中国纳米科学2035发展战略
  纳米科学技术是多学科交叉融合的智慧结晶,也是未来变革性技术的源泉。《中国纳米科学 2035 发展战略》包括纳米科学的战略地位、纳米科学的发展规律与发展态势、纳米科学的发展现状与发展布局、纳米科学的发展目标及其实现途径,系统分析了纳米科学的发展现状与态势,总结了纳米科学的发展思路与发展方向,并提出了我国相应的优先发展领域和政策建议。
  本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引,为科研管理部门提供了决策参考,也是社会公众了解纳米科学发展现状及趋势的重要读本。
编写组

总序

  党的二十大胜利召开,吹响了以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴的前进号角。习近平总书记强调“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”,明确要求到 2035 年要建成教育强国、科技强国、人才强国。新时代新征程对科技界提出了更高的要求。当前,世界科学技术发展日新月异,不断开辟新的认知疆域,并成为带动经济社会发展的核心变量,新一轮科技革命和产业变革正处于蓄势跃迁、快速迭代的关键阶段。开展面向 2035 年的中国学科及前沿领域发展战略研究,紧扣国家战略需求,研判科技发展大势,擘画战略、锚定方向,找准学科发展路径与方向,找准科技创新的主攻方向和突破口,对于实现全面建成社会主义现代化“两步走”战略目标具有重要意义。

  当前,应对全球性重大挑战和转变科学研究范式是当代科学的时代特征之一。为此,各国政府不断调整和完善科技创新战略与政策,强化战略科技力量部署,支持科技前沿态势研判,加强重点领域研发投入,并积极培育战略新兴产业,从而保证国际竞争实力。

  擘画战略、锚定方向是抢抓科技革命先机的必然之策。当前,新一轮科技革命蓬勃兴起,科学发展呈现相互渗透和重新会聚的趋势,在科学逐渐分化与系统持续整合的反复过程中,新的学科增长点不断产生,并且衍生出一系列新兴交叉学科和前沿领域。随着知识生产的不断积累和新兴交叉学科的相继涌现,学科体系和布局也在动态调整,构建符合知识体系逻辑结构并促进知识与应用融通的协调可持续发展的学科体系尤为重要。

  擘画战略、锚定方向是我国科技事业不断取得历史性成就的成功经验。科技创新一直是党和国家治国理政的核心内容。特别是党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央明确了我国建成世界科技强国的“三步走”路线图,实施了《国家创新驱动发展战略纲要》,持续加强原始创新,并将着力点放在解决关键核心技术背后的科学问题上。习近平总书记深刻指出:“基础研究是整个科学体系的源头。要瞄准世界科技前沿,抓住大趋势,下好‘先手棋’,打好基础、储备长远,甘于坐冷板凳,勇于做栽树人、挖井人,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破,夯实世界科技强国建设的根基。”

  作为国家在科学技术方面最高咨询机构的中国科学院和国家支持基础研究主渠道的国家自然科学基金委员会(简称自然科学基金委),在夯实学科基础、加强学科建设、引领科学研究发展方面担负着重要的责任。早在新中国成立初期,中国科学院学部即组织全国有关专家研究编制了《1956—1967 年科学技术发展远景规划》。该规划的实施,实现了“两弹一星”研制等一系列重大突破,为新中国逐步形成科学技术研究体系奠定了基础。自然科学基金委自成立以来,通过学科发展战略研究,服务于科学基金的资助与管理,不断夯实国家知识基础,增进基础研究面向国家需求的能力。2009 年,自然科学基金委和中国科学院联合启动了“2011—2020 年中国学科发展战略研究”。2012 年,双方形成联合开展学科发展战略研究的常态化机制,持续研判科技发展态势,为我国科技创新领域的方向选择提供科学思想、路径选择和跨越的蓝图。

  联合开展“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”,是中国科学院和自然科学基金委落实新时代“两步走”战略的具体实践。我们面向 2035 年国家发展目标,结合科技发展新特征,进行了系统设计,从三个方面组织研究工作:一是总论研究,对面向2035 年的中国学科及前沿领域发展进行了概括和论述,内容包括学科的历史演进及其发展的驱动力、前沿领域的发展特征及其与社会的关联、学科与前沿领域的区别和联系、世界科学发展的整体态势,并汇总了各个学科及前沿领域的发展趋势、关键科学问题和重点方向;二是自然科学基础学科研究,主要针对科学基金资助体系中的重点学科开展战略研究,内容包括学科的科学意义与战略价值、发展规律与研究特点、发展现状与发展态势、发展思路与发展方向、资助机制与政策建议等;三是前沿领域研究,针对尚未形成学科规模、不具备明确学科属性的前沿交叉、新兴和关键核心技术领域开展战略研究,内容包括相关领域的战略价值、关键科学问题与核心技术问题、我国在相关领域的研究基础与条件、我国在相关领域的发展思路与政策建议等。

  三年多来,400 多位院士、3000 多位专家,围绕总论、数学等18 个学科和量子物质与应用等 19 个前沿领域问题,坚持突出前瞻布局、补齐发展短板、坚定创新自信、统筹分工协作的原则,开展了深入全面的战略研究工作,取得了一批重要成果,也形成了共识性结论。一是国家战略需求和技术要素成为当前学科及前沿领域发展的主要驱动力之一。有组织的科学研究及源于技术的广泛带动效应,实质化地推动了学科前沿的演进,夯实了科技发展的基础,促进了人才的培养,并衍生出更多新的学科生长点。二是学科及前沿领域的发展促进深层次交叉融通。学科及前沿领域的发展越来越呈现出多学科相互渗透的发展态势。某一类学科领域采用的研究策略和技术体系所产生的基础理论与方法论成果,可以作为共同的知识基础适用于不同学科领域的多个研究方向。三是科研范式正在经历深刻变革。解决系统性复杂问题成为当前科学发展的主要目标,导致相应的研究内容、方法和范畴等的改变,形成科学研究的多层次、多尺度、动态化的基本特征。数据驱动的科研模式有力地推动了新时代科研范式的变革。四是科学与社会的互动更加密切。发展学科及前沿领域愈加重要,与此同时,“互联网 +”正在改变科学交流生态,并且重塑了科学的边界,开放获取、开放科学、公众科学等都使得越来越多的非专业人士有机会参与到科学活动中来。

  “中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”系列成果以“中国学科及前沿领域 2035 发展战略丛书”的形式出版,纳入“国家科学思想库 - 学术引领系列”陆续出版。希望本丛书的出版,能够为科技界、产业界的专家学者和技术人员提供研究指引,为科研管理部门提供决策参考,为科学基金深化改革、“十四五”发展规划实施、国家科学政策制定提供有力支撑。

  在本丛书即将付梓之际,我们衷心感谢为学科及前沿领域发展战略研究付出心血的院士专家,感谢在咨询、审读和管理支撑服务方面付出辛劳的同志,感谢参与项目组织和管理工作的中国科学院学部的丁仲礼、秦大河、王恩哥、朱道本、陈宜瑜、傅伯杰、李树深、李婷、苏荣辉、石兵、李鹏飞、钱莹洁、薛淮、冯霞,自然科学基金委的王长锐、韩智勇、邹立尧、冯雪莲、黎明、张兆田、杨列勋、高阵雨。学科及前沿领域发展战略研究是一项长期、系统的工作,对学科及前沿领域发展趋势的研判,对关键科学问题的凝练,对发展思路及方向的把握,对战略布局的谋划等,都需要一个不断深化、积累、完善的过程。我们由衷地希望更多院士专家参与到未来的学科及前沿领域发展战略研究中来,汇聚专家智慧,不断提升凝练科学问题的能力,为推动科研范式变革,促进基础研究高质量发展,把科技的命脉牢牢掌握在自己手中,服务支撑我国高水平科技自立自强和建设世界科技强国夯实根基做出更大贡献。

“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”

联合领导小组            

2023 年 3 月            

前言

  纳米科学技术是多学科交叉融合的智慧结晶,也是未来变革性技术的源泉,已成为国际上竞相争夺的战略制高点。纳米科技以其交叉性、基础性、引领性和变革性的特征,带动多个学科和前沿领域的快速发展,成为推动科学发展的新引擎。21 世纪,人工智能、大数据、物联网、移动通信等各类前沿技术,无不是以纳米科技作为基本的底层技术支撑。全球主要国家都进行了战略布局。

  纳米科技已经成为我国在基础前沿领域和变革性关键技术取得领先的重大机遇。我国纳米科技研究几乎与世界同时起步,经历了近 40 年的发展,取得了世界瞩目的突出成就。为了进一步提升我国纳米科技的发展水平,面向世界之大变局和未来挑战,本书总结已经取得的成绩和存在的问题,明确未来 10~15 年纳米科技战略发展的重点和前沿。

  本书根据中科院和自然科学基金委的部署,对纳米科技的发展,纳米科技基础研究和人才培养,提出了具有可实现性的发展建议。内容主要包括纳米学科的战略地位、发展规律和发展态势、发展目标及途径、优先发展领域和重大交叉领域、国际合作与交流、未来发展的保障措施等方面。内容体现了发展规划战略研究工作方案的要求,围绕未来 10~15 年我国纳米科学的总体发展态势,从纳米学科的研究特点和基本状况出发,分析和辨识我国纳米学科重要方向所处的发展阶段,提出未来的发展目标及发展方向。旨在为我国纳米科技研究未来的发展提供参考。

  在编写本书的过程中,多个领域的三十余位专家组成了研究组和秘书组,对书稿进行了认真、细致、系统讨论。① 专家咨询和调研阶段。第一次全体会议(2019 年 9 月 16 日)上本项目研究启动,明确了书稿中纳米科技研究的十个方向:新材料、跨尺度研究、自组装与仿生、纳米催化、纳米表界面、纳米器件与传感技术、极限测量技术、纳米理论、纳米生物医学和纳米技术变革性应用,并确定了各个方向的调研小组。调研小组分别就不同方向的国际国内发展规律、发展现状、发展布局、发展方向、优先发展领域与重大交叉研究领域、国际合作与交流、未来发展的保障措施进行了调研,并形成初稿。第二次和第三次全体会议(2019年 9 月 26 日和 2019 年 10 月 14 日)对本书的建议稿进行了认真评议,在此基础上,研究组对内容进行了反复修改和完善,最终形成了正式内容;2020 年上半年将修改的书稿在线上征求专家意见;2020 年下半年,根据要求,进一步请各领域专家补充相关材料。② 汇报阶段。2019 年 10 月 30 日在自然科学基金委第 246 期双清论坛进行了初期汇报;2020 年 1 月 20 日,中科院学部召开了联合启动会,明确了工作部署;2020 年 10 月 20 日,在自然科学基金委化学科学部进行了中期汇报,并根据意见提交汇报材料;2021 年 1~8 月,与科学出版社沟通书稿进展及各项体例安排,对书稿进行完善,并进行英文翻译,形成了出版审读稿,提交科学出版社审阅;2021 年10 月下旬,在自然科学基金委化学科学部专家咨询委员会八届四次会议做了结题汇报,通过专家论证(专家认为研究工作高质量完成,并达到出版水平)。书稿执笔人根据专家意见进行了后续补充修订,并于 2022 年 3 月提交了出版终稿。

  本书在研究和编著过程中,得到了诸多专家的大力支持,他们为本书的调研和组稿等做出了重要贡献;此外还得到很多同行的帮助,在此致以衷心的感谢!本书根据 2021~2035 年国家中长期基础科学发展的总体目标,总结成绩,分析现状,重视问题,提出未来10~15 年纳米科学优先领域发展战略,以及优化基金资助和管理的政策措施,为推动我国纳米基础研究取得重大突破,促进纳米学科的交叉融合和均衡发展提供方案参考。

赵宇亮

《中国纳米科学 2035 发展战略》编写组组长

2022 年 3 月 30 日

摘要

  一、纳米科学发展态势

  纳米科学是多学科交叉融合的智慧结晶,也是未来变革性技术的源泉,已成为国际上竞相争夺的战略制高点。纳米科技以其交叉性、基础性、引领性和变革性的特征,带动多个学科和前沿领域的快速发展,成为推动科学发展的新引擎。在科学前沿层面,纳米科学汇聚了化学、物理、生物、材料等学科领域在纳米尺度的焦点科学问题,成为现代科学最活跃的前沿研究领域,在基础科学中起到创新性、引领性、穿透性和带动性的作用。Elsevier 的统计和分析表明,纳米科学与各个基础学科交叉融合,带动了基础学科的发展;纳米研究文献广泛覆盖了近年来全球前沿研究主题,近 5 年,全球最受关注的研究主题中有九成与纳米相关。近 20 年,纳米科学的产出呈爆发式增长,纳米文献的增速是全球文献增速的 3.2 倍,从事纳米相关研究的科研工作者数量也显著增长。

  在技术前沿层面,纳米科技对产业的颠覆性和变革性特征凸显,成为技术变革和产业升级的重要源头,并极大地改变了人类的生活方式。纳米科技带来了量子加密材料、行星探测传感器、柔性电子材料、新型半导体加工技术和可穿戴人工肾脏等颠覆性技术创新;新冠疫情以来,新型纳米材料和技术在防护口罩、防护服、检测试剂等研发中实现了重要应用。未来 10~15 年,纳米科技将深度应用于信息、能源、环保、生物医学、制造、国防等领域,形成基于纳米技术的新兴产业。

  在国家战略层面,全球主要国家和经济体相继布局,把纳米科技作为未来科技、工业和经济领域竞争的制高点。发达国家希望通过纳米科技引领下一次产业革命;发展中国家则借此获得跨越发展的机遇。美国于 21 世纪初启动国家纳米技术计划(NNI);欧盟在框架计划 FP6、FP7 和地平线计划中一直部署纳米基础研究;日本在第二~五期科学技术基本计划中,连续将纳米科学确定为优先领域。目前,我国纳米科技研究已进入世界先进行列,成为我国最有希望实现跨越发展的领域之一。因此,纳米科技已经成为我国在基础前沿和变革性关键技术领域取得领先的重大机遇。我国纳米科技研究几乎与世界同时起步,经历了近 40 年的发展,取得了世界瞩目的突出成就。党的十八大以来,我国纳米科技发展紧密围绕四个面向,取得了从基础理论到应用实践的多项原始创新,在抗击新冠疫情、航空航天、国防安全等方面,发挥了坚实作用。我国纳米科学研究机构的国际竞争力稳步提高,据自然指数(Nature Index)排名,高质量纳米科学研究产出前 100 位的机构大多来自美、中这两个纳米科学研究大国。全国科技创新大会等明确指出纳米科技的创新发展为我国成为一个有世界影响的大国奠定了重要基础。

  二、未来优先发展领域

  1. 新材料领域

  经过几十年的长足发展,我国在纳米新材料领域已形成一系列有典型代表性的材料体系,如石墨炔新型碳材料、单原子催化剂、无机二维材料、稀土功能材料、限域催化材料等。制备决定未来,纳米新材料的发现必须依靠纳米尺度结构的精准设计与可控合成。随着合成化学、纳米测量技术的快速发展,纳米新材料的精准设计与合成及其性能探索已成为当今新材料研究领域的重中之重。

  未来 10~15 年,纳米新材料领域需重点布局:① 结合理论模拟精确构建纳米材料新结构体系,发展团簇新结构、拓扑电子材料、新型碳结构、稀土功能材料、无机超导新结构等高新性能材料。②构建纳米新材料的精准合成方法学,控制合成过程中相互作用力、表界面行为、成核过程、限域行为等,实现分子原子级控制,获得核心关键材料的可控合成,构筑实用的新材料体系。③ 系统研究纳米材料表面态、体态与基本物性之间的关联规律,获得其本征物性的决定性影响规律,结合理论计算发现新功能纳米材料体系。④ 加强我国现有的典型代表性材料研究,以国家重大需求为导向,放量制备装备。

  2. 跨尺度领域

  纳米科学技术的发展始于尺寸效应的研究。到目前为止,已发展了以量子尺寸效应为代表的半导体纳米晶体系,以富勒烯、Au 团簇等为代表的具有精确原子结构的团簇体系,并系统研究了构效关系。然而,对于团簇与单分散纳米晶体之间如何过渡、原子 / 分子聚集体如何实现量变过程到质变过程的转化等科学问题,尚缺乏系统性研究。近年来,随着亚纳米尺度材料等新兴方向和冷冻电镜等技术的发展,已具备了开展跨尺度研究的条件。我国科学家在纳米团簇控制合成及表征、亚纳米尺度材料概念及合成方法等方向拥有良好的研究基础。

  未来可重点布局的方向包括:① 亚纳米尺度材料合成方法学及构效关系研究;② 纳米团簇—亚纳米尺度材料—单分散纳米晶跨尺度可控合成、组装及构效关系的全链条研究;③ 跨尺度理论模拟。

  3. 自组装与仿生领域

  目前,国内外科研机构均致力于开发新构筑单元和组装方法,在空间乃至时间上调控多级次组装体的结构与功能。我国在纳米结构单元的可控合成、自限制组装和图案化设计等方面的研究成为优势方向。未来有望实现大规模自组装体的制备,并在微纳电子器件、能源和生命科学等广阔领域获得应用。此外,在仿生材料构筑方面,我国的产出规模在世界上占有领导地位;但实现仿生材料的可控构筑并获得宏观尺度的材料性能仍然面临很大挑战。

  未来 10~15 年,自组装与仿生领域需重点布局:① 在对自然生物材料深入解析的基础上,获取自然生物材料的构效关系,提取有效的仿生原理。② 在分子层次上,自下而上地设计和合成组装基元,实现在尺度、空间和组装过程乃至时间顺序上程序化调控纳米结构单元的组装方式、构型和序列,构筑多层次多维度的组装结构。③ 在宏观层次上,以功能为导向实现自组装材料从结构仿生到功能仿生的构筑,如手性自组装材料及表界面仿生材料等。④ 从非活性组装体到生命活性的多功能自组装结构的构筑,真正实现材料的智能化、实用化。⑤ 发展高效的仿生制备技术,实现具有实用价值的新型仿生材料的宏量构筑。

  4. 纳米催化领域

  纳米催化的目标是发展以原子、分子为起点的跨尺度纳米催化体系,面向功能分子和生物医药分子的高效绿色合成、能源高效转化、环境治理等,开展催化材料、催化体系、催化机理三方面的创新研究,解决人类可持续发展所需的资源、能源、环境、化学工业等相关问题。我国的纳米催化研究基本与国际同步,在单原子催化、限域催化、一碳化学品转化等若干领域居于领先水平;在催化剂产业方面则比较落后。

  未来,纳米催化领域需重点布局:① 基于单原子催化、限域催化、仿生催化、多位点协同催化的新型催化剂体系设计和反应体系研究。② 跨尺度催化研究,包括从原子级分散、团簇、纳米晶到多级结构的跨尺度催化材料的设计和制备。③ 真实反应条件下的表征和催化性能研究,包括真实反应条件下从宏观(结构统计分析)到微观(原子分子层面)的催化剂结构表征和结构重构研究。④ 针对新型能源小分子(如氢气)以及构建高值化学品的小分子(如 CH4,CO,CO2,N2)的催化活化转化过程。

  5. 表界面研究

  纳米材料的表界面结构对其物理、化学性能有着重要的影响,是规模化制备高质量纳米材料并精准调控其性能的关键。近年来,随着大量纳米材料的涌现及其独特性能的发现,国际上纳米材料的表界面研究正在不断与材料的合成和应用相互促进。我国的纳米材料表界面研究有很好的积累,在超浸润纳米界面、高指数晶面纳米晶体、界面限域催化、表面增强光谱技术、纳米表面配位化学等方面取得国际公认的研究成果,正在国际上形成重要特色。

  未来可重点布局的方向包括:① 纳米表界面结构化学—发展具