未来制造系列② | 纳米制造“以小博大”,开辟产业发展新赛道
写在前面的话
助理研究员
研究领域:未来产业和新兴产业、新兴产业研究
作者:孙源希
字数:6k+
“见微知著”的纳米科学
1、
什么是纳米技术?纳米科技是一种研究尺寸在1至100纳米之间的物质的运动规律、相互作用以及实际应用的科学技术。纳米制造是指具有特定功能的纳米尺度的结构、器件和系统的制造技术,主要分为两种方向——一种以微制造为基础向其制造精度的极限逼近,达到纳米加工的能力;另一种采用新物理效应对纳米量级进行操控制造。
早在1959年,理查德·费曼提出了在原子级别上操控物质的想法,1990年,科学家通过在镍表面用氙原子排列呈现出“IBM”三个字母,此后碳纳米管、介孔分子筛材料、电子墨水、晶态纳米线、纳米线激光器等一系列纳米材料和产品研发问世,至今纳米技术已经逐渐渗透应用到材料与制造、电子与信息技术、能源与环境、医学与健康等多个领域。
2、纳米制造技术种类丰富、应用场景广泛
基于纳米制造的两种方向,纳米加工技术可以简单地分为“自上而下”的高精度加工技术、“自下而上”的直接构建技术两种,前者主要包含定型机械纳米加工技术、磨粒纳米加工技术、非机械纳米加工技术、纳米光刻技术等类型,后者包含探针纳米加工技术等类型。
图 1 纳米制造技术的类型及分类
目前,纳米技术主要应用于生物及医学领域、纳米材料领域、电子和信息技术领域、能源和环境领域等。生物及医学领域,纳米技术在药物递送、生物医学成像、基因测序、细胞诊断与治疗、生物组织工程制造等细分领域都有应用,可以降低研发和治疗成本,并提高疾病治疗效率;纳米材料领域,主要包含纳米材料和纳米复合材料,可改变材料的原有属性,提高反应效率和性能,进一步拓宽应用领域。目前,这些纳米材料广泛应用于锂电池、半导体、塑料工业、橡胶工业、涂料工业、化工、航空航天等多个领域;电子和信息技术领域,主要包括纳米电子器件,以及制备纳米电子器件的相关仪器设备,可以有效提高电子设备的精度和性能,助推集成电路、芯片制造等技术的更新迭代;能源和环境领域,纳米技术在能源转换、能源储存、环境保护等方面都有应用,可有效提高环境处理效率,减少能源消耗和污染排放,促进双碳目标实现。
纳米技术俨然成为“兵家必争之地”
1、多国加强纳米技术战略规划部署
进入21世纪后,多国积极布局纳米领域,制定纳米技术相关发展计划,通过提供资金支持、加大产学研合作力度、培养纳米技术人员、完善纳米研究基础设施建设、促进纳米技术商业化落地等举措,推动本国纳米产业发展。
美国2021年发布的《国家纳米技术计划战略规划》提出要确保美国在纳米技术研发方面保持世界领先地位,促进纳米技术商业化,加强有利于纳米技术研究的基础设施建设,并促进公众参与;日本不断推进纳米材料和纳米电子领域的研究;韩国重视半导体产业,2024年初韩国总统尹锡悦公布了打造全球最大规模半导体超级集群的计划,将以2纳米制程芯片和高带宽存储芯片等尖端产品为中心建造半导体生产基地;德国最新的《纳米技术行动计划2020》大力支持微电子和芯片领域的纳米技术研发以及纳米材料的研发;中国既侧重于纳米技术相关基础研究,也重视纳米材料的应用,2023年出台的《前沿材料产业化重点发展指导目录(第一批)》指出,要率先批量产业化的前沿材料包括单/双壁碳纳米管、量子点材料等纳米材料。
2、欧美国家纳米技术加快商业化落地
欧美国家重视纳米技术商业化落地,在生物医药、纳米材料、电子信息技术等领域集聚了一批顶尖企业,形成了产业集聚。一是生物医药领域,医疗纳米技术方面的全球顶尖企业主要来自美国、法国、英国、比利时、瑞士、日本等国家,其中美国企业占比最高;纳米药物主要制造商也以美国、瑞士、日本为主。二是纳米材料领域,主要涉及碳纳米管、纳米碳酸钙、石墨烯等材料,美国、加拿大、韩国、日本企业是市场的主要参与者。以石墨烯为例,美国有NeoGraf、Global Graphene Group、加拿大有 NanoXplore。三是电子信息技术领域,美国、日本、德国、荷兰等国家牢牢占据行业领先地位,并不断强化技术优势。其中,美国的FEI、Lam Research和Coherent,日本的日立和JEOL是非机械纳米加工技术的龙头,而光刻技术以荷兰ASML公司、日本尼康和佳能等为主。
3、我国主要省市纳米产业集群加速崛起
北京、苏州、广州、河北、河南等省市相继出台纳米材料领域的政策方针,支持纳米材料及下游应用产业发展。目前已初步形成了北京纳米科技产业园、苏州纳米城、广州中国纳米谷等具有代表性的产业基地,推动纳米技术在能源、电子、环境、生物医药、新材料等领域的广泛应用,同时也催生了新型的智能传感器、纳米机器人和微型医疗设备等产业。未来,随着河北定州、湖南娄底等一批纳米项目的落地,更多省市将加入打造纳米产业基地的行列。
4、新兴纳米技术有望拓宽应用领域
随着新兴纳米技术的突破,纳米制造在生物医药、电子信息、新材料等领域的应用范围将进一步拓展。一是纳米机器人将加速在生物医药领域的应用落地。近几年,国内外研究机构不断突破医药纳米机器人创新成果,例如美国加州圣地亚哥分校研究团队于2022年开发用于肺部感染治疗的藻类-纳米颗粒混合微型机器人,南京邮电大学研究团队于2024年开发出能够实现靶向血栓的精准给药的智能DNA溶栓纳米机器人,中国科学院科研团队于2024年推出能够以“大靶套小靶”方式精准递送药物的微纳米机器人系统等,将加快纳米机器人在疾病治疗领域的应用。二是纳米压印技术或将影响光刻机及相关产业。佳能公司于2023年10月宣布推出能够制造5nm芯片的纳米压印半导体设备FPA-1200NZ2C,该设备有望打破ASML对高端光刻市场的长期垄断,同时,纳米压印技术的突破式发展也将带动芯片制造、集成电路制造等相关产业的技术进步。三是量子点技术将拓宽相关领域应用范围。近期,中国科学院上海微系统与信息技术研究所获得红色与蓝色磷光发射的掺杂石墨烯量子点,韩国科学技术研究院开发出能够实现18.1%效率的量子点太阳能电池,量子点技术的最新突破将进一步拓宽纳米材料、纳米电子设备等的应用范围。
上海纳米产业布局雏形初现
经过多年发展,上海汇聚了一批纳米技术领域的顶尖企业和专业化的研究机构,产出了一部分基础研究以及纳米技术方面的创新成果,为本地纳米产业发展打下了坚实的基础。
1、拥有一批专业研发机构
上海拥有一批纳米领域专门性的研究机构,包括高校研究团队以及专业化研究平台,为纳米科技的发展提供着强大的智力支持。高校研究团队中,上海交通大学拥有微纳科学技术研究院、纳米生物医学研究中心等,复旦大学拥有纳米薄膜实验室,新设智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院,华东理工大学在新材料领域研发优势突出,拥有超细材料制备与应用教育部重点实验室。此外,同济大学、上海科技大学、上海理工大学等也集聚了一批纳米研发平台。专业化研究平台中,位于上海闵行的纳米技术及应用国家工程研究中心是我国政府在布局国家发展纳米科技与产业方面专门设立的、唯一一所从事纳米技术及应用研究的国家级工程研究中心,致力于纳米技术在环境治理、功能材料、生物医药、清洁能源、表面信息等领域的应用。此外,上海还集聚了上海市纳米科技与产业发展促进中心、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所等重量级研究机构。
2、产出一批纳米创新成果
上海高校研究团队以及专业化研究机构不断产出纳米领域研究成果,“国家重点研发计划”中来自于上海高校和研究机构的纳米项目主要聚焦于纳米生物及医学领域(见表3)。例如,2017年上海交通大学的“胃癌早期筛查与全病程监测的纳米技术及转化研究”项目、2020年同济大学的“用于肺癌免疫治疗的新型喷雾式纳米药物”项目、2023年上海交通大学的“基于仿生纳米材料的关节软骨修复技术及植入体研发”项目等。
3、初步形成了产业集聚
上海纳米技术主要应用于新材料、生物医药、光刻机制造等领域,涌现出一批具有行业影响力的代表企业。在纳米新材料领域,上海集聚了纳琳威、英佛曼、畅的新材料、硼矩新材料等一批代表企业,其中纳琳威是一家拥有TPU漆面保护膜全产业链的研发及生产企业;英佛曼填补了多项纳米材料工业应用的技术空白。在纳米生物医药领域,上海复旦张江生物医药股份有限公司早在2009年就上市销售国内外首个纳米药物的仿制药物—里葆多,上海谊众在纳米给药系统和抗肿瘤药剂型创新领域,拥有纳米胶束药物载体和药用高分子辅料合成的关键技术,上海细胞治疗集团、上海洛启生物医药技术有限公司等企业纳米抗体药物研发走在全国前列。在纳米光刻机领域,上海微电子是国内光刻机整机制造巨头,最先进的光刻设备能够满足90nm的工艺需求并实现量产,是未来国内最有机会攻克7nm光刻机的企业。除此以外,随着上海交通大学在原子精确的“超”稳定纳米机器领域取得重要进展、上海理工大学庄松林院士团队发明世界首个传统机械式纳米机器人等一批研究成果的产出,上海或将涉足纳米机器人产业。
时不我待,加速推动纳米产业腾飞
1、强化顶层统筹设计
建议上海加快出台纳米制造的行动方案或实施意见,确定纳米制造发展的目标定位、重点应用领域和支持政策。在应用领域方面,结合上海先进制造业的优势,可推进纳米技术在集成电路光刻机、机器人、药物研发、新材料、新能源、人工智能等领域的广泛应用。在支持政策方面,从纳米制造企业面临的短板和实际诉求出发,围绕关键技术突破、应用场景开源、产品市场推广、创新人才招引等制定或完善纳米制造支持政策。
2、突破关键核心技术
依托上海交大、复旦、华理工等高校和科研院所在纳米技术的研发实力,积极争创纳米制造全国重点实验室、国家重大科技基础设施,争取国家创新资源的倾斜。鼓励各类创新主体争取国家科技重大专项、国家重点研发计划项目,并给予相应的财政资助。聚焦光刻机、生物医药、新材料等优势产业领域,鼓励行业领军企业联合高校院所成立纳米制造创新联合体,协同开展研发创新。积极探索揭榜挂帅、赛马制等科研组织形式,组织企业、高校院所联合市内外机构开展关键核心技术攻关。
3、
加强重点项目招引强化纳米制造跟踪研究机制,绘制纳米制造细分领域产业图谱,动态梳理更新全市各细分领域上下游企业、产业生态圈企业集聚清单,明确产业拓展延伸需求和拟招引企业名录。重点瞄准产业链上下游的链主型企业、具有影响力的专业化研究机构、行业领军人才等优质资源落户上海、形成集聚。借鉴北京纳米科技产业园、苏州纳米城、广州纳米谷的经验,充分利用现有的闲置土地资源或楼宇空间,打造一个包含创新研发、成果转化、生产制造、投融资服务、总部办公、生活配套等多功能在内的上海纳米产业城。