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纳米技术的发展远景：美国国家纳米计划（NNI）十年1

第1章 研究方法：理论、建模与模拟24

1.1 未来十年展望24

1.1.1 过去十年进展24

1.1.2 未来十年愿景25

1.2 过去十年的进展与现状25

1.2.1 纳米技术进展：TM＆S的作用25

1.2.2 理论进展：启用建模与模拟26

1.2.3 计算技术进展：强有力的TM＆S技术27

1.2.4 纳米材料的模拟与设计进展30

1.2.5 多尺度模拟与建模的进展31

1.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案31

1.3.1 多尺度理论、建模和模拟的目标32

1.3.2 纳米材料预测性设计的目标32

1.3.3 计算和基础单元模拟的目标33

1.3.4 困难33

1.3.5 解决方案34

1.4 科技基础设施需求36

1.4.1 信息基础设施36

1.4.2 超级计算基础设施37

1.4.3 方法开发37

1.4.4 针对特定问题的机构37

1.4.5 专注模拟驱动研究的虚拟研究院38

1.5 研发投资与实施策略38

1.6 总结与优先领域38

1.7 更广泛的社会影响39

1.8 研究成果与模式转变实例40

1.8.1 定量模拟与分子电导预测40

1.8.2 控制量子点中的单个电子41

1.8.3 纳米孔DNA测序中的电子识别42

1.8.4 自旋转移矩（STT）器件的建模和模拟43

1.8.5 基于DNA连接的金纳米粒子和聚合物的新材料：理论视角43

1.8.6 纳米生物传感器的性能极限与设计建模45

1.8.7 纳米流体有序固态的一级相变47

1.8.8 通过数百万原子模拟进行单杂质计量48

1.9 来自海外实地考察的国际视角49

1.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）49

1.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）51

1.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）52

参考文献54

第2章 创新性研究用检测工具：方法、仪器与计量59

2.1 未来十年进展59

2.1.1 过去十年进展59

2.1.2 未来十年愿景60

2.2 过去十年的进展与现状61

2.2.1 用扫描探针显微术表征纳米尺度的结构、性能和过程61

2.2.2 观测更加复杂的现象：从化学识别到矢量性质的成像62

2.2.3 物理领域前沿的进展63

2.2.4 化学与催化领域前沿的进展64

2.2.5 器件的原位表征64

2.2.6 基于电子束的显微镜64

2.2.7 像差矫正电子显微镜66

2.2.8 基于同步辐射束线的纳米表征技术67

2.2.9 用于纳米制造的仪器与计量：纳米光刻69

2.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案71

2.3.1 电磁现象根源的原子尺度探测72

2.3.2 三维原子分辨的结构探测与化学分辨能力72

2.3.3 用高空间分辨和高时间分辨方法表征动力学过程73

2.3.4 生物与软物质体系中的复杂性问题73

2.3.5 原位与多功能的探测工具73

2.3.6 用于纳米制造的工具74

2.4 科技基础设施需求74

2.5 研发投资与实施战略74

2.6 总结与优先领域75

2.7 更广泛的社会影响75

2.8 研究成果与模式转变实例75

2.8.1 分子层次的复介电函数76

2.8.2 单电子自旋探测76

2.8.3 X射线散射的阿秒过程77

2.8.4 电子光学78

2.9 来自海外实地考察的国际视角80

2.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）81

2.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）83

2.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）84

参考文献86

第3章 结构、器件、系统的合成、加工和制造93

3.1 未来十年展望93

3.1.1 过去十年进展93

3.1.2 未来十年愿景94

3.2 过去十年的进展与现状96

3.2.1 共聚物块体的纳米光刻97

3.2.2 扫描探针基刻蚀98

3.2.3 1D系统101

3.2.4 金纳米结构的DNA-基质组装103

3.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案106

3.3.1 纳米图形化工具106

3.3.2 等离激元人工介质材料106

3.3.3 组合化学107

3.3.4 从硅到碳基器件的过渡107

3.3.5 生物活性和仿生器件107

3.3.6 纳米制造能力107

3.3.7 木材生产工业中的纳米技术107

3.4 科技基础设施需求108

3.5 研发与实施策略108

3.6 总结与优先领域109

3.7 更广泛的社会影响110

3.8 研究成果与模式转变实例110

3.8.1 石墨烯的发现（见第8章 ）110

3.8.2 原子级精度加工的机遇112

3.8.3 树枝球：2010～2020年113

3.8.4 树枝球族115

3.8.5 新型纳米陶瓷116

3.8.6 先进的碳线118

3.8.7 分形纳米制造：多尺度功能材料构筑120

3.8.8 美国和国际纳米制造网及纳米合作组织122

3.9 来自海外实地考察的国际视角124

3.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）124

3.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）126

3.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-新加坡研讨会（新加坡）128

参考文献128

第4章 纳米技术环境、健康与安全性问题135

4.1 未来十年展望135

4.1.1 过去十年进展136

4.1.2 未来十年愿景137

4.2 过去十年的进展与现状137

4.2.1 碳纳米管的数据采集、检测及管理138

4.2.2 TiO2,ZnO以及硅纳米颗粒的数据采集、检测及管理139

4.2.3 纳米银的数据采集、检测及管理140

4.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案141

4.3.1 建立有效的nano-EHS筛选方法和统一方案，促进与纳米技术发展并行的标准化ENM风险评估141

4.3.2 通过收集商业纳米产品数据、监管、相关决策制定，针对这些EHS研究来制定并逐步实施风险降低战略143

4.3.3 与相关知识的获取和决策的逐步制定配套，制定明确的纳米EHS监管战略145

4.3.4 发展计算分析方法，为纳米EHS风险评估和模型提供计算机建模146

4.3.5 发展高通量和高容量筛选方案，作为研究纳米材料毒性、危害分级、区分动物研究和纳米QSAR模型的优先次序，以及指导纳米材料的安全设计的通用工具148

4.3.6 改进用于治疗和诊断的纳米材料的安全性筛选和安全设计148

4.3.7 针对逐渐增多的以功能化、嵌入式或复合材料形式引入的更复杂ENM的安全性评估思考150

4.4 科技基础设施需求150

4.4.1 开发先进仪器和分析方法，作为复杂生物及环境体系中ENM更加有效、可靠的表征、评估及检测手段150

4.4.2 开发应用于复杂预测建模的计算模型、算法和多学科资源152

4.4.3 通过跨学科教育和训练发展研究人员，尤其是在研究方向集中的纳米EHS领域153

4.5 研发投资与实施策略155

4.5.1 加强工业界对纳米EHS研发资助方面的作用155

4.5.2 加强美国联邦对建设研究ENM毒性所需的公共基本设施的关注155

4.5.3 促进纳米EHS研发中的跨界合作156

4.6 总结与优先领域157

4.6.1 纳米科技在促进环境治理和可持续发展中的作用，包括绿色制造业157

4.6.2 安全设计方法促进纳米技术的可持续发展159

4.6.3 纳米技术在农业和食品中的作用，包括加强食品安全以及证明食品中纳米材料的安全性161

4.6.4 已确定为今后十年首要任务的关键问题162

4.7 更广泛的社会影响163

4.8 研究成果与模式转变实例163

4.8.1 建立体外危害评估与整体动物体内损伤相关性的典型预测毒理学范例163

4.8.2 加利福尼亚大学纳米技术环境影响研究中心利用多学科研究技术，确立纳米技术环境安全性实施的知识体系举例165

4.8.3 废水系统中ENM环境暴露的量化评估167

4.8.4 纳米EHS认知和风险降低策略的公私合作模式169

4.8.5 美国国家职业健康与安全研究所（NIOSH）的职业安全准则，包括使用监测设备来对工作场所进行调查171

4.9 来自海外研讨会的国际视角173

4.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）173

4.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）174

4.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-新加坡研讨会（新加坡）176

参考文献178

第5章 纳米技术与可持续发展：环境、水、粮食、矿产和气候188

5.1 未来十年展望188

5.1.1 过去十年进展188

5.1.2 未来十年愿景：一个平衡的世界190

5.2 过去十年的进展与现状192

5.2.1 可持续的水供应：提供洁净的水源192

5.2.2 食品安全和可持续性：养活地球194

5.2.3 可持续的住所：为人类提供居所195

5.2.4 可持续的交通运输：制造“绿色”的交通工具195

5.2.5 矿产资源：可持续的矿物提取与使用196

5.2.6 可持续的生产：减少工业对环境的影响199

5.2.7 维持清洁的环境：减少污染的影响199

5.2.8 保护地球的气候：减少温室气体的影响200

5.2.9 维持地球的自然资本：保护地球生态系统的生物多样性201

5.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案201

5.3.1 可持续的清洁水供应201

5.3.2 可持续的农业和粮食生产203

5.3.3 可持续的人类住所203

5.3.4 可持续的交通运输203

5.3.5 可持续的原材料提取和使用204

5.3.6 可持续的生产204

5.3.7 维持清洁的环境205

5.3.8 保持气候：减少温室气体的影响205

5.3.9 保护生物多样性206

5.4 科技基础设施需求206

5.5 研发投资与实施策略206

5.6 总结与优先领域207

5.7 更广泛的社会影响207

5.8 研究成果与模式转变实例208

5.8.1 纳流海水脱盐系统208

5.8.2 用于可持续性水利用的太阳能光催化和电化学系统208

5.8.3 使用枝状聚合物滤膜从溶液中回收金属离子209

5.8.4 超疏水纳米线膜用于油水分离210

5.8.5 MOFs和ZIFs用于CO2捕集和转化211

5.8.6 纳米技术与地球工程212

5.9 来自海外实地考察的国际视角213

5.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）213

5.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）215

5.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）216

参考文献216

第6章 纳米技术与可持续发展：能源的转换、储存和保护222

6.1 未来十年展望222

6.2 过去十年的进展与现状224

6.2.1 纳米有机（塑料）光伏技术225

6.2.2 纳米无机光伏技术226

6.2.3 人工光合作用227

6.2.4 纳米结构与电力储存227

6.2.5 储氢228

6.2.6 纳米照明技术229

6.2.7 纳米热电技术229

6.2.8 纳米隔热技术230

6.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案231

6.3.1 太瓦级具有接近化石能源成本的太阳能发电231

6.3.2 将电能或者太阳能转换为化学能源的低成本催化剂232

6.3.3 电动运输和可再生并网系统的储能装置233

6.3.4 高效纳米照明材料233

6.3.5 实现低成本能源转换的纳米热电材料234

6.4 科技基础设施需求235

6.5 研发投资与实施策略236

6.6 总结与优先领域237

6.7 更广泛的社会影响238

6.8 研究成果与模式转变实例238

6.8.1 有机光伏和纳米光伏技术238

6.8.2 纳米结构电池241

6.8.3 新型固态照明结构241

6.8.4 提高热电优值：ZT＞1243

6.8.5 纳米技术和其他热学性能244

6.8.6 防辐射金属用于新一代核反应堆246

6.8.7 纳米结构燃料电池246

6.9 来自海外实地考察的国际视角247

6.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）247

6.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）248

6.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）251

参考文献254

第7章 纳米技术应用：纳米生物系统、医学和健康260

7.1 未来十年展望260

7.1.1 过去十年进展260

7.1.2 未来十年愿景261

7.2 过去十年的进展与现状264

7.2.1 体外诊断265

7.2.2 体内成像271

7.2.3 治疗276

7.2.4 组织再生285

7.2.5 纳米生物技术和细胞生物学289

7.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案291

7.3.1 生物标志物292

7.3.2 体外诊断292

7.3.3 纳米治疗292

7.3.4 纳米技术和干细胞293

7.3.5 组织工程293

7.3.6 纳米医药经济学293

7.4 科技基础设施需求294

7.5 研发投资与实施策略294

7.6 总结与优先领域295

7.7 更广泛的社会影响296

7.8 研究成果与模式转变实例296

7.8.1 美国国家癌症研究所：纳米技术联盟296

7.8.2 纳米生物技术与合成生物学的视角298

7.8.3 使用纳米传感器的范式转换301

7.9 来自海外实地考察的国际视角306

7.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）306

7.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）308

7.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）311

参考文献313

第8章 纳米技术应用：纳米电子学与纳米磁学321

8.1 未来十年展望321

8.1.1 过去十年进展321

8.1.2 未来十年愿景321

8.2 过去十年的进展与现状322

8.2.1 石墨烯电子器件326

8.2.2 纳米磁性器件与自旋电子学328

8.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案329

8.3.1 制造：实现低维材料的三维原子水平控制329

8.3.2 制造：结合光刻技术和自组装将半任意结构的精度推进至1nm330

8.3.3 器件：开发超低能耗逻辑和存储所需的器件330

8.3.4 器件：探索用于存储、逻辑和新功能的自旋331

8.3.5 架构：整合架构和纳米器件研究，实现独特的计算功能331

8.3.6 架构：加强关注新兴的非IT应用331

8.4 科技基础设施需求332

8.5 研发投资与实施策略333

8.6 总结与优先领域335

8.7 更广泛的社会影响336

8.8 研究成果与模式转变实例337

8.8.1 纳米磁性器件337

8.8.2 自旋转移扭矩产生新的纳米磁性技术339

8.8.3 高性能电子器件在碳纳米管中的应用341

8.8.4 石墨烯电子器件343

8.8.5 异质纳米线器件344

8.8.6 用于计算的仿生智能物理系统345

8.9 来自海外实地考察的国际视角345

8.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）345

8.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）348

8.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）349

参考文献351

第9章 纳米技术应用：纳米光子学和表面等离激元学357

9.1 未来十年展望357

9.1.1 过去十年进展358

9.1.2 未来十年愿景358

9.2 过去十年的进展与现状358

9.2.1 纳米光子学358

9.2.2 表面等离激元学360

9.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案362

9.3.1 纳米光子学362

9.3.2 等离激元学363

9.4 科技基础设施需求365

9.4.1 发展纳米光子学和表面等离激元学的简单设计规则和耦合光学仿真工具365

9.4.2 支持新且扩展的纳米光子、等离激元器件和电路的制备工具和设施365

9.4.3 加强对纳米光子、表面等离激元材料和器件的光学和结构表征能力的研究366

9.4.4 构建新的教育系统，促进多元化，跨学科和相互协作366

9.5 研发投资与实施策略367

9.6 总结与优先领域367

9.7 更广泛的社会影响368

9.8 研究成果与模式转变实例369

9.8.1 芯片上的纳米光子学369

9.9 来自海外实地考察的国际视角370

9.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）370

9.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）373

9.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）376

参考文献377

第10章 纳米技术应用：纳米材料催化381

10.1 未来十年展望381

10.1.1 过去十年进展381

10.1.2 未来十年愿景381

10.2 过去十年的进展与现状382

10.2.1 纳米催化剂的合成382

10.2.2 纳米催化剂的表征383

10.2.3 催化理论与模拟385

10.2.4 应用领域与经济影响386

10.2.5 总结386

10.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案387

10.3.1 二氧化碳重整387

10.3.2 甲烷到乙烯的氧化偶合388

10.4 科技基础设施需求389

10.5 研发投资与实施策略389

10.6 总结与优先领域390

10.7 更广泛的社会影响391

10.8 研究成果与模式转变实例391

10.8.1 单催化事件的直接观察391

10.8.2 代表性工业催化剂应用394

10.8.3 燃料电池电催化剂研发396

10.9 来自海外实地考察的国际视角396

参考文献397

第11章 纳米技术应用：高性能材料和潜在的领域400

11.1 未来十年展望400

11.1.1 过去十年进展400

11.1.2 未来十年愿景401

11.2 过去十年的进展与现状401

11.2.1 纳米纤维材料401

11.2.2 纳米晶体金属402

11.2.3 以纤维素为基材的纳米材料405

11.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案406

11.3.1 分离、分馏和纯化406

11.3.2 层状超材料406

11.3.3 纳米制造业407

11.3.4 受生物启发407

11.3.5 组合和计算的方法408

11.3.6 新兴技术和交叉技术408

11.4 科技基础设施需求408

11.5 研发投资与实施策略409

11.6 总结与优先领域409

11.7 更广泛的社会意义410

11.8 研究成果与模式转变实例410

11.8.1 单分散单壁碳纳米管410

11.8.2 量子点在成像中的应用413

11.8.3 基于纳米技术的航空航天的模式转变414

11.8.4 纳米流体的发展416

11.8.5 聚合物纳米复合物418

11.9 来自海外实地考察的国际视角419

11.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）419

11.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）421

11.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）423

参考文献424

第12章 在纳米科学与工程领域发展人力资源和物质基础设施428

12.1 未来十年展望428

12.1.1 过去十年进展428

12.1.2 未来十年愿景429

12.2 过去十年的进展与现状430

12.2.1 物质基础设施430

12.2.2 教育驱动力：新的基础知识和纳米赋予的技术创新431

12.2.3 教育：公共的／非正规的，学院／大学，社区学院，基础教育432

12.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案439

12.3.1 物质基础设施440

12.3.2 NSE中非正规／公共的范围440

12.3.3 学院／大学NSE教育442

12.3.4 社区学院NSE教育443

12.3.5 K-12 NSE教育443

12.3.6 跨NSE教育层次：全球伙伴和网络学习444

12.4 科技基础设施需求446

12.4.1 基础设施446

12.4.2 劳动力发展（工业）NSE教育446

12.4.3 非正规／公共NSE教育446

12.4.4 学院／大学NSE教育447

12.4.5 社区学院NSE教育447

12.4.6 K-12 NSE教育448

12.4.7 NSE教育中的全球合作448

12.5 研发投资与实施策略448

12.5.1 设备448

12.5.2 联邦机构在NSE教育中的投资449

12.5.3 非正规／公共NSE教育450

12.5.4 学院／大学NSE教育451

12.5.5 社区学院NSE教育451

12.5.6 K-12 NSE教育451

12.5.7 在NSE教育中的全球合作451

12.6 总结与优先领域452

12.7 更广泛的社会意义454

12.8 研究成果与模式转变实例454

12.8.1 NCLT：在洛杉矶统一学校的区高中建立一个纳米技术学院作为一个小的学习社团454

12.8.2 非正规教育：NISE Net的NanoDays455

12.8.3 宾夕法尼亚州立大学纳米技术教育和利用中心457

12.8.4 计算机纳米技术网络458

12.8.5 奥尔巴尼大学，纳米科学与工程学院459

12.8.6 DOE纳米科学研究中心461

12.8.7 NIST纳米科学与技术中心461

12.8.8 美国国家纳米技术基础设施网络462

12.8.9 纳米技术表征实验室464

12.8.10 三个美国国立卫生研究院纳米技术相关网络465

12.8.11 Dragonfly TV：纳米球467

12.8.12 教育仪器：NanoProfessor和NanoEducator467

12.8.13 对新发展的创新型纳米领域仪器的三点说明468

12.9 来自海外实地考察的国际视角469

12.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）469

12.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）471

12.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）472

参考文献473

第13章 推动社会发展的纳米技术创新与负责任的治理478

13.1 未来十年展望478

13.1.1 过去十年进展478

13.1.2 未来十年愿景479

13.2 过去十年的进展与现状480

13.2.1 纳米技术的治理480

13.2.2 纳米技术社会影响的研究与推广增长483

13.2.3 纳米技术的创新和商品化484

13.2.4 公众对纳米技术的认知486

13.2.5 立法前景487

13.2.6 直面社会发展的巨大挑战487

13.2.7 国际互动与ELSI487

13.3 未来5～10年的目标、困难与解决方案488

13.3.1 为纳米技术的大规模应用做好准备工作488

13.3.2 把解决下一代“纳米产品”风险治理中的不足作为主要任务489

13.3.3 为纳米技术创新建立新模式492

13.3.4 为纳米技术发展奠定人员和公众基础492

13.3.5 推动纳米技术社会维度的道德与认知研发493

13.3.6 纳米技术应用和影响的整合研究493

13.3.7 推动道德进步493

13.3.8 建立一个预测性、参与性和自适应技术评估网络493

13.4 科技基础设施需求494

13.5 研发投资与实施策略494

13.6 总结与优先领域496

13.7 更广泛的社会影响498

13.8 研究成果与模式转变实例498

13.8.1 纳米技术的区域合作498

13.8.2 NSF社会影响研究项目实例500

13.8.3 亚利桑那州立大学的社会纳米技术中心501

13.8.4 亚利桑那州立大学的社会纳米技术中心502

13.8.5 朝向可持续发展纳米技术的治理方法503

13.8.6 美国纳米技术辩论的公众参与状况504

13.8.7 情境分析法：NanoFutures项目505

13.8.8 大型纳米技术公司是创新与商品化的主要来源505

13.8.9 不确定数据决策507

13.8.10 纳米技术在治疗和诊断领域的渗透508

13.8.11 纳米技术使能产品2009年创收2540亿美元511

13.9 来自海外实地考察的国际视角512

13.9.1 美国-欧盟研讨会（德国汉堡）512

13.9.2 美国-日本-韩国-中国台湾研讨会（日本东京／筑波大学）514

13.9.3 美国-澳大利亚-中国-印度-沙特阿拉伯-新加坡研讨会（新加坡）516

参考文献518

附录525

索引562