纳米制造：国家战略需求与发展趋势

自21世纪初，各国政府更加清楚地认识到纳米制造的战略目标是一个长期的战略任务，政府必须予以持续、稳定的支持。作为新一代技术的创新源泉，针对纳米制造的基础研究必须得以加强，纳米制造基础研究应该上升到国家意志的高度。欧洲、美国、日本等相继制定了发展纳米制造技术的政府战略报告，共同的特点是都强调以应用为导向，整合各学科的研究力量，建立基础研究-应用研究-技术转移研究的一体化研究平台。纳米制造的新兴技术特征，给其他国家在科技领域实现跨越式发展提供了机遇。中国、巴西、印度等国家和地区都根据各自的经济和科技现状设立了相关政府计划，旨在通过推进和加速纳米制造技术的发展，增强与欧美国家的科技核心竞争力。中国近几年在纳米制造基础研究的持续支持和推动下，展现出强劲的科技发展势头，在纳米制造科技领域已经取得了越来越多的创新成果，对新兴产业发展的支撑作用越来越突出。

（1）各国发展战略对纳米制造的需求

在纳米科技创新战略的倡导者中，科技界始终秉承从纳米尺度上理解和控制物质，期望通过产业界引发新一轮的技术和工业革命。经过各国多年的政策实施，纳米技术研究的初衷基本得以实现，充分激发了政府、科技界和产业界对纳米技术持续发展的极大热情。

美国从2014年开始，相继出台了系列使命导向型的研究计划，白宫主要智囊、美国国防部高级研究计划局等机构与咨询公司，持续发布“纳米制造发展研究战略”“2020年纳米制造发展前瞻”“从原子到产品的制造”“可持续纳米制造”“纳米技术引发的重大挑战：未来计算”等纳米制造战略规划，体现了纳米制造技术在纳米科技发展中的重要地位[7-12]。2017年，在美国国家科学技术委员会（National Science and Technology Council ,NSTC）指导下，NNI重新修订了纳米科技与技术领域的发展目标，提出了纳米制造联名计划及重大挑战项目（Nanotechnology Signature Initiatives and Grand Challenges，NSIs），将“纳米制造联名计划”（Nanomanufacturing Signature Initiatives）作为首要的发展目标，通过支持纳米制造技术与产业，实现批量级成果产出[13]。在此纲领性文件的指导下，美国国防部、美国航天局、美国标准与技术研究院、美国自然科学基金委员会等部门又相继制定了各具特色的纳米制造发展规划，期望在相关领域取得一系列新成果。

面对纳米制造前景的巨大诱惑，欧盟也不甘示弱，分别于2002年、2006年和2007年制定了“第六框架计划”“第七框架计划”和“欧洲纳米技术发展战略”，将纳米制造技术作为纳米科技的重点发展内容之一。自2010年后，欧盟纳米技术战略计划开始侧重于功能材料、新能源、环境、生物医学、柔性电子等领域，并相继出台了“石墨烯旗舰计划”（2015年）、“人脑计划”（2014年）等跨国合作项目[14-18]。在欧盟的整体框架下，欧盟各国还制定了各自的纳米科技发展战略，如德国的“纳米技术行动计划2015”（2012年）和“纳米技术行动计划2020”（2016年）[19]，英国工程与自然科学研究理事会发起的“纳米功能材料研究计划”（2014年）等[20]。尽管德国、法国、英国等国家的纳米科技发展战略和比利时、丹麦、芬兰等国家的战略有明显的区别，但各国均从本国科技侧重点和产业现状出发，着眼于未来纳米制造细分领域的科技地位，通过纳米制造技术的发展支撑其纳米科技的创新和突破。

在亚太地区，科技领先和经济活跃的日本，为加强纳米技术的发展，提出了若干纳米技术研发计划，将纳米技术开发列入日本“科学技术基本计划”之中，并设立了从战略上指导纳米技术发展和推进的研究委员会。近年来，日本政府以问题导向型研究为目标，致力于纳米技术的体系化发展。日本科技振兴机构发表的《2013年主要国家纳米技术研究开发比较报告》，针对纳米技术的发展现状，指出日本未来纳米技术的发展，需要长期关注生物纳米、绿色纳米及纳米电子制造3个重点方向[21]。该机构于2015年发布的《日本纳米技术和材料研发概要与分析报告》详细分析了日本在环境与能源、健康与医疗保健、社会基础建设、信息、通讯与电子产品和基础科技领域中纳米科技的发展趋势，确定了将基础研究转化为产品是纳米制造技术的基本思路[22]。此外，2018年日本文部科学省下属纳米与材料科学技术委员会也发布了《纳米与材料科学技术研发战略》，将纳米与材料技术作为重点推进的研发领域，提出了实现材料革命应采取的四大措施：创造能够带来社会变革的新材料；深化基础科学体系，将创新材料应用于社会；推动实验室研发向高效化、高速化、精密化发展；推进材料革命的国家具体政策[23]。

韩国在2014年根据国内外纳米科技发展态势和国家科技政策推进方向，发布了《第二期国家纳米技术路线图（2014—2025）》[24]。该路线图提出了发展纳米药物、高效LED/OLED面板照明、高性能纳米纤维、超轻纳米复合结构材料、纳米分析测量设备、纳米薄膜材料、纳米传感器、纳米能源转换器件、纳米半导体器件等21个技术方向，并制定了详细的发展路线图。韩国将大规模增加对纳米制造技术的投入，其比例将由目前的不足5%扩大到10%，目标是在2020年扩大到现有投资规模的2倍以上，即扩大到8000亿韩元（约合7.5亿美元）。

澳大利亚科学院于2012年发布报告《澳大利亚国家纳米技术研究战略》[25]，希望借助纳米技术来解决重大挑战性问题，提出要实现纳米驱动的经济发展，需将纳米技术的研发机遇与国家的重大挑战性问题衔接，利用纳米制造技术，充分发挥大规模、多学科协同攻关能力，找出这些重大问题的解决方案。

2014年，俄罗斯联邦政府批准了《俄罗斯联邦至2030年科技发展预测》报告[26]，确定了影响俄罗斯经济社会和科学长期发展的关键领域、俄罗斯创新技术和产品的市场前景以及各领域的研发重点。该报告指出未来俄罗斯科技发展的优先领域为信息通信技术、生物技术、医学和健康、新材料和纳米技术、自然资源合理利用、运输和空间系统、能效提高与节能，并强调要充分发挥纳米科技在各领域突破的指向作用，结合本国国情与世界纳米制造领域的优秀成果，推动俄罗斯未来15年各领域高效、快速发展。(www.xing528.com)

（2）我国发展战略对纳米制造的需求

面对纳米科技的巨大发展前景，我国在纳米科技战略布局方面紧随美国之后，2000年，成立了国家纳米科技指导协调委员会，并印发了《国家纳米科技发展纲要（2001—2010）》，对我国纳米科技工作做出了顶层设计。2006年，国务院发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，纳米科技被认为是我国“有望实现跨越式发展的领域之一”。我国政府各部委和相关机构为纳米科技提供了持续的经费支持。2006年起，科技部组织实施了“纳米研究”重大科学研究计划；科技计划管理改革后，2016年，科技部正式启动实施国家重点研发计划，“纳米科技”作为首批重点专项之一，持续推进我国纳米科技在重点产业领域的应用研究。中国科学院于2013年4月启动了“变革性纳米产业制造技术聚焦”（简称“纳米先导专项”），在纳米材料、纳米催化、纳米能源等领域推进纳米科技基础研究发展。2010年，国家自然科学基金委员会正式启动实施“纳米制造的基础研究”重大研究计划，从制造角度，探索纳米制造新原理、新方法、新工艺的基础理论与关键方法/技术，与我国其他纳米科技计划遥相呼应，提升了我国纳米制造基础研究水平，培养了一支从事纳米制造的专业队伍，打造了一批具有世界领跑水平的研究团队，涌现出一批在国际上有影响力的领军人物。

纳米制造对我国战略需求的支撑作用主要体现在以下几个方面。

芯片制造领域。芯片制造制约我国科技整体发展中的“卡脖子”技术，对我国国防、前沿科学、先进制造、高端装备等领域具有深远影响。晶圆平坦化装备和光刻机装备是我国芯片制造“卡脖子”技术的典型代表，关键在于：直径300 mm的光刻机镜头，如何实现全频段型面精度优于λ/500 （即，1~2 nm）；当前国际上完全对我国实行禁运的高端7 nm光刻机，其难点在于，如何实现曝光平台运动精度优于2 nm，且晶圆抛光达到Ra＜0.2 nm。因此，突破芯片制造的“卡脖子”技术，亟需发展我国纳米制造工艺和装备。

航天观测领域。深空观测的大型望远镜系统，需要在米级幅面的光学镜面上实现型面精度优于1 μm、表面粗糙度优于1 nm；巡航导弹的制造精度及制导精度，是制约命中精度的主要因素。导弹的制造误差需要精确控制（误差增大1 μm，将导致导弹偏离目标数百米）。因此，以纳米精度批量化、一致性制造为主要特征的纳米制造，将为该领域提供重要支撑。

国家战略领域。国家重大工程中的靶丸加工，在小于2 mm球径球壳上加工出直径数微米至十几微米的高深径比充气通孔，用于充气插管的同心沉头孔，对微孔质量（如热影响区/微裂纹/重铸层/孔形）要求极高。因此，以纳米精度、纳米尺度、跨尺度制造为特征的纳米制造，将支撑国家战略制造的需求，保障国家安全与国防水平提升。

生物医疗领域。我国正实施践行健康中国发展战略，作为健康中国战略的重要步骤，大力推动精准医疗是一大关键。以肿瘤为例，目前世界范围内癌症基因组学的相关研究正在加速推进，以期实现肿瘤的精准诊断和精准治疗，这需要多学科的交叉，不仅包括基因测序技术，还包括人蛋白质组、代谢组技术，甚至包括分子影像、分子诊断、内窥镜微创技术、靶向药物、大数据分析工具等。由于涉及细胞或分子层面的监测、诊断和治疗，我国纳米制造技术的发展将大大推动我国精准医疗领域的快速发展。

高端的纳米精度科学仪器领域。当前我国纳米精度科学仪器几乎全部进口，某些领域的高端仪器为100%进口。我国每年高端纳米精度科学仪器进口总额大于100亿美元，每年以30%的速度递增。纳米精度科学仪器，已经成为我国建设科技强国的重大制约因素。