中国纳米白皮书：国之大器，始于毫末

序

白春礼 中国科学院院长

纳米科学是在纳米尺度 （从原子、分子到 亚微米尺度之间） 上研究物质的相互作用、组成、特性与制造方法的科学。它汇聚了现代多学科领域在纳米尺度的焦点科学问题，促进了多学科交叉融合，孕育着众多的科技突破和原始创新机会。同时，纳米科技对高技术的诞生，对我们的生产、生活也将产生巨大的影响。

从上世纪八十年代开始，纳米科技引起了人们的 广泛关注。2000年美国率先发布了“国家纳米技术 计划 （NNI） ”掀起了国际纳米科技研究热潮。中国 高度关注纳米科技发展，与国际同步进行了布局，于 2000年成立了国家纳米科技指导协调委员会，2003 年成立了国家纳米科学中心，在国家中长期发展规划 中部署了纳米科技研究计划，同时，基金委和中国科 学院也都部署了纳米科技相关研究。这些措施极大地 推动了中国纳米科技的发展。

施普林格 • 自然集团、国家纳米科学中心、中国 科学院文献情报中心共同合作，编制了中国纳米白皮 书，从高水平文献发表、专利申请、重点发展领域分布、 国际合作网络等视角，运用大数据分析和可视化方法， 综合专家解读和意见，科学详实地揭示出近年来中国 和世界纳米科技的发展态势。文章定性分析与定量分 析相结合，主观判断与客观数据相印证。该报告，一 方面，让我们看到了过去二十年，纳米科技在世界范 围得到了很大的发展，对人类社会生活进步产生了巨 大影响；另一方面，我们也看到相关领域的变迁和影响。 纳米科学研究和技术应用已经遍布材料与制造、电子 与信息技术、能源与环境、以及医学与健康领域。与 此同时，纳米技术的迅速发展给社会带来的巨大影响 也带来了伦理和安全问题，潜在风险值得关注和研究。

报告显示，中国在纳米科学领域已成为当今世界 纳米科学与技术进步重要的贡献者，是世界纳米科技 研发大国，部分基础研究跃居国际领先水平。中国纳 米科技应用研究与成果转化的成效也已初具规模。在 专利申请量方面，中国位于世界前列。这些都与中国 在纳米科技领域的持续投入密切相关，同时也展示了 中国纳米科技研究正在实现从量的增加到原创以及质 的转变，并更加关注纳米科技的产业化应用。

展望未来，纳米科技面临诸多机遇和多方挑战。 我们需要实现对于纳米尺度基础研究的突破，需要加 快填补基础与应用之间的沟壑，更需要满足更多来自 于世界能源、环境与健康领域的重大需求。为此，我 们将进一步加大创新人才的培养，加快构建和培育价 值链和创新链，开展更加广泛和有效的全球合作。希 望通过我们的共同努力，纳米科技在基础前沿领域能 实现更多原创性突破，更多应用成果开花结果、落地 生根，服务国家、造福人民，为中国早日建成世界科 技强国作出应有的贡献。

从一颗小种子到参天大树

1992年，全球只有屈指 可数的几个实验室，主要是物理或化学实验室，在开展纳米尺度的物体研究——将其描述为纳米科学，或许要比纳米技术更合适。当时，并没有专门针对这个领域的期刊，而且勉强算起来也只有六家研究机构在其名称中使用了“纳米”这个前缀。如今，在科睿唯安 （Clarivate Analytics） 发布的2016年度《期刊引用报告》中，“纳米科学与纳米技术”分类下已有86本期刊。在数码科研 （Digital Science） 所维护的全球研究识别符数据库 （Global Research Identifier Database） 当前收录的研究机构中，已有192个研究机构明确在其名称中使用了纳米科学或纳米技术。

虽然我们掌握的技术还无法实现在原子尺度上建构事物，但是事实证明，该领域许多奠基人所主张的谨慎是过于悲观的。现在，计算机芯片常规制造尺寸仅有几十个纳米大小，IBM 最近宣布推出的商业化量产芯片，其晶体管大小仅为5纳米。许多电视机的发光元件采用了被称为量子点的纳米级荧光粒子。目前使用了纳米技术的产品还有涂料、防晒霜、药物、太阳镜、污染检测器和基因测序仪等，林林总总，不胜枚举。

中国早就意识到纳米 科学对其科学、技术和经 济发展的潜在贡献。2003 年，中国科学院和教育部 共同成立了国家纳米科学 中心。其成功的关键在于 中国最优秀研究机构的代 表——清华大学、北京大学 和中国科学院都参与其中。 过去二十年，在国家纳米 科学中心、中国科学院科 研院所和国内一流大学等 机构的共同推动下，中国 已成为当今世界纳米科学 与技术领域的领先国家。

在这份白皮书中，我 们将首先概述中国纳米科 学与技术的现状。然后， 在第二部分中简要介绍该 学科的发展历史和迄今以 来的里程碑事件。这包括 纳米科学如何改变构成我 们世界的各种材料，如何 改变通讯方式，如何发展 新能源及提高新能源的使 用效率，以及如何帮助诊 断和治疗疾病等。

在第三部分，我们将通过实际的数字来展现纳米科学这门学科的兴起，以及中国快速发展成为该学科领导者的情况。我们将聚焦于相关的论文产出，特别是对该领域有最大影响力的论文。借助自然科研最新开发的纳米科学研究平台Nano （http://nano.nature.com） ，我们希望能提供一些定性的看法，展现中国在该领域的优势、不足和新兴的研究领域。我们还将评述中国相关领域的专利产出情况。

在第四部分，我们将 呈现一些业内专家在访谈 中所表达的对于中国纳米 科学发展现状和未来发展 方向的看法，以及研究机 构、资助机构和决策者如 何才能继续推动该领域的 蓬勃发展。

纳米科学与技术的过去、现在和未来

纳米科学和技术作为一 个独立的研究领域， 是最近才发展起来的。大家通常都老生常谈地引用费曼 （Richard Feynman） 去世后才出名 的演讲作为该领域的开 端 —— 即1959年他在加 州理工学院的演讲“ （微 观） 之下还有充足的空 间 （There’s plenty of room at the bottom） ”。费曼在演讲中 指出，如果可以控制单一 原子，理论上可以在大头 针的针头上写下整套大 英百科全书的内容。但是 这次演讲在随后几十年， 仅有少数几次的引用。 “纳米技术”这个术语直 到1974年才出现，由谷 口纪男在论文“关于‘纳 米技术’的基本概念”里 首次提出，他介绍了如何 运用离子溅射在硬质表 面蚀刻形成纳米结构。

不过，纳米材料的使 用可追溯到几个世纪前，例如其在陶瓷釉和有色窗玻璃染色剂中的使用。领先费曼控制单一原子的设想大约一个世纪，英国物理学家、电磁学先驱法拉第 （Michael Faraday） 已阐述了光的波长相关散 射 （丁达尔现象） ，其研 究对象是通过化学方法制 备的金胶体悬浮液。他注 意到金的胶体悬浮液颜色 会随着金纳米颗粒的大小 发生变化，并意识到极小 黄金颗粒的存在。

意识到通过控制原子 来改造世界的可能性是一 回事，如何实现却完全是 另一回事。从这个意义上 说，开发用于观察和控制 物质的工具一直在决定着 纳米科学与技术发展的时 间表。最先被开发出来的 工具是1931年由Ernst Ruska 和Max Knoll发 明的电子显微镜——尽管 历经几十年的发展这些设 备才达到原子级别的分辨 率。但真正宣告纳米时代 到来并进入公众视野的 是1990年Don Eigler及 其同事展示了在镍表面 通过摆放单个氙原子能 够拼写出‘IBM’三个字 母， 当时他们使用 的是 Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在九年前发明的 扫描隧道显微镜。

同样在20世纪80 和90年代，科研人员开始将光学仪器分辨率的极限推进到纳米领域。可见光的波长起点大约在400纳米，按照传统的理解， 可见光并不适用于观测与纳米技术相关的100纳米以下的结构。1928年，Edward Hutchinson Synge提出了‘近场’显微镜的构造，用以突破所谓的‘阿贝衍射极限’，即制约传统显微镜分辨约250纳米以下结构的限制。但直到1994年，Stefan Hell和Jan Wichmann才提出第一个可实施的方案，即超分辨率荧光显微镜 （stimulated-emission-depletion，STED显微镜） ，实现远小于前述250纳米尺寸限制的分子尺度光学成像。

纳米尺度研究能力的提升起初让人们发现了许多天然形成的纳米结构。1981年，俄国物理学家Alexei Ekimov和Alexander Efros在研究掺杂半导体的玻璃时，发现了内嵌的纳米级结晶体，后被称为半导体量子点。仅仅几年后，贝尔实 验室的Louis Brus展示了在溶液中合成这种颗粒的方法。

1985 年， 美国莱斯 大学的Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl和Richard Smalley 发现了富勒烯 （C60） —— 这是一种完全由碳原子组 成的、形如足球并且异常 稳定的分子。这打破了碳 只有石墨和金刚石两种同 素异形体的传统认知，并 开启了化学家的想象力， 令他们开始思考合成比之 前设想要大得多的一系列 新型分子结构的可能性。 1991 年，饭岛澄男报告 合成了碳纳米管——一种 具有特殊电子、热学、机 械性能的材料，为这种管 状纳米结构的广泛应用铺 平了道路。

随后不久， Charles Kresge及其同 事发明了可过滤分子的介 孔纳米材料MCM-41和 MCM-48，现已广泛应用 于石油炼化、污水处理及 药物输送。1990年代后 半期，Charles Lieber, Lars Samuelsson和 Kenji Hiruma领导的团 队开发了合成晶状半导 体纳米线的技术——为 推动纳米技术进入光子 学和光电学领域又迈出 至关重要的一步。2004 年，Andre Geim和 Konstantin Novoselov 实现了单层石墨烯的分 离，获得单原子厚度的二 维碳原子结构，开启了通 向不可限量的未来技术的 大门。超轻、高柔性、高 强度、高导电性等特点使 得石墨烯被誉为一种新的 神奇材料。

1990年代末和本世 纪初，纳米技术更多地投 入应用。1998年电子墨 水的发明就是一例，这 是一种类似纸张的显示技 术， 墨水由极小的胶囊 组成，现已广泛应用于 Kindle等电子阅读器产 品。另一个例子是1988 年Albert Fert 和Peter Grünberg发现的巨磁阻 效应，据此开发的磁性读出头大幅缩小了电脑硬盘的尺寸，并提高了存储容量。Ekimov, Efros, Brus （及其他众人） 发现并开发的量子点也得到了广泛的实际应用，这包括平板电视背光源，以及用于活体细胞和组织内最小结构成像的染色剂。

纳米级材料的研究规模虽 然比较小，但对我们生活 方式的潜在影响却很大。 全球各地的科学家和工程 师们都在对这个微观世界 展开新的探索，并将其科 学发现转化为新的产品和 技术，由此重塑了一系列 的产业，主要是材料和制 造业、电子和信息技术、 能源与环境，以及医疗与 健康产业。由于具有广泛 的社会影响力，纳米技术 的快速发展也随之带来伦 理和安全问题，需要我们 在享用纳米技术预期的成 果之前加以解决。

材料和制造

纳米技术的优势主要体现 在通过控制原子级或分子 级的物质所创造的新材料 上。由于具备理想的机械、 化学、电学、热学或光学 性能，这些新型纳米材料 被应用于日常用品及工业 制造之中。

威尔逊中心曾发起一个关于新兴的纳米技术的项目，根据其中的一份制造商清单估 计 ² ，市场上有 1600 多种基于纳米技术的消费产品。纳米材料在健康和健身产品中的应用最广，例如化妆品、个人护理用品和服装等。普通的电吹风或直发器就有可能使用纳米材料降低重量或延长使用寿命。防晒霜已使用了从皮肤表面上看不到的纳米二氧化钛或氧化锌等防晒成分。纳米工程制备的纤维被用于制造防皱、防沾污的衣物，不仅质轻，甚至还可能防止细菌的滋生。纳米材料还被应用于各类产品中，从轻便、刚性好的网球拍、自行车和箱包，到汽车零件和可充电电池等。

在制造业，纳米结构 的材料被用于机器零件的 表面涂层或润滑剂中，以 减小磨损、延长机器使用 寿命。具有纳米结构的合 金，由于强度高、耐久、 质量轻的特点，是制造飞 机和航天航空零部件的理 想高性能材料。它们被用 于制造机身、过滤材料及 其他零部件，带来更强的 耐蚀、抗震和防火性能， 以及优良的强度 - 重量比。 金属、氧化物、碳和其他 化合物的纳米颗粒也是很 好的催化剂，在石油精炼、 生物燃料等领域有着重要 的工业应用。由于出色的 表面积 - 体积比、高催化活 性及低能耗的特点，纳米 催化具有多种优势，如最 优的原料利用率、高能效、 最低限度的化学废料排放， 以及更高的安全性等。

信息技术

纳米技术作为促进信息技 术和数码电子行业发展的关键驱动力，进一步提升了诸多电子产品的性能，如电脑、手机和电视等。

英特尔公司的共同创始人Gordon Moore在1965年提出了著名的摩尔定律——集成芯片上的晶体管数量每年就会翻倍 （后修改为每两年翻倍） 。彼时，纳米技术还在发展的初期。由于纳米技术的进步，集成芯片和晶体管已如摩尔所预测的那样， 变得越来越小，计算速度 却日趋提高，尽管摩尔定 律近年来正在逐渐失效。 2016年诞生了世界上首 个1纳米的晶体管。该晶 体管由碳纳米管和二硫化 钼，而不是硅制备而成， 展示了进一步缩小电子器 件尺寸的潜力，使得摩尔 定律至少能在一段时间里 继续有效。

人们对纳米材料物理 特性的深入理解推动了量 子器件的发展，其应用遍 及光感应、激光和晶体 管，实现了更低能耗下的 高速数据传输。元器件如 采用了纳米级的半导体量 子点，就可以感应或发射 单个光子，器件在应用到 加密系统中之后，就可以 提升信息系统的性能和安全 性。量子点或无机半导 体纳米晶体的另一个应用 领域是显示屏产业。由于 纳米技术，电视、计算机 和移动设备的显示屏就可 实现超高清、节能、甚至 可弯曲，并产生更加逼真 的图像。人们在设计新型 透明导电材料时采用了碳 纳米管或银纳米线，这为 开发各种使用柔性屏幕的 电子设备开启了大门。

能源和环境

纳米技术可促进可替代能 源的发展，提高能源使用 效率，并为环境治理提供 新的解决方案，因此有助 于环境保护事业。在传统 的能源领域，基于纳米技 术的方法或新型催化剂使 得石油和天然气的开采以 及燃料的燃烧变得更加高 效，这减少了发电厂、交 通工具及其他重型设备的污染和能耗。

多年以来，科研人员通过在底层材料和结构上应用纳米工程，来提高光伏发电设备 （将太阳能转化为电能） 的性能并降 低成本。例如，他们在这 些设备里导入量子点，以 吸收更多的阳光。另外， 他们使用低温条件下能 在低成本的衬底材料上 生长的材料，如钙钛矿型 金属 - 有机化合物和导电 聚合物，为包括硅在内的 传统光伏材料提供低成 本的替代物。

除了有助于提高阳光 采集效率，纳米材料还可 用于废热转化，如将汽车 尾气转化为有用的能量。 再如，人们开发了可将二 氧化碳转化为清洁燃料甲 烷的纳米颗粒，以及能提 高氢气制备产能的纳米光 催化剂，这都提升了发展 新的可再生能源的前景。

在能源存储方面，由 于纳米结构的电极材料能 够支持更多不同的电化学反应，因此可用来提高可充电电池的容量和性能。这不但能增加新一代电池的存储容量，还能减轻电池重量，从而提高电动汽车这类交通工具的效能和续航距离。

纳米技术还可用于水处理和污染物的清理。例如， 二硫化钼 （MoS2） 薄膜等纳米材料能以更高效的过滤性促进盐水淡化，而多孔质的纳米材料可以像海绵一样吸收水中的重金属和浮油等有毒物质。纳米颗粒还可通过化学反应清除工业用水中的污染物。此外，纳米纤维能够吸附空气中的微小颗粒，因此可用作净化空气的滤网。

纳米技术在环境治理中的应用还包括空气、水和土壤中污染物的检测。由于其独特的化学和物理特性，纳米颗粒对化学或生物试剂的灵敏度更高， 因此可用在传感器中鉴别 有毒物质，这要比传统的 现场测试方法更加简单快 捷，甚至能在检测的同时 去除污染物。

医疗和健康

可以说纳米技术最成熟的 形式就是生命本身所表 现出来的形式。从细胞 器一直到底层的核糖体、 DNA、ATP，这些生物系 统为纳米科学家提供了源 源不断的灵感源泉。或者， 正如合成生物学家Tom Knight曾说过的那样， “生物学就是在发挥作用 的纳米技术！”正因如此， 纳米技术对医疗和健康产 业的影响日趋显著，并在 药物输送、生物材料、造 影、诊断、活性植入及其 他医疗应用中得到了稳步 发展。

纳米技术在生物医学 方面最引人瞩目的应用或 许是被称为纳米孔基因测 序技术的出现。其工作原 理是利用电场驱动每个 DNA单链穿过薄膜上纳 米尺寸的孔，即纳米孔。 当DNA单链通过纳米孔 时，记录孔上产生的电流 变化，从而识别出单链上 的基因编码序列。该技术 有望大幅降低基因测序成 本并提高测序速度。

纳米技术另外一个富 有前景的医学应用是药物 输送。纳米技术能让药物 突破化学、解剖和生理学 阻碍，抵达病变组织，提 高药物在病灶位置的聚集 量，减小对健康组织的损 害，较之传统药物具有显 著优势。例如，经过精心 设计的纳米药物可以经血 管渗漏点渗入癌变组织， 并在靶点位置积聚，从而 提高癌症靶向治疗的精准 度。其他的应用还包括用 纳米颗粒封装诸如抗体之 类的生物活性分子，以促 进特定靶向的药物输送。

纳米颗粒因其尺寸微 小和特殊的化学性质，在 医学造影方面也有独特的 应用前景。传统的荧光染 色剂是用有机化合物制备 的，通常寿命短，其光学 性能也很难调制以适应任 意的工作波长。利用无机 量子点，其工作波长可根 据尺寸调制，上述两个不 足都能得到了克服。而且， 设计起来也更加方便，可 以形成在特定组织和肿瘤 位置的积聚，从而实现更 便捷、更准确的诊断，并 提高治疗效果。

纳米科技还应用于生 物组织工程。石墨烯、纳 米管、二硫化钼等纳米材 料可用来制造支架，帮助 修复或重塑受损的组织。 纳米结构支架能够模仿组 织特有的微观环境，促进 细胞的附着、繁殖和长成， 并诱导正常细胞机能及组 织生长。

伦理和安全问题

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纳米科学的里程碑事件

1856: 观察到纳米粒子

Michael Faraday发现制备的金溶胶中颗粒的大小不同，就会呈现出不同颜色的丁达尔散射。

1928: 近场光学显微镜

Edward Hutchinson Synge提出以近场扫描光学显微镜获得超越衍射极限的图像。

1931: 电子显微镜

Ernst Ruska和Max Knoll展示了第一台电子显微镜。

1935: 单分子薄膜

Irving Langmuir和Katharine Blodgett发明了制备单层分子薄膜的技术。

1946: 分子自组装

Zisman、Bigelow和Pickett报告了有序单分子层在表面上的自组装。

1959: （微观）之下还有充足的空间

Richard Feynman在加州理工学院举办的美国物理学会会议上发表题为《（微观）底下还有充足的空间》的演讲，推测在原子级别上操控物质的可能性。

1968: 分子束外延

John Arthur Jr和Albert Cho研发出用于制备高质量单晶薄膜的分子束外延。

1974: “纳米技术”一词诞生

谷口纪男创造“纳米技术”一词。

1974: 表面增强拉曼光谱

Martin Fleischmann、Patrick Hendra和James McQuillan报告了拉曼散射的异常增强，随后Richard van Duyne和Alan Creighton将这种现象解释为纳米级金属结构形成的场增强所造成的。

1974: 分子电子学

Mark Ratner和Arieh Aviram提出分子二极管的想法。

1976: 原子层沉积

Tuomo Suntola发明原子层外延薄膜制备技术。

1980: 观察到自然形成的量子点

Alexei Ekimov和Alexander Efros报告了纳米晶体量子点的存在及其光学特性。

1981: 扫描隧道显微镜

Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明扫描隧道显微镜。

1982: DNA纳米技术

Nadrian Seeman提出DNA纳米技术的概念。

1983: 半导体量子点的生长

Louis Brus报告了胶体半导体量子点的合成。

1985: 发现富勒烯

Harold Kroto、Sean O’Brien、Robert Curl和Richard Smalley发现了C60富勒烯分子。

1986: 原子力显微镜

Gerd Binnig、Calvin Quate和Christoph Gerber发明了原子力显微镜。

1988: 巨磁电阻

Albert Fert和Peter Grünberg在多层膜中发现了巨磁电阻。

1990: 原子尺度的操控

Don Eigler和Erhard Schweizer使用扫描电子显微镜操控镍表面上的单个氙原子，写出字母“IBM”。

1991: 碳纳米管

饭岛澄男报告了碳纳米管的生长。一年之后，Millie Dresselhaus及同事提出一种可以准确预测金属与半导体纳米管 比例的理论。

1992: 分子筛

Charles Kresge发明了介孔分子筛材料MCM-41和MCM-48。

1993: 量子围栏

Michael Crommie、Christopher Lutz和Don Eigler报告铁原子在铜表面形成的量子围栏囚禁了电子。

1994: 受激发射损耗显微技术

Stefan Hell和Jan Wichmann提出受激发射损耗显微术，打破了光学成像的衍射极限。

1994: 双稳态分子梭

Fraser Stoddart演示了一个可通过化学方法切换的双稳态分子梭。

1994: 模板纳米线

Martin Moskovits使用多孔阳极氧化铝作为模板，制备有序纳米线阵列。

1996: 纳米孔基因测序

John Kasianowicz、Eric Brandin、Daniel Branton和David Deamer将一个DNA单链穿过脂质双层膜内的纳米孔。

1997: 球差校正扫描隧道显微镜

Ondrej Krivanek校正了扫描隧道电镜的球差。

1998: 光异常透射

Ebbesen、Lezec、Ghaemi、Thio和Wolff观察到了金属薄膜上的亚波长孔阵的光异常透射现象。

1998: 电子墨水

Comiskey、Albert、Yoshizawa和Jacobson发明了电子墨水。

1998: 晶态纳米线

Charles Lieber、Lars Samuelsson和Kenji Hiruma独立开发出制备晶态半导体纳米线的技术。

1999: 分子马达

Ben Feringa和Ross Kelly分别报告了光驱分子马达和化学驱动分子马达。

2001: 纳米线激光器

杨培东展示了室温纳米线激光器。

2004: 石墨烯的分离

Andre Geim和Konstantin Novoselov发明了一种剥离单层石墨烯的技术。

2006: DNA折纸术

Paul Rothemund展示了一种将DNA单链折叠成复杂的二维形状的方法。

2013: 人造核糖体

David Leigh创造了一个相当于人工核糖体的分子机器，可将氨基酸按特定顺序连接起来。

不断崛起的中国纳米科研

为了开启这个有关中国纳 米研究状况的调查，我们根据 SCI 的扩展数据库，使用与‘纳米科学与技术’相关的关键词进行检索，由此获得全球主要科研强国逐年的论文发表数量。计入的这些论文主题涵盖了诸如‘纳米管’、‘量子点’、‘原子力显微镜’等专业词 （详细的研究方 法见附录 1） 。

1997 年，全球共发表 了约 1.3 万篇与纳米科学 相关的论文。到2016年， 已增至15.4万篇，复合年 均增长率达 14%，高于所 有领域平均3.7%的论文 复合年均增长率，几乎是 其四倍。同期，中国纳米 方面的论文产出由1997 年 的820篇增至2016年 的5.2万余篇，复合年均 增长率达24% （图1） 。

毫不令人惊讶，纳米 领域的科研产出占总体科 研产出的比例也有大幅提 升 （ 图 2） 。20年前， 全球发表的科研论文中， 大约只有 2% 涉及纳米科 学与技术。如今，这一比 例已增至10%以上。在 此期间，纳米领域的科研 论文对整体科研产出的贡 献率，只有中国和韩国超 过了全球平均水平。现在， 印度也加入了这一阵营。 这三个国家的纳米研究占 总体科研产出的比例，几 乎是该领域其它所有领先 国家的两倍左右。

与全球产出进行对 比，中国纳米科研的增长 就更加令人印象深刻了 （图 3） 。中国对全球纳米科 研的贡献一直保持稳步增 长。1997 年，与纳米相关 的SCI论文中只有6%涉 及中国作者，到 2010 年， 中国已与美国旗鼓相当。 目前，中国贡献了全球超 过三分之一的纳米科研论 文，几乎是美国的两倍。 在中国飞速增长的背景下， 只有韩国和印度也实现了 增长，而其它多数国家的 纳米科研论文产出的全球 占比，不是增长平缓，就 是缓慢下滑。不过，必须 强调的是，虽然这些国家 的相对贡献在下降，但多 数国家纳米科研论文的总 产出仍在继续增长 （图 1） 。

中国高影响力纳米研究的增长

当衡量任何特定科研 的影响力时，应该注意单 纯的数量并不等同于质 量。而且，虽然衡量一个 国家或机构科研产出的数 量相对直接，但确定产出 的质量则更具有挑战性。 目前尚无普遍接受的评估 科研质量的统一标准。不 过，通常用来衡量一项研 究影响力的方法之一就是 它的被引用次数。为此， 我们分析了 SCI 中与纳米 科学和技术相关的被引频 次在前 1% 的论文 （图 4） 。

我们发现，与纳米科 研在总体科研产出中的增 长比率相似，中国对纳米 科研领域高被引论文的贡 献率也有大幅增长，甚至 超越了前者。2007 年以来， 中国在纳米领域的高被引 论文占比更高，逐年增长 率甚至超过了该领域总产 出占比的增长，达到了 22% 的复合年均增长率， 是全球增长率的三倍多。 中国在 2014 年超过美国， 其贡献已是除美国以外其 它国家的数倍之多。

中国科研机构引领 全球

在中国崛起为纳米科研强国的过程中，中国科学院发挥了重要的推动作用。十年前，中科院对该领域高被引论文的贡献已颇为可观，在全球机构中排名第三，仅次于加州大学系统和美国能源部。自那时起，其地位日益提升，目 前已是全球纳米领域最主 要的高影响力论文产出机构，并大幅领先其它机构。目前，中科院在前 1% 高被引纳米科研论文的产量上，已经是位居其后的竞争者的两倍以上。

除中科院之外，另有五家中国机构在前 1% 高被引纳米科研论文的总产出方面，位列全球前 20，即清华大学、复旦大学、浙江大学、中国科学技术大学和北京大学 （图 5） 。

中国纳米科研的飞速发展，与其对该研究领域持续和大力的资金支持密切相关。早在 1990 年，国家科学技术委员会，即中国科学技术部 （简称科技部） 的前身，便将纳米材料科学列入国家“ 攀登”项目。大约十年后，科技部又资助了国家级纳米材料与纳米结构基础研究项目，并提供持续的资助，促进了中国纳米材料领域的科研产出。1990年代，国家自然科学基金委员会也资助了近千项小型的纳米科研项 目 ³ 。在 2006 年初中国国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006 ～ 2020年） 》中，纳米科学被列为四项重点发展的基础研究领域之一，并是其中获得资助最多的领 域 ⁴ 。

政府有力的资金支 持，吸引了越来越多的中 国科学家投身于纳米材料 的研究。此外，越来越多 有海外留学背景的科学家 在“海归潮”中回国，这 也有助于中国纳米科研的 迅速崛起——这一发展趋 势有望在可预见的未来继 续保持下去。

为了更详细地了解中国纳 米科学发展的特别优势和 侧重点，我们将借助于 Nano 数据库。这是自然 科研新近开发的一个综合 平台，旨在帮助研究人员 及时了解最新的纳米科学 与技术发展。该数据库包 括了几千种纳米材料和设 备在性能、应用和制备方 法上的详细信息，这些信 息定期摘选自发表纳米研 究的 30 本最顶级的期刊，如《科学》、《自然》、《先进材料》、《纳米通讯》等 （完整名单见附录2） 。

该数据库的建立得 到 60 余名纳米科研专家 的支持，他们将这些期刊 发表的论文中所包含的信 息进行筛选整理并加以归 类。在人工筛选的同时， 他们的这些知识被用来训 练机器学习算法，以实现 自动检索，使之能够从 167本同行评议期刊所发 表的论文中提取详细的纳 米相关信息。为了编写这 份白皮书，我们采用了建 立 Nano 数据库所用的人 工整理信息，这些信息是 从30本纳米科研顶级期 刊2014至2016年发表 的论文中提取的。

纳米科学的重点研究方向

通过分析Nano数据 库中发表于2014-2016 年期间的涉及纳米材料的 论文，我们发现中国科学 家对多种纳米材料都有研 究，其中最常见的是纳米 结构材料、纳米颗粒、纳 米片、多孔纳米材料和纳 米器件。这与其它纳米研 究强国最热门的纳米材料 类别大同小异 （图 6） 。 值得注意的是，中国对纳 米多孔材料的研究力度相 对更大，有关纳米器件的 论文在过去三年有快速的 增长。