我国纳米行业发展分析 任红轩 （中国科学院纳米科技中心） 纳米材料技术是在80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴技术领域，是继信息技术 和生物技术之后，又一深刻影响人类和社会经济发展的重大技术，它的迅猛发展将在新世纪促使几乎所有 工业领域产生一场革命性的变化。21世纪世界经济和社会的发展对纳米材料技术有着巨大的需求。纳米材 料技术对人类的健康、财富和安全产生的重大影响，将超过20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物对人 类的影响。在一些关键的高技术领域，纳米材料技术具有着巨大的市场冲击力。 一、高新技术领域和传统产业改造的需求分析 纳米晶金属软磁功能材料主要用于制作各种高精度、高可靠性的微型磁敏和力敏器件，以及各种高品质 变压器和电感器的感性元件，广泛应用于新兴电子信息，自动控制、精密测量等领域。随着各类电子设备 向高效节能、高集成化方向的迅猛发展，传统磁性功能材料已经无法满足要求。纳米晶金属磁性功能材料 的应用对高新技术产业的形成和发展，对传统产业的改造和更新换代将产生重大影响。未来5年的市场将达 数十亿元；现有钕铁硼永磁材料在1995年全球的生产总量为6000吨，其中我国为2000吨, 占总量的 1/3，预测2010年全球钕铁硼永磁材料的产量将达14.6万吨, 产值达80亿美元, 其中我国的产量将达 5.4万吨, 产值达约28亿美元，相关器件产值达100-150亿美元。纳米晶稀土永磁材料是八十年代末期发 现的一类新型高性能永磁材料。纳米双相交换耦合稀土永磁材料理论最大磁能积可高达137MGOe；是目前 磁能积最高的钕铁硼稀土永磁的两倍以上，纳米稀土永磁材料将带来巨大的经济和社会价值；纳米润滑添 加剂作为一种性能优异的新型固体润滑添加剂，其应用前景十分广阔，市场需求巨大。以机油润滑添加剂 为例，每年可创产值10亿元；纳米磁性液体由于具有十分独特的物理特性，在航天航空、冶金机械、化工 环保、仪器仪表、医疗卫生、国防军工等领域获得广泛应用。据不完全统计，现在各国每年应用这种功能 材料的元器件数量已达数千万件。日本预测到2000年，本国磁性液体领域的产值可达1.7亿美元；纳米隐 身材料可解决雷达波吸收材料与红外隐身材料的兼容与复合问题，研究和发展新型纳米多频谱隐身材料及 其相关技术对我国的国防安全具有十分重要作用；纳米硬质合金在难加工和精密加工领域具有广阔的应用 前景和市场需求，已成为高附加值硬质合金的发展方向。据统计，我国目前每年高性能硬质合金的市场需 求量约为20亿元左右；金属材料表面金属纳米化可以显著提高材料表面强度、疲劳寿命以及耐磨损，耐侵 蚀，耐气蚀、耐腐蚀性。这为传统工程材料的性能升级和新型高性能结构材料的研制提供了一条独特的途 径，此项技术将有着巨大的工业应用价值；陶瓷材料在现代高新技术材料中发挥越来越重要的作用。陶瓷 材料纳米化以后，可显著提高强度和韧性。据统计，2000年纳米粉体、纳米复合陶瓷及其它复合材料的市 场容量为5457亿美元，纳米超精度加工技术市场容量为４４２亿美元。21世纪前10年是纳米陶瓷材料发 展的关键时期，在各领域中的应用将全面展开，一批新技术、新产品等各项研究成果的应用将成为经济发 展的增长点，对推动社会经济的快速发展有重要意义；高分子纳米复合材料的共同特征是，在较低纳米材 料含量时，其力学性能发生明显好转，刚性、韧性和耐热性等性能可同时提高，这对提升塑料、橡胶、纤 维等传统产业具有重要意义；纳米介孔材料在化工催化、环保过滤、光学器件等领域有重要用途。纳米材 料技术在汽车产业的应用十分广阔，预计可形成约十亿的市场；我国是世界纺织大国，2000年棉纤维产量 已逾530万吨，化学纤维产量突破690万吨。纳米材料在纺织行业中的应用将带来数十亿元的收益；纳米功 能氧化物填充将为织物纤维的发展带来了一场健康革命，其市场规模超过二十亿元；纳米材料的小尺寸效 应及表面效应使其具有极高的表面活性，作为化工催化剂具有广泛的应用市场。Mobil Oil Co.制备了 ZSM负载型催化剂，使碳氢催化产生根本变革，该公司每年仅由此项技术得到的收益就超过１５亿美元。 我国科技工作者已研制出各种纳米氧化物、金属及复合催化剂，显示出良好的应用前景；纳米材料以其特 有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。近几年我国每年城乡工业和民用 建筑的建造量平均约12亿ｍ2，需要门窗3亿ｍ2，年需塑钢门窗约3000万ｍ２，年需要硬PVC异型材约 30万吨，纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益； 二、未来高新技术产业发展的需求分析 纳米材料技术在电子信息产业中的应用将对信息产业和其它相关产业的发展具有革命性的影响，将成 为21世纪经济增长的一个主要发动机，这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价 值是难以估量的；纳米材料技术将在生物医学、药学、人类健康等领域有重大应用。与医学和健康领域相 关的纳米技术的研究与进步，可望在未来30年内影响4800亿美元的药物制造工业的产值。利用纳米微粒标 记、纳米荧光探针、纳米靶基因与纳米生物传感器，可促进癌和其它疾病的早期发现及早期诊治，纳米靶 基因及纳米药物输运技术的发展，可定向治疗肿瘤、心脏病、糖尿病、前列腺炎等疾病，减少副作用。生 物相容性纳米材料制成的人造器官和人造组织，可在人类康复工程中发挥重要作用等。预计到2015年，仅 纳米材料技术在生物医药领域中的应用，全球市场将达到2000亿元。 三、资源、环境和社会可持续发展的需求分析 我国拥有丰富的稀土资源，发展纳米材料技术，充分利用我国的资源优势，可创造巨大的经济和社会 效益；环保产业对纳米材料技术具有重要的需求。纳米环保材料在空气净化、饮用水净化、有机废水净 化、杀菌抑菌、吸光吸波、固体废物处理等环保方面起到重要作用，预计国内“十五”期间的市场规模就可 达到30亿元的需求规模。我国经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的 需求。能源材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键因素，我国目前是世界上能源消费增长 最快的国家，同时也是能源紧缺的国家。纳米能源材料在解决21世纪日益突出的能源危机问题上，将获得 重大进展并形成一个新的经济增长点，其国内的市场潜力可达80亿元以上。 四、我国在纳米科技领域的主要研究内容 根据纳米材料在国民经济中的战略地位，市场需求和应用重点，可以将纳米材料技术领域分为纳米信息材 料及纳米器件、纳米生物医用材料、环境和能源材料、纳米功能和结构材料等几个方面。 可以相信，上述几个课题中关键技术的重大突破，将大大提高我国新材料技术对国民经济的贡献率，对增 强我国高技术国际竞争力、巩固现代国防、提高人民生活质量、促进我国社会可持续发展以及改造传统产 业均起到举足轻重的作用。具体内容阐述如下： 新材料技术既是一个独立的技术领域，又对其他技术领域起到引导、支撑和相互依存的关键性作用，已 被世界各国公认为当代以及今后相当长历史时期内总揽人类社会全局的共性关键技术。纳米材料技术的兴 起和发展不仅本身将构成巨大的产业，同时对工业、农业、国防和人民生活的方方面面产生新和深远的影 响。整体上将直接促进我国资源、环境和社会的可持续发展，加速高新技术产业的形成和壮大，带动传统 产业的技术进步，最终实现跨越式发展，从根本上改变我国现有支柱产业的面貌。具体从以下几个方面作 基本预测和分析： 在纳米信息材料及纳米器件方面，发展基于纳米结构的各种量子效应基础理论，重点突破纳米信息材料 的关键制造技术；同时，应用新原理，采用新技术，利用新材料研制出超高速、超高频、超高集成度、高 效低功耗的新一代纳米量子、电子、分子和光学器件，以及高密度、高速信息存储系统和大尺寸平面显示 屏。这些创新成果的完成将可能取得多项自主知识产权，部分成果可能得到实际应用。该领域的突破将最 终影响未来十年信息技术和相关产业的发展方向，并可能带来人类生活方式的深刻变化。因此，今后十年 是我国高新技术产业实现跨越发展的关键时期。 在纳米生物医用材料方面，将重点攻克药物靶向定位治疗、早期诊断以及构造人造器官和人造组织的生 物相容性纳米材料的制造和合成技术；开发传统药用材料纳米化技术，显著提高药物疗效。预期今后五 年，部分成果可望进入临床，应用于某些重要疾病的诊治，未来20年，将有一半药物制造可能采用纳米技 术。因此，纳米技术可能成为未来药物制造工业的主导技术，在人类康复工程和改善生活质量方面发挥重 要作用。 在环境和能源材料方面，将重点发展环保和节能用纳米材料，突破空气和水的净化处理技术，织物和 建材免清洗技术，达到实用化水平；开发无污染、低成本的能量储存及转换用纳米材料，研制出高容量、 高效率、长寿命电源系统，应用于交通、通信等领域。预期“十五”期间，大部分成果可以实现产业化，其 中部分优质产品可以为“科技、绿色、人文”奥运工程作出特殊贡献。该领域的技术进步将诞生若干新兴产 业，形成新的经济增长点。同时，对解决我国所面临资源和环境问题，保持社会可持续发展作出重要贡 献。 在纳米功能和结构材料方面，将充分利用纳米材料的异常光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、 敏感特性、催化与化学特性等开发高技术新产品，以及对传统材料改性；将重点突破各类纳米功能和结构 材料的产业化关键制造技术、检测技术和表征技术。这些成果将对当前高新技术产业发展提供重要支撑； 对传统产业的结构调整和技术升级起到重要促进作用；对国防建设提供关键新材料。例如，纳米电子陶瓷 材料、纳米晶软磁材料等将满足电子信息产业向高频、节能和小型化方向发展的迫切需求；高效的纳米催 化材料、高强高韧的纳米陶瓷材料、多功能的纳米复合材料、高性能的纳米硬质合金等为化工、建材、轻 工、冶金等行业的跨越式发展提供了广泛的机遇。预期“十五”期间，各类纳米材料的产业化可能形成一批 大型企业或企业集团，将对国民经济产生重要影响；纳米技术的应用逐渐渗透到涉及国计民生的各个领 域，将产生新的经济增长点。 综上所述，纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其重要性毋庸质疑，许多发达国家 都投入了大量资金进行研究，正如钱学森院士所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科 技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。” 注：本论文获科技部“十五”攻关软课题资助 智慧城