■ 文/何丹农 沈应龙

纳米材料，是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（0.1～100纳米）范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料及其相应的制取、组合技术已成为21世纪世界科技发展中的主流方向，也是世界各国最主要的研究热点之一。当前，我国在纳米领域发表的SCI论文累计已经跃居全球第一，同时相关专利的申请量累计达20.9万件，占全球总量的45%。然而，在美国专利及商标局的专利统计数据中，即使不计美国自身，我国大陆地区的专利数量也居于韩国、日本、中国台湾地区之后，说明我国相关产业参与国际化竞争的程度仍然不够深。

据《前瞻产业研究院纳米材料行业报告》预计，2022年我国纳米材料市场的规模可达1955亿元水平。除了在新材料产业中形成了较为明确的纳米材料板块外，纳米技术还广泛影响了环境、能源、信息、生命健康等诸多其他产业，并且具有极其广阔的发展前景。未来，以下产业或领域有望通过纳米技术的应用实现技术或市场突破。

1. 材料产业

纳米材料的发展能够带动整个材料产业的结构调整和升级换代，全面支撑国民经济和国防建设的需要。纳米材料产业在未来5～10年预计将可为上海市带来直接经济效益超过50亿元，间接经济效益超过100亿元。

●纳米粉体（颗粒）材料

纳米氧化钛、介孔氧化硅等无机纳米粉体可以用于吸附、催化药物载体等用途。不同材质的纳米粉体可以用作各种不同用途的着色染料，如汽车涂料、塑料加工以及高档油墨和印刷行业的（彩色）金属颜料，高档珠光颜料，新型晶片颜料，玻璃颜料，防伪颜料和红外反射（或透明）颜料等。聚合物纳米复合材料有望替代金属材料，用于发动机齿轮、油过滤器等汽车结构件。

●纳米纤维

窄分布超细微纳米纤维的织物同时具有高效、低阻的特性，并具有空气滑移效应，可以用于各类过滤、防护产品，如防霾口罩、空气净化器用静电纺纳米滤芯、防雾霾纱窗静电纺纳米滤层等，提升产品的性能。将气凝胶制备为纳米纤维，可以获得高效轻质的保暖材料，能够制备出单件质量在500克以下的超轻纳米纤维保暖服，可用于航空航天、潜水和军事等不同领域。快速可控的光响应、光驱动变形纳米功能纤维，可以用于制备在复杂环境下具有自我保护功能的服饰。具有持续传输、共价抗菌和组织细胞引导功能的纳米纤维制备的复合功能敷料可用于糖尿病足、静脉溃疡等多种普遍性慢性难愈病症的治疗。纳米级别的陶瓷纤维、二氧化硅纤维具有明显的柔性，是能够用于各类高强、阻燃、高温隔热需求场合的新型复合材料。纳米纤维防水透湿膜有望突破传统产品耐水压和透湿量难以同步提升的技术瓶颈，同时实现高耐水压、高透湿量的功能。

●纳米功能塑料

具有99.9%高效抗菌性能并可保持2年以上的纳米抗菌塑料有望实现规模化制备，在家用电器、汽车、食品包装、医疗等领域具有广泛的应用前景。利用石墨烯作为填料可使塑料具有导热、导电性能，可替代换热器中的铜管。

●纳米功能涂层

利用纳米技术对涂层表面的微观结构与形貌进行设计，可提高涂层的附着力与功能性，推动海洋重防腐、长效防污、减阻、抗粘、超硬、防覆冰、环保等功能的海洋领域特种涂层涂料的研制。智能纳米涂料将具有突出的高强度、耐久性，并且可以附加除异味、除甲醛、智能调湿、自润滑、自修复、智能磁性等各种特殊性能。纳米技术还可以赋予汽车面漆及电子产品表面涂层更好的耐水、耐划伤、耐紫外线、耐酸雨等性能。

●先进水凝胶材料

具有纳米结构的新型手性水凝胶可在人体细胞生理和病理研究、医药筛选等研究中用于仿生微环境材料，此外还可以用于化妆品、整容等领域。

2. 环保领域

在环保领域，纳米材料和技术的应用能够提高能源的利用效率，并在空气污染控制、水质控制、土壤污染控制等领域发挥作用。未来5～10年，纳米技术在环保领域预计将可为上海市带来直接经济效益超过20亿元，间接经济效益超过50亿元。

●空气净化

车库、公路隧道等半封闭空间机动车污染物主要包括一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物等。采用纳米技术有望实现以上污染物的低成本快速检测，并通过催化、吸附等方式实现无二次污染的常温净化。采用纳米技术还可以针对室内空气中常见的低浓度、复合性空气污染物，如挥发性有机物（VOCs）进行有效富集与高效去除。

●水净化

发展高效吸附剂、催化剂、絮凝剂和多功能膜等纳米材料，以及以微纳米气泡为代表的先进纳米技术和联用技术，有望实现江河湖海等自然水体的高效低成本治理。等离子激元和上转换发光等效应的宽光谱响应光催化氧化纳米材料，将能够在3～5年内实现成本更低、效果更好的环境污染物高级氧化技术应用。快速大容量纳米晶吸附材料能够用于水体的重金属吸附。

●多种污染物快速识别与检测

特殊结构与形貌的纳米材料可用于研发自然水体或工业废水中低浓度抗生素、农药和重金属等的新型快速检测方法。利用不同污染物与纳米材料选择性的作用机制，可实现土壤污染物的分离、检测和甄别。

3. 能源领域

纳米技术是发展清洁低碳能源的重要途径，在太阳能转化为电能、化学能（如氢气、甲醇等），二氧化碳转化为甲烷，热能转化为电能，电解水制氢以及有机小分子高效制氢等方面均有重要作用。未来5～10年，预计纳米技术在能源领域将为上海市带来直接经济效益超过20亿元，间接经济效益超过100亿元。

●能源转换

纳米能源催化材料可以实现甲烷高效活化、合成气高选择性转化和二氧化碳的光电催化转化，满足碳-氧、碳-碳或碳-氢的高效选择性转化应用需求。半导体和金属纳米电催化剂可以实现直接利用太阳光对水、氮气和二氧化碳等环境分子进行光电催化转化。新型含氟纳米材料可实现电能与化学能、热能之间的高效转换，并能够相对独立地调控热电转换材料的各项参数，可实现温差发电及热电制冷等方面的初步应用。纳米技术还可实现具有高催化活性和高稳定性的非贵金属催化剂对传统贵金属催化剂的替代，发展出新型高附加值的电催化制氢过程，实现氢气制备与乙醇等有机化合物的转化反应同步进行，显著提升电解水制氢的工业应用价值。

●能源存储

基于锂、钠、硼、氮、镁、铝等轻质元素的新型高氢量纳米储氢材料（络合物或亚胺基材料），有望实现吸放氢温度小于200℃、可逆储氢量大于5wt%、循环寿命大于500次的固态储氢设备。采用纳米技术可提升电极、隔膜的性能，推动锂硫电池、锂空气电池、钠离子电池、液流储能电池等新一代二次电池的发展。

●能源生产

通过超薄晶体和纳米结构精准调控等技术，可以提高各类薄膜太阳能电池的转化效率和热、湿稳定性，并推动器件的柔性化发展。非贵金属催化剂、纳米结构膜电极、纳米固体电解质等技术，能够显著提高燃料电池的寿命、稳定性和效率。

4. 信息领域

以新型纳米材料及微纳制造工艺为基础，与现有集成电路产业中硅基工艺结合的新型纳米材料、低功耗柔性器件以及新型纳米光电器件和传感器件，将普遍应用于电子产品、环境监测、食品安全、电子通信及互联网等领域。未来5～10年，纳米材料与技术在信息领域预计将为上海市带来直接经济效益超过200亿元，带动相关产业产值1000亿元。

●电子信息产业基础材料

石墨烯、氧化锡、黑磷等新型低维晶体材料的研究为下一代计算机的发展打开了新的道路。高性能及安全环保的纳米抛光材料、电子浆料和电子墨水等产品，有望在5年后实现规模化生产，并全面实现进口材料的替代。

●电子器件及集成

高性能超柔性半导体单晶纳米薄膜（<100纳米）大规模转印（晶圆级）是集成电路行业发展的关键技术。纳米材料与器件是新型柔性智能器件与服装发展的基础。例如，纳米纤维能量转换器可用于制备智能发电织物，高效收集人体生物机械能，实现电子产品的自驱动或自供电功能；高灵敏度的可穿戴纳米压电传感检测系统，可实现对人体健康状况（如脉搏、心电功能、脑电波、血糖、pH值和乳酸等）的实时跟踪和分析；智能电子皮肤、织物传感器、弹性织物电路和柔性织物天线等也均需依托纳米技术发展。

●传感及显示器件

新型纳米传感器件可以集成光、电、磁、化学及生物活性等多方面特性，并可与微纳机电系统（NEMS/MEMS）器件制备技术相结合在环境监测、食品安全、汽车电子和军工等领域中广泛应用。新型光电转换机制的纳米级像素成像芯片，有望突破可见光衍射极限，推动摄影、摄像、高分辨X射线衍射成像等设备性能的显著进步。基于量子点材料的平板显示器件，比传统LED背光的传统液晶电视在画面质量与节能环保上更具优势，已成为业内液晶电视新的发展方向。

5. 生物及医学领域

在生物及医学领域，纳米技术在组织修复与替代材料、诊断与治疗、基因与细胞等方向均有应用前景。应用纳米技术革新现有诊疗技术，有望取得颠覆式创新成果并实现临床上的应用，如新型组织再生材料、体内外精准诊断纳米技术和新型抗肿瘤纳米药物等。未来5～10年内，纳米技术在这一领域预计可实现30亿～50亿元的产业链，并产生百亿级规模的间接经济效益。

●组织修复与替代

纳米生物材料具有良好的理化与生物安全性能，可用于发展口腔科应用的纳米复合材料、黏固剂、牙髓密封材料以及牙齿再造材料、人工血管、骨科修补材料等。具有组织诱导功能的纳米医学材料，可用于新型器官3D打印、新型组织工程和新一代植介入医疗器械，有望催生多种组织替代物、功能修复物、个性化定制增材制造产品和新一代植介入医疗器械、新型功能药用辅料的问世。

●诊断与治疗技术

由生物大分子构成并利用化学能进行机械做功的纳米系统又被称为分子马达，可实现肌肉收缩、物质运输、DNA复制和细胞分裂等生命体活动的体外模拟。基于对纳米颗粒-生物界面作用和纳米颗粒-环境因素作用进行的研究，有望研制出能够穿过生物屏障并进入病灶组织或疾病细胞的功能化靶向纳米载体材料和纳米机器人。基于纳米技术的药物递送新技术，可显著改善药物溶解性，提高药物的生物利用度，绕过某些生理屏障，增强药物利用效率。具有主动靶向功能的药物载体材料和安全高效的包载化学药、生物药的纳米药物，能够对重大疾病如肿瘤进行有效治疗。由单分散、对人体安全的无机纳米材料组成的理疗纳米系统，具有较长的血液循环时间，进入肿瘤后能够特异性地响应肿瘤的微环境，掌握其在肿瘤部位的有效富集、化学反应导致的肿瘤细胞的变异、凋亡的化学动力学和生物学机制的情况。纳米医疗器件可实现血糖等人体指标的实时检测和调控，提高糖尿病等代谢性疾病的治疗水平。新型荧光磁性纳米探针可追踪体内树突细胞导向到淋巴结的迁移过程，这一技术有望发展为癌症成像检测及早期诊断的新方法，有助于对治疗实时监控。

●基因与干细胞研究

利用纳米技术改造天然带有孔道的蛋白或者合成纳米孔，可以开发出单分子测序技术，实现传统测序技术所需要的扩增能力，低成本、高准确率地直接测定核酸。高效负载RNA、DNA和细胞活性因子等的纳米载体材料可实现高效安全的治疗效果。纳米辅助基因快速测序、纳米颗粒调控细胞信号通路和调控机体免疫反应等技术有望推动基因工程技术的全面发展。二维、三维纳米结构可调控干细胞增殖与分化，利用这类纳米材料作为生物分子载体可诱导干细胞的迁移与定向分化，也可促进干细胞分离、纯化和富集。利用纳米材料作为干细胞载体，可提高生物载体功效及降低药物副作用。基于纳米技术开发的新型量子点和纳米造影剂可实现对干细胞的标记和示踪。

6. 航天及军工领域

航天与军民融合方向是未来纳米技术发展及应用的重要方向，航天领域对材料轻质化、防辐射性、高力学性能、高抗腐蚀性和综合光电声磁性能的超高要求，使纳米技术有望在航天领域大显身手。这一方向预计5年后可产生500亿元的直接产值和5000亿元的间接产值，将为我国航天与军民融合事业的发展做出重大贡献。

基于纳米技术制备的超结构及阵列，能够制造突破黑体热辐射效率极限的中远红外窄带热辐射器。高导热陶瓷基板用粉体材料、轻质高强纳米合金材料、纳米太阳帆是未来航天探索的重要材料基础。光学微结构的超精密纳米加工与检测为我国超高灵敏光电复合探测技术、航天领域高分辨率空间探测器和高精度导航系统的研发和改进提供了重要支撑。新型纳米隐身涂层、纳米吸波材料、特种密封材料及多功能复合材料能够显著提高军事装备的性能。

——选自《张江科技评论》2018年第四期