纳米科学

2016年纳米科学卡夫利奖纳米科学2016年卡夫利奖项的获奖者们和Park Systems的CEO在奥斯陆音乐厅参加颁奖典礼2016年纳米科学卡夫利奖的获得者依次为 Gerd Binnig（第三张图片左侧）， Christoph Gerber（第二张图片左侧）和 Calvin Quate（第一张图片中间）。原子力显微镜的发明是测量技术和纳米雕刻的一大突破，推动着纳米科学和技术的发展。 原子力显微镜技术最先是由 Calvin Quate博士，, Gerd Binnig博士和 Christoph Gerber博士等研究员发明出来， Park Systems公司的创始人兼首席执行官Sang-il Park博士是斯坦福大学的研究人员之一，Park博士认识到AFM技术可以应用于广泛领域的潜力，成为将原子力显微镜商业化并成立公司的第一人，从那以后通过不断的与客户间的创新与合作，Park已成为原子力显微镜制造领域的全球领导者。原子力显微镜是怎么诞生的？- 卡夫利奖得主Calvin Quate博士叙述扫描隧道显微镜（STM）就是一项巨大的科学成就。发明家Binnig和Heinrich Rohrer就因发明了 扫描隧道显微镜（STM）所以在1986年获得诺贝尔物理学奖。但是STM有一个主要的限制，由于它依赖于样品表面和隧道针尖之间的电子隧穿流动，只能成像导电材料。此外，大部分导电材料（如金属和半导体）在环境条件下容易氧化，这就要求将STM放入真空室中。我邀请 Gerd Binnig和Christoph Gerber来斯坦福一年，在1985年他们加入我们时，我们想确认是否可以根据STM的原理制作显微镜，但是可以不考虑导电性对任何表面进行成像。我们发现的解决方案就是添加第二个探针。我们将尖锐的金刚石探针粘在悬臂上。我们将这个悬臂组件插入到样品表面和STM的隧道探针之间。这使得该设备不仅可以在金属上而且可在所有表面上工作。当悬臂的金刚石探针扫过样品表面时，样品表面与悬臂探针之间的原子间力导致悬臂弯曲。STM隧道探针测量悬臂的金属表面的弯曲运动。这样原子力显微镜就诞生了-A为原子力分辨率，F为悬臂，M为显微镜。我们在1986年3月的“物理评论快报”上发表了我们在1985年的成果。原子力显微镜技术的进一步发展，尤其是真空中的非接触模式，使原子力显微镜实现了单原子分辨率的梦想。随着纳米尺度对科学技术进步的影响越来越重要，原子力显微镜正在成为纳米技术产业的基础，并在纳米加工（微结构制造）方面发挥着重要作用。原子力显微镜现在使用导电悬臂测量样品中的电位，另外一些使用探针传送的电流来测量纳米级的电导率和传输。高技术一直都是半导体故障分析测试的一个组成部分。随着纳米材料如碳纳米管的兴起，原子力显微镜技术成为纳米结构和其他聚合物成像的首选工具。原子力显微镜能够准确地测量原子级别的相互作用和原子重新排列后样品性质的变化。原子力显微镜相比光学和电子显微镜有许多优点，它提供了三维地形数据并能以前所未有的空间分辨率测量各种物理特性。它几乎适用于任何类型的表面，即可在空气中，真空中或液体中操作。它在真空中实现原子分辨率，在空气中实现近原子分辨率，但唯一的限制是操作起来还很麻烦，而且比较慢。我希望在不久的将来原子力显微镜能够像光学显微镜一样便于使用，并有和电子显微镜一样高的生产量。

11月24日，国家纳米科学中心携手《科学》杂志向全球发布了十大前沿纳米科技难题，分别是：1.是否可以构建涵盖量子和宏观物理特性的纳米理论，进而能可靠地预测材料在纳米尺度的特性？2.纳米材料的安全性与哪些特性有关？在不同的环境中如何实现对其安全性的有效调节？3.纳米科学如何助力生物学发展？4.纳米技术将为医疗技术带来怎样的变革？5.如何借助可视化技术研究纳米材料的表面和界面？6.纳米技术如何影响不同类型催化剂的制备？7.如何实现原子精度制造的大尺寸化？8.纳米技术将如何提升算力进而助推光电器件的发展？9.纳米技术会对电子行业发展产生哪些影响，未来电子器件的能耗极限在哪里？10. 纳米技术如何助力全球可持续发展？十大前沿纳米科技难题旨在为全球纳米科技领域的科学研究提供指引，为探索纳米科技的知识边界、挖掘纳米科技潜能带来新的启迪；涵盖了从基础理论到前沿应用的纳米理论、纳米安全性、纳米催化、纳米生物、纳米医药、原子精准制造、极限测量及纳米科技对光电技术、电子器件和全球可持续发展的支撑与推动作用等十个纳米科技研究领域。 2023年4月底，国家纳米中心联合《科学》杂志开启了前沿纳米科技难题的全球征集工作。该项工作的目的是深入研究和分析目前纳米科技发展面对的关键问题，国内外纳米科技的发展现状及其在学科支撑、科技进步、社会发展和人类生活改善等方面产生的影响，进一步推动纳米科技的发展，得到了来自中国、美国、加拿大、德国、澳大利亚、新加坡、韩国等二十多个国家从事纳米科技研究的知名科学家和青年学者的积极反馈与响应。本次发布的十大前沿纳米科技问题结合当前国际前沿研究、未来科技发展和人类共同需求，对进一步激发纳米科技工作者的好奇心和自由探索的热情，引领未来纳米科技创新发展新趋势，集中力量攻克纳米科技难题，推动人类进步与社会的可持续发展具有重要意义。《科学》杂志曾于2005年和2021年两次面向全球发布“125个科学问题”，激发了全球科研工作者对未来科技发展的热烈讨论与思考。2022年，“纳米科学与工程”被国务院学位委员会和教育部列为一级学科，人才培养体系和职业教育体系更加完善。纳米科技已成为集交叉性、引领性和支撑性为一体的前沿研究领域。

9月25日，国家纳米科学中心建设项目顺利通过由国家发改委委托中科院和教育部组织的验收。 　　建设国家纳米科学中心是国务院为强化科技前沿布局，抢占未来产业发展制高点做出的战略部署。按照有关批复要求，纳米中心按指标、按概算，高质量地完成了建设任务。基本建设任务全面完成，资金使用合理规范，仪器设备运行良好，档案齐全管理规范。按照国家发展和改革委批复的“边建设边运行”原则，纳米中心围绕纳米科技前沿和国家战略需求，组织和承担国家重大纳米科技项目，在纳米基础研究和重大应用、公共技术平台和基础科研条件建设、纳米标准的研究和制定、国内外学术交流与合作、人才队伍与体制机制建设等方面取得了显著成效。 　　当天上午，验收会议在国家纳米科学中心隆重举行，验收委员会由国家发改委、教育部、科技部、北京市、国家自然科学基金委、中科院等有关单位的相关领导和纳米领域的专家33人组成，北京大学、清华大学和纳米中心科研人员代表等100余人参加了会议。中国科学院副院长詹文龙首先致辞，会议由中科院基础局局长刘鸣华和计划财务局局长孔力共同主持。 　　验收会现场 　　经过认真审议项目建设总结报告和实地考察，验收委员会认为：经过6年来的建设，国家纳米科学中心圆满完成了全部建设任务，发展目标明确，体制机制新颖，科技布局合理，管理科学规范，已逐步成为我国纳米科技创新的重要开放平台、研究中心和人才培养基地，在我国纳米科技发展中发挥了骨干引领和示范带动作用。 　　中科院常务副院长白春礼致辞 　　中科院常务副院长白春礼代表中科院对国家纳米科学中心顺利通过验收表示祝贺，对科学家和项目建设人员表示感谢，并对长期支持中科院工作的各有关单位和部门表示感谢。 　　白春礼指出，纳米中心是中科院与教育部共建，与北京大学和清华大学共管，旨在交叉共享的创新单元。纳米中心认真贯彻落实国家发改委“边建设、边运行”的方针，建设期间，抓住机遇，不断改善科研工作条件。园区从无到有(现园区面积2万多平方米)，科研和办公场所先后经历了从地下室、到平房、再到现代化办公大楼的跨跃，面积也从最初计划的1.38万平方米，扩展到目前的2.49万平方米，并且还留有未来发展的空间。纳米中心在进行基本建设同时，积极承担各类科技项目近200项,并取得了一批原创性的工作。特别是在纳米标准制定方面发挥了核心和引领作用，使我国在国际纳米标准领域迅速成为主导国家之一。在国内外合作、队伍建设、人才培养、以及创新文化建设等方面也取得了重要的进展。 　　白春礼强调，建设国家纳米科学中心是国务院为强化科技前沿布局，抢占未来产业发展制高点做出的战略部署。中科院在近期制定的“十二五”规划中，已把纳米科技列入重点支持的创新领域之一，将进一步有效集成和优化整合资源，促进纳米科技的原始创新和产业化应用，期待各部委和北京市的领导和专家继续对纳米中心的后续建设和发展给予支持和帮助。希望中科院和教育部共同努力，把纳米中心建设成为具有国际先进水平的、面向国内外开放的纳米科学研究公共技术平台和研究基地，成为纳米科技领域国际交流与合作的中心和高级人才培养基地。在国家发展战略指导下，通过“创新2020”规划的实施，希望纳米中心进一步加强科技目标凝练，进一步加强学科交叉融合，进一步加强中科院与北大、清华的联合与合作，力争为我国纳米科技自主创新能力做出新的更大的贡献。 　　国家发改委綦成元司长在讲话中提出，发改委2004年批复由中科院和教育部共建的国家纳米科学中心，为纳米科学技术研究提供了一个公共平台，促进了我国多学科交叉的前沿研究和高新技术的研发。希望国家纳米科学中心继续发扬创新精神，加强与国内外高校和科研机构的合作，为广大纳米科技工作者创造良好的科研环境，尽快发展成为具有国际先进水平的综合性多学科交叉研究中心，实现基础前沿研究和高技术发展的新突破，在促进我国纳米科技发展上作出贡献。 　　验收委员会一致同意通过国家纳米科学中心建设项目验收，建议国家相关部门继续支持纳米中心建设与发展。 　　北京市委常委赵凤桐，中科院纪检组组长、党组成员李志刚，中科院秘书长邓麦村、中国科学技术大学校长侯建国等出席验收会议。 　　北京市委常委赵凤桐出席会议 　　 　　中科院副院长詹文龙出席会议并致辞 　　 　　中科院纪检组长、党组成员李志刚出席会议 　　 　　中科院秘书长邓麦村(左)、中国科学技术大学校长侯建国出席会议