从科学预言到新兴产业：纳米技术创新的启示

中国科技论坛　（２０１５年６月）第６期　从科学预言到新兴产业　纳米技术创新的启示　

李天柱　，刘小琴　，马　（１．辽宁科技大学工商管理学院，辽宁鞍山　１１４０５１；　●　●　佳　，侯锡林　，孙伟　２．大连Ａ＿ｒ－大学管理与经济学部，辽宁　大连　１１６０２４）　

摘要：采取宏观视角，运用历史分析法从总体上研究纳米技术创新的特性。研究发现，纳米技术创新　的本质特征是用简约的经典物理学方法替代生物、化学等复杂的生产过程，而这需要以科学工具的发展　为先导，以材料科学的进步为基础，遵循“性能研究一工艺开发一整合应用”的线性模型，依赖于“极　度复杂一极度简约”的学科基础和以企业为主导的三螺旋创新模式。基于论文研究，进一步对现阶段中　国制定纳米产业政策提出相应的建议。　关键词：纳米技术；产业创新；历史分析法　中图分类号：Ｆ０６２．３文献标识码：Ａ　

Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ　ｔｏ　Ａｎ　Ｅｍｅｒｇｉｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ：　ｔｈｅ　Ｒｅｖｅｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　

Ｌｉ　Ｔｉａｎｚｈｕ　，Ｌｉｕ　Ｘｉａｏｑｉｎ。，Ｍａ　Ｊｉａ２，Ｈｏｕ　Ｘｉｌｉｎ　，Ｓｕｎ　Ｗｅｉ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ａｎｓｈａｎ　１　１４０５　１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ａ　ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｖｉｅｗ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｓ　ａ　ｗｈｏｌｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｌｉｋｅ　ｂｉｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｗｉｔｈ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｃｌａｓｓｉｃ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｄｉｒｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｔｏｏｌｓ，ａｎｄ　ｓｕｐｐｏｒ—　ｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｃｉｅｎｃｅ．Ａｂｉｄｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ“ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ—ｐｒｏｃｅｓｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ—ｉｎｔｅｇｒａ—　ｔｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”，ｉｔ　ａｌｓｏ　ｒｅｆｅｒｓ　ｔｏ　ｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ　ｂａｓｉｓ　ｗｉｔｈ　ｂｏｔｈ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ａｎｄ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｓｉｍｐｌｉｃｉｔｙ．Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｆｏｌｌｏｗｓ　ｔｈｅ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ—ｓｐｉｒａｌ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｒｅｌａｔｅｄ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ａｂｏｕｔ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｐｏｌｉｃｙ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｍａｄｅ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｎａｎｏ—ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ；Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

基金项目：国家自然科学基金项目（７１３７２１２１、７１４７２０８０），教育部人文社会科学研究青年基金项目（１２ＹＪＣ６３０１０２），教育部人文社会科学研究项目规划基金　项目（１３ＹＪＡ６３００３１），国家社会科学基金青年基金项目（１２ＣＧＬＯ１６），辽宁省教育科学“十－－３ｉ”规划重大决策咨询课题（ＧＪ１３ＺＤ０８），辽宁科技大学创新　团队建设项目（２０１２ＴＤ０２）。　收稿日期：２０１４—１０—０９　作者简介：李天柱（１９７５一），男，辽宁沈阳人，辽宁科技大学工商管理学院副教授、研究生导师；研究方向：技术创新管理，新兴技术管理。　第６期（２０１５年６月）　中国科技论坛　２３—　１　引言　纳米技术是在原子、分子和大分子水平上的　研究和技术发展，目的是理解纳米尺度的现象和　材料，创造和使用具有新奇性质和功能的器件、　装置和系统…。对于纳米技术创新的研究近年来　得到重视，代表性的包括：从哲学视角研究纳米　技术的可能性和可行性　；通过专利分析纳米技　术的发展及对策ｌ３“　；纳米产业创新平台建设　５　；　纳米技术演化＿６　；对纳米技术的治理和规范　；　等等。但是，罕有文献对纳米技术创新的总体规　律进行分析。　本文采取一个宏观的研究视角，抛开纳米产　业创新的微观细节，运用历史分析法从总体上研　究纳米产业从无到有、从科学构想到新兴产业形　成的基本过程，进而分析纳米技术创新的特殊规　律，得到中国促进纳米产业发展的政策建议。　２纳米技术发展历程　２．１　ＳＴＭ的发明　触发纳米技术的“导火索事件”是扫描隧道　显微镜（ＳＴＭ）的发明　ｊ。１９８１年，ＩＢＭ公司的　Ｂｉｎｎｉｇ和Ｒｏｈｒｅｒ发明了ＳＴＭ，使人们第一次可以观　察并操纵单个原子。１９８５年Ｂｉｎｎｉｇ和斯坦福大学　的Ｑｕａｔｅ又发明了原子力显微镜（ＡＦＭ），既可以　观察导体也可以观察非导体。其后科学家们陆续　研发出近场光学显微镜（ＮＳＯＭ）、侧面力显微镜　（ＩＦＭ）等仪器，不断丰富和完善纳米研究和加工　的工具。科学工具的改进使纳米技术的发展驶入　快车道，１９８８年ＩＢＭ的科学家从ＳＴＭ激发的纳米　尺度的局部区域观测到了光子发射，１９８９年斯坦　福大学搬运原子团写下“斯坦福大学”的英文。　此时，实现费曼所设想的操纵单个原子已指日　可待。　１９９０年，ＩＢＭ的Ｅｉｇｌｅｒ利用ＳＴＭ移动氙原子　组成了“ＩＢＭ”三个字母，将费曼的梦想变成了现　实，预示着纳米时代的到来。１９９１年Ｅｉｇｌｅｒ又用　ＳＴＭ的针尖移动一氧化碳分子，拼成了一个只有　５ｎｍ高的“分子人”。Ｅｉｇｌｅｒ还发明出量子收集盘，　用以观察研究被局限在极小空间中的电子的量子　力学特性，这种局限的微小空问也是未来纳米电　子元件的操作空间。同年，Ｈｉｔａｃｈｉ公司在常温下　用硫原子拼写出新年祝词“ｐｅａｃｅ９１”，纳米研究从　此进入实用阶段（１９９０年“ＩＢＭ”三个字母是在　一２６３％下拼写出来的）。１９９３年，ＩＢＭ的Ｃｒｏｍｍｉｅ　等用铁原子组成一个圆形围栏，同年，Ｒｏｂｉｎｅｔｔ与　Ｗｉｌｌｉａｍｓ设计出与ＳＴＭ相连的虚拟现实系统，通过　它可以看到并触摸原子。１９９７年，美国科学家成　功地用单电子移动单电子，这种技术可以用来研　制量子计算机。　中国在这一阶段迅速加入，１９９３年中国科学　院北京真空物理实验室操纵原子写出“中国”二　字，１９９４年中国科学院化学所和北京真空物理室　在单晶硅表面通过提走硅原子的方法，获得了硅　原子的“毛泽东”三个字，在石墨表面刻出线宽　１０ｎｍ的“中国”等字符。　２．２纳米碳管的发现　纳米技术走向产业化的关键的一步是纳米碳　管的发现，使费曼对材料改进的预言变成了现实。　１９８５年Ｋｒｏｔｏ和Ｓｍａｌｌｅｙ制备出Ｃ６０（碳的同素异　形体、制备纳米碳管的基础），１９９１年ＮＥＣ公司　发现了纳米碳管，此后纳米技术发展就呈现集群　突破的态势了：１９９３年发现单壁纳米碳管及制备　方法；１９９５年发现纳米管场致发射特性；１９９６年　合成单壁纳米碳管束，同年中国科学院物理所制　备出纳米碳管阵列（并于１９９８年合成２毫米长的　纤维级纳米碳管）、中国科技大学制备出平均粒度　为３０ｎｍ的氮化镓粉体；１９９７年发现单壁纳米碳管　的中空管可储存和稳定氢分子，同年清华大学制　备出直径为３—５０ｒｉｍ、长度达微米量级的氮化镓纳　米棒，实现硅衬底上纳米碳管阵列的自组织生长，　纽约大学发现ＤＮＡ可用于建造纳米层次上的机械　装置；１９９８年中国科技大学从四氯化碳中制备出　金刚石纳米粉；２０００年发现纳米碳管的质量是同　体积钢的六分之一，但强度却超过钢的１００倍，很　快又发现纳米碳管不仅具有良好的导电性，还是　目前最好的导热材料，而且“管”的空腔可以充　当微型试管、模具或模板；２０００年制备出世界上　最细的纯碳纳米碳管；２００１年美国佐治亚理工学　院的三位中国科学家发现半导体氧化物纳米带状　结构；同年，还发现了高级物质状态——“玻色　一爱因斯坦冷凝物”，“这种物质将在精确测量和　纳米技术这样的领域带来革命性的用途”（瑞典皇　家科学院对这一发现获得诺贝尔奖的评价）；２００４　年制备出单原子层石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）；２００９年基　中国科技论坛　（２０１５年６月）第６期　于纳米技术，可以覆盖３．８微米区域的隐形材料被　发明；等等。　２．３纳米产业的形成　２０世纪９０年代Ｓｃｉｅｎｃｅ杂志评论指出，“在纳　米尺度上备原子团簇的新方法为量子点激光器、单　电子晶体管及其他许多应用打开了大门”。这一倡导　以及纳米技术的一系列重要发现和突破，吸引了世　界主要国家的政府、企业及大学的密切关注和大量　投资。如日本、美国、中国均将纳米技术上升到国　家战略高度。费曼指出的第三个条件迅速成熟，纳　米技术走向产品化进而形成一个新兴产业已经是水　到渠成。２０００年前后，纳米技术开始在新材料、微　电子、电力、医药、生物、化学、环境、能源、交　通、农业等产业得到应用。据预测，２０１４年全球纳　米产业市场规模将到达２．６万亿美元　…。　３纳米技术创新的特性　Ｐａｖｉｔｔ确定了经济中有一个高科技部门是“基　于科学的”ｌｌ　。Ｐｉｓａｎｏ指出，生物、纳米等产业是　“基于科学的商业”【１２］。但纵观纳米产业的历史，　我们发现虽然同属“基于科学”的产业，纳米技　术创新还是表现出自身特有的规律。　３．１　用物理学方法统领生产过程　纳米技术把原子、分子作为生产原材料，采用　经典物理学方法生产产品，如机械工程、电子工程　等。一旦能够采用直接以分子、原子作为原材料，　原本需要采用化学、生物学等方法生产的产品就能　够通过物理方法得到。因此，本质上说，纳米技术　与生物技术等是相反的过程，生物技术等使生产过　程变得越来越复杂，而纳米技术寻求用物理方法替　代化学、生物等方法，使复杂的生产过程回归到简　单、可靠和可控的水平上。直接操纵分子和原子，　还能够突破化学、生物等方法的极限，获得以前无　法生产的产品或以前无法具备的性能。　３．２工具的先导性和材料的基础性　纳米技术能够用物理方法替代生物、化学等　方法，前提是科学工具的大幅改进。以ＳＴＭ为代　表的科学工具既是观察分子、原子的研究工具，　也是搬运和操作分子、原子的生产工具。由于工　具性能的提升，原来无法直接观察和操纵的分子、　原子世界与宏观世界具有了可比性，才能参照宏　观世界的物理方法操作原子和分子，不仅把分子　和原子变成了原材料，而且理论上可以根据需要　任意组合分子、原子，突破原有生产方式的限制。　同时，由于能够直接观察分子和原子，可以发现　原来不被了解的新材料和新现象，并认识材料所　具备的特异性的功能和性质，使创造新奇（或性　能远超已有的）的器件、装置和系统成为可能。　此外，有了先进的工具，深奥的科学原理和复杂　的数学模型已经显得不是那么迫切了，因为用简　单的物理方法替代复杂的生产过程，使技术创新　跳过了科学原理这一艰难的环节。　与工具并列的是材料的进步。纳米技术大都　是用新材料或已知材料在纳米尺度上的新的功能　特性，生产出性能优异的产品替代原有产品，并　将产品整合进原有的技术系统¨　。　３．３遵循另类“线性模型”　“线性模型”假定技术创新先有科学研究，随　后是技术开发，最后是生产和销售　。纳米创新　遵循线性模型，但基本形式为“性能研究一工艺　开发一整合应用”。第一，纳米创新的科学研究是　明确新材料的性质和功能，判断利用新材料可能　创造出什么样的产品、具有哪些应用潜力，而传　统线性模型中的科学研究是为了获得基本科学原　理；第二，纳米创新的开发活动直接针对生产工　艺，不像传统线性模型在科学研究的基础上获得　产品技术，这是由于开发制备工艺是大量获得新　材料的必要条件，而且纳米技术使用新材料生产　已知产品的替代品，大多数产品技术（或技术构　想）本身就存在，缺乏的主要是利用新材料生产　产品所需的新工艺；第三，纳米产品一般以整合　到已有的技术系统或产品中的方式实现商业化　，　因此在纳米创新中，“整合应用”替代了传统线性　模型中的“生产和销售”。现阶段的纳米产品基本　上是这一另类“线性模型”的结果。如科学家通　过观察荷叶不沾水的自清洁现象发现了超双疏性　界面材料，进而开发出制备工艺，很快这种材料　就被应用于生产防水、防油的服装。　３．４　“极度复杂一极度简约”的学科基础　创新依赖的学科基础越来越复杂是当代的一　大特征。但深入观察却发现，纳米创新实际上依　赖于我们称之为“极度复杂一极度简约”的学科　基础。“极度复杂”是纳米创新需要综合运用大量　现代科学技术，而纳米技术的发展又将引发一系