технологий и техники в Российской Федерации）和《俄罗斯联邦关键技术清单》（Перечень критических технологий Российской Федерации）。这两份文件重点关注俄罗斯能够产生科技突破并成为创新产品、形成新市场的科技成果。日本从第二期科学技术基本计划（2001—2005年）起，就将纳米技术列为重点发展领域；在第五期科学技术基本计划（2016—2020年），将“纳米技术与材料”定位为创造新价值的核心和优势基础技术、支撑超智能社会的重要基础技术。中国国家领导人多次对纳米科技工作做出批示，国务院组织了有关纳米科技现状及其发展趋势的专题讲座。
2. 设立专门管理机构
各国（组织）针对纳米技术跨学科、跨领域的特点，设立跨政府部门、跨行业的发展促进机构。美国设立了纳米科学、工程和技术分委员会（Subcommittee on Nanoscale Science，Engineering，and Technology，NSET），负责协调NNI的规划、预算、实施和评估。NSET由白宫科技政策办公室、管理与预算办公室、NNI参与机构的代表组成。英国成立了纳米技术部长小组（Ministerial Group on Nanotechnologies），以协调相关政府部门，加强纳米技术工作领导。此外，英国还成立了纳米技术合作小组（Nanotechnologies Collaboration Group）、纳米技术研究战略小组（Nanotechnology Research Strategy Group）和纳米技术工业领导小组（Nanotechnologies Industry Leadership Group），广泛联系政府部门、学术界、产业界、七大研究理事会等利益相关方，支持纳米技术部长小组工作（HM Government，2010）。俄罗斯设立了常设机构纳米技术政府委员会，旨在保障联邦权力执行机构与工商界、科技界的紧密联系，为落实国家纳米技术和纳米工业领域的各项方针政策提供建议。日本设立了纳米技术与材料委员会，成员主要来自大学、科研机构和企业。主要任务包括分析纳米技术和材料科技领域国际发展态势和日本发展现状，提出发展建议和推进措施，评估文部科学省部署的重大研发项目，审议纳米技术和材料科技发展规划，为制定下一期科学技术基本计划提供建议等（文部科学省，2019）。巴西设立了纳米技术部际委员会，由科技创新及通信部牵头，正式成员有13个部门，还有一些非正式成员；其使命包括：制定跨部门管理和协调纳米科技活动的机制，制定计划、实施、监督、评估纳米科技活动的机制，提出发展本国纳米科技的建议并指出资金来源，指出财政资源以支持国际合作（MCTIC，2018）。中国成立了国家纳米科学技术指导协调委员会，对全国纳米科学技术工作进行指导和协调。该委员会由科学技术部（简称科技部）、国家发展和改革委员会（简称国家发改委）、教育部、财政部、中国科学院、中国工程院、国家自然科学基金委员会、国家质量监督检验检疫总局（现国家市场监督管理总局）、国家国防科技工业局（简称国家国防科工局）、中国人民解放军总装备部（现中央军委装备
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