納米技術在各產業的發展趨勢展望
納米技術廣泛影響著環境、能源、信息、生命健康等諸多產業，具有極其廣闊的發展前景。
納米材料，是指在三維空間中至少有一維處於納米尺度（0.1～100納米）範圍或由它們作為基本單元構成的材料。
納米材料及其相應的製取、組合技術已成為21世紀世界科技發展中的主流方向，也是世界各國最主要的研究熱點之一。當前，我國在納米領域發表的SCI論文累計已經躍居全球第一，同時相關專利的申請量累計達20.9萬件，佔全球總量的45%。
然而，在美國專利及商標局的專利統計數據中，即使不計美國自身，我國大陸地區的專利數量也居於韓國、日本、中國台灣地區之後，說明我國相關產業參與國際化競爭的程度仍然不夠深。
據《前瞻產業研究院納米材料行業報告》預計，2022年我國納米材料市場的規模可達1955億元水平。除了在新材料產業中形成了較為明確的納米材料板塊外，納米技術還廣泛影響了環境、能源、信息、生命健康等諸多其他產業，並且具有極其廣闊的發展前景。
未來，以下產業或領域有望通過納米技術的應用實現技術或市場突破。
材料產業
納米材料的發展能夠帶動整個材料產業的結構調整和升級換代，全面支撐國民經濟和國防建設的需要。納米材料產業在未來5～10年預計將可為上海市帶來直接經濟效益超過50億元，間接經濟效益超過100億元。
納米粉體（顆粒）材料
納米氧化鈦、介孔氧化硅等無機納米粉體可以用於吸附、催化藥物載體等用途。不同材質的納米粉體可以用作各種不同用途的著色染料，如汽車塗料、塑料加工以及高檔油墨和印刷行業的（彩色）金屬顏料，高檔珠光顏料，新型晶片顏料，玻璃顏料，防偽顏料和紅外反射（或透明）顏料等。聚合物納米複合材料有望替代金屬材料，用於發動機齒輪、油過濾器等汽車結構件。
納米纖維
窄分布超細微納米纖維的織物同時具有高效、低阻的特性，並具有空氣滑移效應，可以用於各類過濾、防護產品，如防霾口罩、空氣凈化器用靜電紡納米濾芯、防霧霾紗窗靜電紡納米濾層等，提升產品的性能。
將氣凝膠製備為納米纖維，可以獲得高效輕質的保暖材料，能夠製備出單件質量在500克以下的超輕納米纖維保暖服，可用於航空航天、潛水和軍事等不同領域。快速可控的光響應、光碟機動變形納米功能纖維，可以用於製備在複雜環境下具有自我保護功能的服飾。
具有持續傳輸、共價抗菌和組織細胞引導功能的納米纖維製備的複合功能敷料可用於糖尿病足、靜脈潰瘍等多種普遍性慢性難愈病症的治療。納米級別的陶瓷纖維、二氧化硅纖維具有明顯的柔性，是能夠用於各類高強、阻燃、高溫隔熱需求場合的新型複合材料。
納米纖維防水透濕膜有望突破傳統產品耐水壓和透濕量難以同步提升的技術瓶頸，同時實現高耐水壓、高透濕量的功能。
納米功能塑料
具有99.9%高效抗菌性能並可保持2年以上的納米抗菌塑料有望實現規模化製備，在家用電器、汽車、食品包裝、醫療等領域具有廣泛的應用前景。利用石墨烯作為填料可使塑料具有導熱、導電性能，可替代換熱器中的銅管。
納米功能塗層
利用納米技術對塗層表面的微觀結構與形貌進行設計，可提高塗層的附著力與功能性，推動海洋重防腐、長效防污、減阻、抗粘、超硬、防覆冰、環保等功能的海洋領域特種塗層塗料的研製。
智能納米塗料將具有突出的高強度、耐久性，並且可以附加除異味、除甲醛、智能調濕、自潤滑、自修復、智能磁性等各種特殊性能。納米技術還可以賦予汽車面漆及電子產品表面塗層更好的耐水、耐劃傷、耐紫外線、耐酸雨等性能。
先進水凝膠材料
具有納米結構的新型手性水凝膠可在人體細胞生理和病理研究、醫藥篩選等研究中用於仿生微環境材料，此外還可以用於化妝品、整容等領域。
環保領域
在環保領域，納米材料和技術的應用能夠提高能源的利用效率，並在空氣污染控制、水質控制、土壤污染控制等領域發揮作用。未來5～10年，納米技術在環保領域預計將可為上海市帶來直接經濟效益超過20億元，間接經濟效益超過50億元。
空氣凈化
車庫、公路隧道等半封閉空間機動車污染物主要包括一氧化碳、氮氧化物和碳氫化合物等。採用納米技術有望實現以上污染物的低成本快速檢測，並通過催化、吸附等方式實現無二次污染的常溫凈化。
採用納米技術還可以針對室內空氣中常見的低濃度、複合性空氣污染物，如揮發性有機物（VOCs）進行有效富集與高效去除。
水凈化
發展高效吸附劑、催化劑、絮凝劑和多功能膜等納米材料，以及以微納米氣泡為代表的先進納米技術和聯用技術，有望實現江河湖海等自然水體的高效低成本治理。
等離子激元和上轉換髮光等效應的寬光譜響應光催化氧化納米材料，將能夠在3～5年內實現成本更低、效果更好的環境污染物高級氧化技術應用。快速大容量納米晶吸附材料能夠用於水體的重金屬吸附。
多種污染物快速識別與檢測
特殊結構與形貌的納米材料可用於研發自然水體或工業廢水中低濃度抗生素、農藥和重金屬等的新型快速檢測方法。利用不同污染物與納米材料選擇性的作用機制，可實現土壤污染物的分離、檢測和甄別。
能源領域
納米技術是發展清潔低碳能源的重要途徑，在太陽能轉化為電能、化學能（如氫氣、甲醇等），二氧化碳轉化為甲烷，熱能轉化為電能，電解水制氫以及有機小分子高效制氫等方面均有重要作用。
未來5～10年，預計納米技術在能源領域將為上海市帶來直接經濟效益超過20億元，間接經濟效益超過100億元。
能源轉換
納米能源催化材料可以實現甲烷高效活化、合成氣高選擇性轉化和二氧化碳的光電催化轉化，滿足碳-氧、碳-碳或碳-氫的高效選擇性轉化應用需求。半導體和金屬納米電催化劑可以實現直接利用太陽光對水、氮氣和二氧化碳等環境分子進行光電催化轉化。
新型含氟納米材料可實現電能與化學能、熱能之間的高效轉換，並能夠相對獨立地調控熱電轉換材料的各項參數，可實現溫差發電及熱電製冷等方面的初步應用。
納米技術還可實現具有高催化活性和高穩定性的非貴金屬催化劑對傳統貴金屬催化劑的替代，發展出新型高附加值的電催化制氫過程，實現氫氣製備與乙醇等有機化合物的轉化反應同步進行，顯著提升電解水制氫的工業應用價值。
能源存儲
基於鋰、鈉、硼、氮、鎂、鋁等輕質元素的新型高氫量納米儲氫材料（絡合物或亞胺基材料），有望實現吸放氫溫度小於200℃、可逆儲氫量大於5wt%、循環壽命大於500次的固態儲氫設備。
採用納米技術可提升電極、隔膜的性能，推動鋰硫電池、鋰空氣電池、鈉離子電池、液流儲能電池等新一代二次電池的發展。
能源生產
通過超薄晶體和納米結構精準調控等技術，可以提高各類薄膜太陽能電池的轉化效率和熱、濕穩定性，並推動器件的柔性化發展。非貴金屬催化劑、納米結構膜電極、納米固體電解質等技術，能夠顯著提高燃料電池的壽命、穩定性和效率。
信息領域
以新型納米材料及微納製造工藝為基礎，與現有集成電路產業中硅基工藝結合的新型納米材料、低功耗柔性器件以及新型納米光電器件和感測器件，將普遍應用於電子產品、環境監測、食品安全、電子通信及互聯網等領域。
未來5～10年，納米材料與技術在信息領域預計將為上海市帶來直接經濟效益超過200億元，帶動相關產業產值1000億元。
電子信息產業基礎材料
石墨烯、氧化錫、黑磷等新型低維晶體材料的研究為下一代計算機的發展打開了新的道路。高性能及安全環保的納米拋光材料、電子漿料和電子墨水等產品，有望在5年後實現規模化生產，並全面實現進口材料的替代。
電子器件及集成
高性能超柔性半導體單晶納米薄膜（
例如，納米纖維能量轉換器可用於製備智能發電織物，高效收集人體生物機械能，實現電子產品的自驅動或自供電功能；高靈敏度的可穿戴納米壓電感測檢測系統，可實現對人體健康狀況（如脈搏、心電功能、腦電波、血糖、pH值和乳酸等）的實時跟蹤和分析；智能電子皮膚、織物感測器、彈性織物電路和柔性織物天線等也均需依託納米技術發展。
感測及顯示器件
新型納米感測器件可以集成光、電、磁、化學及生物活性等多方面特性，並可與微納機電系統（NEMS/MEMS）器件製備技術相結合在環境監測、食品安全、汽車電子和軍工等領域中廣泛應用。
新型光電轉換機制的納米級像素成像晶元，有望突破可見光衍射極限，推動攝影、攝像、高分辨X射線衍射成像等設備性能的顯著進步。基於量子點材料的平板顯示器件，比傳統LED背光的傳統液晶電視在畫面質量與節能環保上更具優勢，已成為業內液晶電視新的發展方向。
生物及醫學領域
在生物及醫學領域，納米技術在組織修復與替代材料、診斷與治療、基因與細胞等方向均有應用前景。應用納米技術革新現有診療技術，有望取得顛覆式創新成果並實現臨床上的應用，如新型組織再生材料、體內外精準診斷納米技術和新型抗腫瘤納米藥物等。
未來5～10年內，納米技術在這一領域預計可實現30億～50億元的產業鏈，併產生百億級規模的間接經濟效益。
組織修復與替代
納米生物材料具有良好的理化與生物安全性能，可用於發展口腔科應用的納米複合材料、黏固劑、牙髓密封材料以及牙齒再造材料、人工血管、骨科修補材料等。
具有組織誘導功能的納米醫學材料，可用於新型器官3D列印、新型組織工程和新一代植介入醫療器械，有望催生多種組織替代物、功能修復物、個性化定製增材製造產品和新一代植介入醫療器械、新型功能藥用輔料的問世。
診斷與治療技術
由生物大分子構成並利用化學能進行機械做功的納米系統又被稱為分子馬達，可實現肌肉收縮、物質運輸、DNA複製和細胞分裂等生命體活動的體外模擬。
基於對納米顆粒-生物界面作用和納米顆粒-環境因素作用進行的研究，有望研製出能夠穿過生物屏障並進入病灶組織或疾病細胞的功能化靶向納米載體材料和納米機器人。
基於納米技術的藥物遞送新技術，可顯著改善藥物溶解性，提高藥物的生物利用度，繞過某些生理屏障，增強藥物利用效率。具有主動靶向功能的藥物載體材料和安全高效的包載化學葯、生物葯的納米藥物，能夠對重大疾病如腫瘤進行有效治療。
由單分散、對人體安全的無機納米材料組成的理療納米系統，具有較長的血液循環時間，進入腫瘤後能夠特異性地響應腫瘤的微環境，掌握其在腫瘤部位的有效富集、化學反應導致的腫瘤細胞的變異、凋亡的化學動力學和生物學機制的情況。
納米醫療器件可實現血糖等人體指標的實時檢測和調控，提高糖尿病等代謝性疾病的治療水平。新型熒光磁性納米探針可追蹤體內樹突細胞導向到淋巴結的遷移過程，這一技術有望發展為癌症成像檢測及早期診斷的新方法，有助於對治療實時監控。
基因與幹細胞研究
利用納米技術改造天然帶有孔道的蛋白或者合成納米孔，可以開發出單分子測序技術，實現傳統測序技術所需要的擴增能力，低成本、高準確率地直接測定核酸。
高效負載RNA、DNA和細胞活性因子等的納米載體材料可實現高效安全的治療效果。納米輔助基因快速測序、納米顆粒調控細胞信號通路和調控機體免疫反應等技術有望推動基因工程技術的全面發展。
二維、三維納米結構可調控幹細胞增殖與分化，利用這類納米材料作為生物分子載體可誘導幹細胞的遷移與定向分化，也可促進幹細胞分離、純化和富集。利用納米材料作為幹細胞載體，可提高生物載體功效及降低藥物副作用。基於納米技術開發的新型量子點和納米造影劑可實現對幹細胞的標記和示蹤。
航天及軍工領域
航天與軍民融合方向是未來納米技術發展及應用的重要方向，航天領域對材料輕質化、防輻射性、高力學性能、高抗腐蝕性和綜合光電聲磁性能的超高要求，使納米技術有望在航天領域大顯身手。
這一方向預計5年後可產生500億元的直接產值和5000億元的間接產值，將為我國航天與軍民融合事業的發展做出重大貢獻。
基於納米技術製備的超結構及陣列，能夠製造突破黑體熱輻射效率極限的中遠紅外窄帶熱輻射器。高導熱陶瓷基板用粉體材料、輕質高強納米合金材料、納米太陽帆是未來航天探索的重要材料基礎。
光學微結構的超精密納米加工與檢測為我國超高靈敏光電複合探測技術、航天領域高解析度空間探測器和高精度導航系統的研發和改進提供了重要支撐。新型納米隱身塗層、納米吸波材料、特種密封材料及多功能複合材料能夠顯著提高軍事裝備的性能。
作者丨何丹農，沈應龍
轉自丨張江評論
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