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
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
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—发展具原子精度的模型纳米材料体系，系统梳理不同纳米材料的表界面结构化学；② 纳米表界面化学反应机制研究—在分子层面上理解纳米材料的表界面微观化学过程，以实现对纳米材料化学性能的精准调控。
6. 纳米器件与传感领域
纳米器件方面，光电子技术在 2000 年之后取得飞速发展，经历了从单元器件到规模化集成的技术过渡，目前大规模光电子集成器件及芯片已经成为国际竞争最激烈的领域之一。我国面临着巨大的挑战。我国集成光电子器件及芯片进口额巨大，是我国第一大进口商品。我国在基础单元器件方面积累了一定的经验与技术；但是，综合技术十分薄弱。
因此，未来既要加强单元器件的研制，也要布局集成器件的整链开发，为国家提供技术储备。纳米器件研究需重点布局：建立国家重大需求牵引，涵盖基础与应用研究相结合的整体布局，包括纳米感知材料、纳米效应、纳米器件结构，并且融合纳米能源一体化技术、多源融合辨识以及纳米加工等，形成完整的研发体系。要解决的科学问题有：① 研究纳米器件中物理、化学与生物特性，建立相应的分析、仿真与测试评价方法，探索器件中的纳米效应相关基础科学问题；② 研究通过控制纳米材料结构、器件工艺等调控纳米效应，实现优异的纳米器件功能与传感特性，建立从纳米效应到器件的桥梁。
传感技术方面，纳米传感器集超高灵敏度、小型化、集成化和可视性等优异性能于一体而备受重视。美国、日本等均投入巨资发展纳米尺度的传感技术。近年来，我国在公共安全、环境监测、生物安全、工矿企业安全等方面的传感检测需求快速增长。我国在纳米材料的生物、化学、物理传感领域的基础理论研究方面取得了国际先进成果，但在面向应用的纳米传感器研发方面与国外差距较大，缺乏国际竞争力。
未来纳米传感技术研究应重点布局：① 实现传感活性材料和结构的精确组装与调控，构筑具有特定解耦功能的感知材料；② 建立纳米尺度的新型仿真方法，探索多场复杂环境下纳米传感结构内部与界面上光子、电子、离子、磁场和压力等物理量的变化和传输规律，利用精准电路 / 光路等设计方法实现纳米尺度多模态、多维度信号的捕获、传输与解调，实现纳米传感器的智能化；③ 开展多维复杂环境下，纳米传感器性能科学评估方法、纳米感知材料—传感性能构效关系研究，提升纳米传感器复杂环境中的可靠性设计与试验技术，提高探测的稳定性和重复性；④ 发展纳米制造工艺和高端纳米制造装备，促进纳米传感器的微型化与集成化。
7. 极限测量领域
纳米极限测量研究在纳米科学领域还没有发挥应有的作用。目前表征手段比较单一，测量精度也有待提高，制约了人们对纳米尺度下各种现象和机理的理解。长期以来，欧美日等发达国家（地区）高度重视透射电子显微术的研究，形成了技术领先优势。我国对先进透射电子显微术的研究和应用也十分重视，在仪器规模、技术研发、物质结构研究及人才培养等方面取得了令人瞩目的成就，有力地推动了我国纳米科学的发展。但是在高端电镜研发、基础理论研究、新表征技术的探索和应用方面仍与发达国家有相当的差距。
未来，极限测量技术的研究应重点布局：① 加强极限光谱学研究，特别是超快时间分辨和高空间分辨率、具备实时和原位分析能力的光谱学探针的研究，引导光谱研究方法与纳米科学的交叉；②与表界面研究联合，进一步发展空间、时间和能量域下的极限测量方法，实现原子分子尺度的原位、实时和动态表征；③ 完善现有的扫描探针显微术，光谱、能谱技术以及理论模拟仿真等平台的集成，在此基础上发展新技术、新方法，最终实现精确结构分辨下的物理化学性质测量；④ 随着以同步辐射和自由电子激光为代表的大型光子科学装置的迅速发展和建设，实现对非模型体系、非晶态材料的结构解析和特定元素周围的电子转移等超快过程探索。
8. 纳米理论研究
基于第一性原理的电子结构计算方法可以预测纳米材料的结构与性能，理解实验现象，指导实验研究，在纳米科学研究中发挥着重要的作用。近年来，我国在纳米理论方面发展迅速，发展了一些在国际上有影响力的理论与计算方法，如非绝热动力学方法、线性标度的基态电子结构计算方法等；揭示了纳米结构催化机理，提出了一些纳米电子学、光电与光催化材料新概念。
未来，纳米理论研究需重点布局：① 发展快速、准确描述复杂纳米体系电子结构的计算方法，多尺度模拟复杂纳米体系在外场下的结构与性能的动态响应与演化，实现纳米结构中电子与自旋相互作用的精确描述；② 结合物理基本原理与机器学习，发展纳米体系设计思路，设计纳米材料与结构实验，指导实验研究。
9. 纳米生物医学
纳米生物医学包含了纳米药物、纳米诊断与分子影像、纳米生物催化与纳米酶、纳米生物材料、纳米生物传感与检测、纳米生物效应与安全性等多个研究方向。近年来，纳米技术在医药领域的应用越来越广泛，相关纳米生物技术的研究突飞猛进、取得了大量突破性进展。药物输送和疾病的精准治疗是近年来纳米生物医学研究中的核心内容和主要应用，表现出强劲的发展势头。
未来纳米生物医学领域的重点布局包括：① 智能纳米药物递送系统设计及其体内代谢与生物相容性的研究；② 纳米酶催化模型的建立及催化机理的精确解析，纳米酶的理性设计及催化活性的精确评价与调控；③ 智能纳米诊疗探针的理性设计及组装制备，开展细胞、活体水平的高分辨、多参数、多模态、多维度可视化成像分析，实现针对特定疾病的成像诊断。
10. 纳米技术的变革性应用：纳米能源
我国在硅基光伏面板、LED 照明与显示、锂离子电池等方面，具有庞大的市场和完善的产业链，产业规模均居于世界前列，有着重要的国际地位，但同时也存在原创技术少，高端制造所需的材料、电子元件与设备“卡脖子”等问题。
未来需要布局的重点方向：① 改变能源结构的“绿色”建筑能源。包括基于钙钛矿和有机薄膜的建筑光伏，高密度、高安全的楼宇储能技术，辐射制冷、智能窗材料与技术等。② 未来信息技术与移动装置的能源系统，包括 5G 通信用全固态锂电池与相关材料，固态电容、低温烧结陶瓷与纳米粉体，以及热电、压电、摩擦电等微小能源系统等。
Abstract
1.The Development Trend of Nanoscience
Nanoscience is the masterpiece of interdisciplinary integration, the source of transformative technologies in the future, and the strategic commanding point of international competition. Nanotechnology has driven the rapid development of multiple disciplines and frontier felds, becoming a new engine for scientific development. Various cuttingedge technologies in the 21st century, such as artificial intelligence, big data, Internet of Things and mobile communication, are based on nanotechnology.
On the scientifc level, nanoscience brings together scientifc issues at the nanoscale in the felds of chemistry, physics, biology and materials. It has become the most active frontier research feld in modern science, playing an innovative, leading, penetrating and driving role in basic science. Data from Elsevier shows that the output of nanoscience has grown explosively in the past 20 years. The growth rate of nanoscience literature is 3.2 times that of global literature, and the number of scientifc researchers engaged in nano-related research has also increased signifcantly.The integration with nanotechnology drives the development of basic disciplines, andnanoscience literature has covered a wide range of cutting-edge research around the world. In the last fve years, 89% of the most discussed research topics in the world are nano-related.
On the technical level, nanotechnology has been becoming an important source for technological change and industrial upgrading, and has greatly changed the way of life. It has brought technological innovations such as quantum encryption materials, planetary detection sensors, flexible electronics materials, new semiconductor processing technologies and wearable artificial kidneys. During the COVID-19 pandemic, nanomaterials and technologies have achieved important applications in protective masks, protective clothing, detection reagents. In the next 10 years, nanotechnology will be deeply applied in the felds of information, energy, environment, health and manufacturing, forming a new industry based on nanoscience.
On the strategic level, major countries (regions) around the world have made arrangements to take nanotechnology as the commanding heights of future competition. Developed countries hope to lead the next industrial revolution through nanotechnology while developing countries take this opportunity to achieve leap-type development. The United States launched the National Nanotechnology Initiative (NNI) at the beginning of the 21st century. The European Union has been deploying basic nanotechnology research in the Framework Program FP6, FP7 and the Horizon Project. Japan has continuously identified nanoscience as a priority area in the 2nd to 5th science and technology basic plan. At present, nanotechnology research in China is one of the most promising fields to achieve spanning development. Therefore, nanotechnology has become a major opportunity for China in basic frontier fields and transformative technologies. China started almost at the same time as the world and has made outstanding achievements after nearly 40 years’development. Since the 18th National Congress of the Communist Party of China, research on nanotechnology has achieved many original innovations from basic theories to applied technologies in the fields of epidemic prevention and control, aerospace, national defense and security, etc. The international competitiveness of nanoscience research institutions in China has steadily improved, ranking among the best in the Nature Index.
General Secretary Xi Jinping clearly pointed out on important occasions that the innovative development of nanotechnology has laid an important foundation for China to become a major country with global infuence.
2. PriorityAreas for Future Development
1) Field of Advanced Materials
After decades of rapid development, China has formed a series of typical material systems in the feld of nanomaterials, such as graphyne carbon materials, single-atom catalysts, inorganic two-dimensional materials. Production determines the future, and the discovery of new nanomaterials must rely on the precise design and controllable synthesis of nanoscale structures. With the rapid development of synthetic chemistry and nanometer measurement,the precise design, synthesis and performance exploration of new nanomaterials have become the top priority in the feld of advanced research on materials today.
2) Cross-scale Domain
The development of nanoscience and technology began with the study of size effects. So far, semiconductor nanocrystalline systems represented by quantum size effects, and cluster systems with precise atomic structures represented by fullerenes and Au clusters have been developed, and the structure-function relationship has been systematically studied. With the development of emerging felds, such as sub-nanoscale materials and cryo-electron microscopy in recent years, the conditions for conducting cross-scale research have been established. Chinese scientists have a good research foundation for the controlled synthesis and characterization of nanoclusters, the concept of sub-nanoscale materials and synthesis methods.
3) Self-assembly and Biomimetic Field
At present, domestic and foreign scientific research institutions are both committed to developing new construction units and assembly methods to regulate the structure and function of hierarchical assemblies in space and time. Research on the controllable synthesis of nanostructured units, self-limiting assembly and patterned design have become advantageous felds in China. In the future, it is expected to realize the production of large-scale self-assembled bodies, applied in a wide range of felds such as micro/nano electronic devices, energy and life sciences. In addition, China’s output scale in the construction of biomimetic materials occupies an absolute leading position in the world. However, to achieve the controllable construction of biomimetic materials and to obtain macro-scale material properties still face great challenges.
4)Nano-catalysis
The goal of nano-catalysis is to develop a cross-scale nano-catalytic system that facilitates efcient green synthesis, efcient energy conversion and environmental governance. Innovative research on catalytic materials, systems and mechanisms should be developed to solve issues related to sustainable development of mankind, such as resources, energy, environment and chemical industry. The research of nano-catalysis in China is basically synchronized with the world, leading in several fields such as single-atom catalysis, confinement catalysis, and one-carbon chemical conversion, but lagging behind in the catalyst industry.
5) Research on Surface and Interface
The surface and interface structure of nanomaterials has an important infuence on the physical and chemical properties, and is the key to large-scale production of high-quality nanomaterials and the precise control of their properties. There has been a good accumulation of surface and interface studies of nanomaterials in China, and internationally recognized research results have been obtained in such aspects: superwetting nanomaterial interface, nanocrystals with high index crystal surface, interfacial confnement catalysis, surface enhanced spectroscopy, and coordination chemistry of nanomaterial surface.
6)Nano-devices and Sensing Field
In terms of nano-devices, optoelectronic technology has developed rapidly since 2000, and has experienced a technological transition from unit devices to large-scale integration. At present, large-scale integrated optoelectronic devices and chips have become one of the most competitive felds in the world and China is facing enormous challenges. Although China has accumulated certain experience and technology in basic unit devices, the comprehensive technology is still very weak. Therefore, it is necessary to strengthen the research on unit devices and the development of the entire chain of integrated devices in the future, to provide technical reserves for China.
In terms of sensing technology, nano-sensors have excellent performance such as ultra-high sensitivity, miniaturization, integration, and visibility. The United States and Japan have invested heavily in the development of nano-scale sensing technology. In recent years, the testing demand in public safety, environmental monitoring, biosafety, and industrial/mining enterprise safety is growing rapidly in China, which has made internationally advanced achievements in basic theoretical research in the fields of biological, chemical, and physical sensing of nanomaterials, but is far behind foreign countries in the development of application-oriented nano-sensors.
7) Extreme Measurement Field
At present, the research of nanometer extreme measurement has not played its due role in the field of nanoscience, which restricts people’s understanding of various phenomena and mechanisms at the nanometer scale. The characterization method is relatively simple, and the measurement accuracy needs to be improved. For a long time, developed countries have attached great importance to the research of transmission electron microscopy. China also attaches great importance to the research and application of advanced transmission electron microscopy, and has made remarkable achievements in technical development, material structure and personnel training, strongly promoting the development of nanoscience in China. However, there is still a considerable gap in the research and development of high-end electron microscopes, basic theoretical research, and the exploration and application of new characterization techniques.
8) Nano-theoretical Research
Electronic structure calculation methods can predict the structure and performance of nanomaterials, understand experimental phenomena and guide experimental research. It plays an important role in nanoscience research. In recent years, China has developed rapidly in nano-theories as well as calculation methods with international infuence. The mechanism of nanostructure catalysis has been revealed, and new concept of nanoelectronics, photoelectric as well as photocatalytic materials have been proposed.
9) Nano-biomedicine
Nano-biomedicine includes nano-medicine, nano-diagnosis and molecular imaging, nano-biocatalysis and nano-enzymes, nano-biomaterials, nano-biosensing and detection, nano-biological efects and safety, etc. In recent years, Nanotechnology is more widely applied in the feld of medicine, and the research related to nanobiotechnology has made rapid progress with lots of breakthrough outcomes. Drug delivery and precise treatment of diseases have been the core content and main application of nano-biomedicine research recently, showing a strong tendency of progression.
10) Revolutionary Applications of Nanotechnology
The industrial scale of silicon-based photovoltaic panels, LED lighting and displays, lithium-ion batteries and consumer electronics in China is at the forefront of the world due to the huge market and complete industrial chain. But problems, such as lack of original technologies, high-end manufacturing materials, electronic components, and equipment, still exist.
3.Measures and Safeguards
In order to strengthen research in nanoscience and accelerate the development of nanoscience disciplines, the following measures are recommended:
(1) To optimize the distribution of disciplines and reform the evaluation system.
(2) To integrate scientific research resources and establish a large-scale platform.
(3) To pay attention to policy linkage and strengthen the talent system.
(4) To attach importance to basic research and encourage interdisciplinary trials.
(5) To formulate global strategies and promote international cooperation.
(6) To open up and reform applications with overall balanced development.
This book presents the endorsed results of important studies in basic and applied areas of nanoscience and nanotechnology. It serves as a science policy initiative to the consulting program of NSFC and CAS, addressing the requirements for the medium-term and long-term planning on scientific and technological development. We wish to thank all the participants for their valuable insight and dedicated work in conducting this strategic study of nanoscience. Despite the complete list of the expert panel, the core experts need a specifc introduction here.
Prof. Yuliang Zhao, the director of this program, is the Director of NCNST and Director of CAS Key Laboratory for Biomedical Efects of Nanomaterials and Nanosafety. He was elected CAS member in 2017 and fellow of TWAS in 2018. He built the worldwide earliest laboratory specifically focusing on the investigation of nanotoxicity in 2001, with an emphasis on the safe and sustainable development of frontier sciences and technologies.Prof. Zhao is the author of over 500 manuscripts and over 26 patents worldwide. His publications have been cited about 37000 times (H-index ca.100) worldwide. Prof. Zhao has greatly contributed to the discovery of novel biochemical properties of materials on nanoscale, the initiation of forefront in multidisciplinary nanosciences, the promotion of nanomedicine application, and the public consciousness for responsible research in China.
Prof. Jin Zhang, the deputy director of this program, works in the College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University. He was appointed Deputy Director of Key Laboratory for the PhysicsandChemistry of Nanodevices in 2003, and Deputy Dean of the College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, in 2015. Since 2018, Prof. Zhang has been appointed theDeputy Director of NCNST.
Prof. Zhiyong Tang joined NCNST in 2006. His research interest focuses on fabrication, assembly and application of inorganic nanomaterials in the feld of energy and catalysis.Prof. Tang used to be Chief Scientist of National Basic Research Program of China as well as Chief Scientist of Innovative Research Group of NSFC. He served as scientific editor of Nanoscale Horizons, associate editor of Materials Today Energy. Prof. Tang became theDeputy Director of NCNST in 2017.
Prof. Qing Dai joined NCNST in 2012.He is currently Distinguished Professor at CAS and fellow of the Royal Society of Chemistry. He received the National Science Fund for Distinguished Young Scholars and the Science and Technology Award for Chinese Youth in 2019. Professor Dai’s research focuses on manipulating the polaritons in nanomaterials to solve the key scientifc problems of photoelectric signal conversion at the micro-nano scale.
Dr. Shuxian Wu is currently a researcher in NCNST. She provided contributions for the whole program, very much engaged in coordinating, writing and editing, and in pushing everyone along to get the best possible results.
