從科學預言到新興產業:納米技術創新的啟示

李天柱，劉小琴，馬 佳，侯錫林，孫 偉

(1.遼寧科技大學工商管理學院，遼寧 鞍山 114051；2.大連理工大學管理與經濟學部，遼寧 大連 116024)

從科學預言到新興產業:納米技術創新的啟示

李天柱1，劉小琴1，馬 佳2，侯錫林1，孫 偉1

(1.遼寧科技大學工商管理學院，遼寧 鞍山 114051；2.大連理工大學管理與經濟學部，遼寧 大連 116024)

采取宏觀視角，運用歷史分析法從總體上研究納米技術創新的特性。研究發現，納米技術創新的本質特征是用簡約的經典物理學方法替代生物、化學等復雜的生產過程，而這需要以科學工具的發展為先導，以材料科學的進步為基礎，遵循 “性能研究－工藝開發－整合應用”的線性模型，依賴于 “極度復雜－極度簡約”的學科基礎和以企業為主導的三螺旋創新模式。基于論文研究，進一步對現階段中國制定納米產業政策提出相應的建議。

納米技術；產業創新；歷史分析法

1 引言

納米技術是在原子、分子和大分子水平上的研究和技術發展，目的是理解納米尺度的現象和材料，創造和使用具有新奇性質和功能的器件、裝置和系統[1]。對于納米技術創新的研究近年來得到重視，代表性的包括:從哲學視角研究納米技術的可能性和可行性[2]；通過專利分析納米技術的發展及對策[3－4]；納米產業創新平臺建設[5]；納米技術演化[6－7]；對納米技術的治理和規范[8]；等等。但是，罕有文獻對納米技術創新的總體規律進行分析。

本文采取一個宏觀的研究視角，拋開納米產業創新的微觀細節，運用歷史分析法從總體上研究納米產業從無到有、從科學構想到新興產業形成的基本過程，進而分析納米技術創新的特殊規律，得到中國促進納米產業發展的政策建議。

2 納米技術發展歷程

2.1 STM的發明

觸發納米技術的 “導火索事件”是掃描隧道顯微鏡 (STM)的發明[9]。1981年，IBM公司的Binnig和Rohrer發明了STM，使人們第一次可以觀察并操縱單個原子。1985年Binnig和斯坦福大學的Quate又發明了原子力顯微鏡 (AFM)，既可以觀察導體也可以觀察非導體。其后科學家們陸續研發出近場光學顯微鏡 (NSOM)、側面力顯微鏡(IFM)等儀器，不斷豐富和完善納米研究和加工的工具。科學工具的改進使納米技術的發展駛入快車道，1988年IBM的科學家從STM激發的納米尺度的局部區域觀測到了光子發射，1989年斯坦福大學搬運原子團寫下 “斯坦福大學”的英文。此時，實現費曼所設想的操縱單個原子已指日可待。

1990年，IBM的Eigler利用STM移動氙原子組成了 “IBM”三個字母，將費曼的夢想變成了現實，預示著納米時代的到來。1991年Eigler又用STM的針尖移動一氧化碳分子，拼成了一個只有5nm高的 “分子人”。Eigler還發明出量子收集盤，用以觀察研究被局限在極小空間中的電子的量子力學特性，這種局限的微小空間也是未來納米電子元件的操作空間。同年，Hitachi公司在常溫下用硫原子拼寫出新年祝詞 “peace91”，納米研究從此進入實用階段 (1990年 “IBM”三個字母是在－263℃下拼寫出來的)。1993年，IBM的Crommie等用鐵原子組成一個圓形圍欄，同年，Robinett與Williams設計出與STM相連的虛擬現實系統，通過它可以看到并觸摸原子。1997年，美國科學家成功地用單電子移動單電子，這種技術可以用來研制量子計算機。

中國在這一階段迅速加入，1993年中國科學院北京真空物理實驗室操縱原子寫出 “中國”二字，1994年中國科學院化學所和北京真空物理室在單晶硅表面通過提走硅原子的方法，獲得了硅原子的 “毛澤東”三個字，在石墨表面刻出線寬10nm的 “中國”等字符。

2.2 納米碳管的發現

納米技術走向產業化的關鍵的一步是納米碳管的發現，使費曼對材料改進的預言變成了現實。1985年Kroto和Smalley制備出C60(碳的同素異形體、制備納米碳管的基礎)，1991年NEC公司發現了納米碳管，此后納米技術發展就呈現集群突破的態勢了:1993年發現單壁納米碳管及制備方法；1995年發現納米管場致發射特性；1996年合成單壁納米碳管束，同年中國科學院物理所制備出納米碳管陣列 (并于1998年合成2毫米長的纖維級納米碳管)、中國科技大學制備出平均粒度為30nm的氮化鎵粉體；1997年發現單壁納米碳管的中空管可儲存和穩定氫分子，同年清華大學制備出直徑為3～50nm、長度達微米量級的氮化鎵納米棒，實現硅襯底上納米碳管陣列的自組織生長，紐約大學發現DNA可用于建造納米層次上的機械裝置；1998年中國科技大學從四氯化碳中制備出金剛石納米粉；2000年發現納米碳管的質量是同體積鋼的六分之一，但強度卻超過鋼的100倍，很快又發現納米碳管不僅具有良好的導電性，還是目前最好的導熱材料，而且 “管”的空腔可以充當微型試管、模具或模板；2000年制備出世界上最細的純碳納米碳管；2001年美國佐治亞理工學院的三位中國科學家發現半導體氧化物納米帶狀結構；同年，還發現了高級物質狀態—— “玻色－愛因斯坦冷凝物”， “這種物質將在精確測量和納米技術這樣的領域帶來革命性的用途”(瑞典皇家科學院對這一發現獲得諾貝爾獎的評價)；2004年制備出單原子層石墨烯 (Graphene)；2009年基于納米技術，可以覆蓋3.8微米區域的隱形材料被發明；等等。

2.3 納米產業的形成

20世紀90年代Science雜志評論指出， “在納米尺度上備原子團簇的新方法為量子點激光器、單電子晶體管及其他許多應用打開了大門”。這一倡導以及納米技術的一系列重要發現和突破，吸引了世界主要國家的政府、企業及大學的密切關注和大量投資。如日本、美國、中國均將納米技術上升到國家戰略高度。費曼指出的第三個條件迅速成熟，納米技術走向產品化進而形成一個新興產業已經是水到渠成。2000年前后，納米技術開始在新材料、微電子、電力、醫藥、生物、化學、環境、能源、交通、農業等產業得到應用。據預測，2014年全球納米產業市場規模將到達2.6萬億美元[10]。

3 納米技術創新的特性

Pavitt確定了經濟中有一個高科技部門是 “基于科學的”[11]。Pisano指出，生物、納米等產業是“基于科學的商業”[12]。但縱觀納米產業的歷史，我們發現雖然同屬 “基于科學”的產業，納米技術創新還是表現出自身特有的規律。

3.1 用物理學方法統領生產過程

納米技術把原子、分子作為生產原材料，采用經典物理學方法生產產品，如機械工程、電子工程等。一旦能夠采用直接以分子、原子作為原材料，原本需要采用化學、生物學等方法生產的產品就能夠通過物理方法得到。因此，本質上說，納米技術與生物技術等是相反的過程，生物技術等使生產過程變得越來越復雜，而納米技術尋求用物理方法替代化學、生物等方法，使復雜的生產過程回歸到簡單、可靠和可控的水平上。直接操縱分子和原子，還能夠突破化學、生物等方法的極限，獲得以前無法生產的產品或以前無法具備的性能。

3.2 工具的先導性和材料的基礎性

納米技術能夠用物理方法替代生物、化學等方法，前提是科學工具的大幅改進。以STM為代表的科學工具既是觀察分子、原子的研究工具，也是搬運和操作分子、原子的生產工具。由于工具性能的提升，原來無法直接觀察和操縱的分子、原子世界與宏觀世界具有了可比性，才能參照宏觀世界的物理方法操作原子和分子，不僅把分子和原子變成了原材料，而且理論上可以根據需要任意組合分子、原子，突破原有生產方式的限制。同時，由于能夠直接觀察分子和原子，可以發現原來不被了解的新材料和新現象，并認識材料所具備的特異性的功能和性質，使創造新奇 (或性能遠超已有的)的器件、裝置和系統成為可能。此外，有了先進的工具，深奧的科學原理和復雜的數學模型已經顯得不是那么迫切了，因為用簡單的物理方法替代復雜的生產過程，使技術創新跳過了科學原理這一艱難的環節。

與工具并列的是材料的進步。納米技術大都是用新材料或已知材料在納米尺度上的新的功能特性，生產出性能優異的產品替代原有產品，并將產品整合進原有的技術系統[13]。

3.3 遵循另類 “線性模型”

“線性模型”假定技術創新先有科學研究，隨后是技術開發，最后是生產和銷售[14]。納米創新遵循線性模型，但基本形式為 “性能研究－工藝開發－整合應用”。第一，納米創新的科學研究是明確新材料的性質和功能，判斷利用新材料可能創造出什么樣的產品、具有哪些應用潛力，而傳統線性模型中的科學研究是為了獲得基本科學原理；第二，納米創新的開發活動直接針對生產工藝，不像傳統線性模型在科學研究的基礎上獲得產品技術，這是由于開發制備工藝是大量獲得新材料的必要條件，而且納米技術使用新材料生產已知產品的替代品，大多數產品技術 (或技術構想)本身就存在，缺乏的主要是利用新材料生產產品所需的新工藝；第三，納米產品一般以整合到已有的技術系統或產品中的方式實現商業化[13]，因此在納米創新中，“整合應用”替代了傳統線性模型中的 “生產和銷售”。現階段的納米產品基本上是這一另類 “線性模型”的結果。如科學家通過觀察荷葉不沾水的自清潔現象發現了超雙疏性界面材料，進而開發出制備工藝，很快這種材料就被應用于生產防水、防油的服裝。

3.4 “極度復雜－極度簡約”的學科基礎

創新依賴的學科基礎越來越復雜是當代的一大特征。但深入觀察卻發現，納米創新實際上依賴于我們稱之為 “極度復雜－極度簡約”的學科基礎。“極度復雜”是納米創新需要綜合運用大量現代科學技術，而納米技術的發展又將引發一系列新的科學技術。“極度簡約”是指納米創新所依賴的學科基礎本質上是物理學這一單一學科。復雜的學科基礎是為了運用簡約的物理原理解決問題服務，“極度復雜－極度簡約”的學科基礎實現了矛盾統一，成為納米創新的一大特點，而其他新興產業創新卻不具備這樣的特點。

3.5 企業主導的 “三螺旋”模式

“三螺旋”是指 “大學－產業－政府”三方在創新過程中密切合作、相互作用[15]。納米創新表現出顯著的三螺旋特征:以費曼為代表的大學科學家首先提出納米技術；然后企業迅速參與進來，與大學共同構建創新的基礎設施 (科學工具和新材料)；當創新需要進一步獲得更多的政策、資金、基礎設施等社會資源時，政府作為第三條螺線適時加入，以三螺旋的形式推動納米產業的形成。但企業在納米創新中主導著科學技術的發展方向，納米技術發展歷程中發揮里程碑作用的科學工具、材料突破及很多典型研究和應用都是在像IBM、NEC等企業內完成的。我們認為這是因為:一是納米技術具有科學技術一體化特性[13]，接近于在應用情景中發展起來的科學[16－17]，它不僅帶來理論突破，更有直接形成商業應用的潛力，對于企業具有極大吸引力；二是納米產品很容易被整合進已有的技術系統，企業能夠迅速從中獲利。

4 政策建議

(1)重視科學工具。中國在科學工具研發方面的能力一直較弱，因此，要加大對關鍵科學儀器研發的支持力度，在政策制定中有目的地適當傾斜。

(2)加強基礎材料研究。納米材料幾乎涉及所有產業，一旦材料得到突破，其他產業的難題也有望迎刃而解。

(3)進一步圍繞企業配置創新資源。在目前中國大學和科研院所作為主要基礎研究力量的情況下，圍繞企業配置創新資源將是重要的轉變。

(4)加強 “大學－產業－政府”緊密互動。中國構造納米創新生態系統，應超越一般意義上的 “產學研”合作，更加重視 “官產學研”合作，將政府納入到創新組織中，不斷加強 “大學－產業－政府”的緊密互動。

[1]UNESCO.The Ethics and Politics of Nanotechnology[R].2006.

[2]王國豫.納米技術:從可能性到可行性[J].哲學研究，2011，(8):97－128.

[3]高繼平，丁堃.海峽兩岸納米技術專利比較及其產業發展對策[J].科研管理，2012，33(6):100－109.

[4]馬榮康，劉鳳朝.基于專利交互影響分析的納米技術發展模式國際比較[J].中國軟科學，2012，(12):49－58.

[5]王向陽.我國納米產業支撐平臺建設現狀及存在問題[J].經濟研究參考，2012，(58):18－23.

[6]侯劍華，劉則淵.納米技術研究前沿及其演化的可視化分析[J].科學學與科學技術管理，2009，(5):23－30.

[7]劉鳳朝，馬榮康，孫玉濤.基于專利技術共現網絡的納米技術演化路徑研究[J].科學學研究，2012，30(10):1500－1508.

[8]樊春良，李玲.中國納米技術的治理探析[J].中國軟科學，2009，(8):51－60.

[9]李定，李天柱.技術創新成功中的“導火索事件”研究[J].管理學報，2012，9(10):1490－1494.

[10]中國廣播網.2014全世界納米產業規模將達2.6萬億美元[J/OL].[2012－10－26].http://native.cnr.cn/city/201210/ t20121026_511231386.html.

[11]Pavitt K.Patterns of Technology Change:Towards a Taxonomy and a Theory[J].Research Policy，1984，(13):343－374.

[12]Pisano G P.Science Business:the Promise，The Reality，and the Future of Biotech[M].New York:Harvard Business Press，2006.

[13]李天柱，銀路，苗仁濤等.“科學商業”和“接力創新”研究:基于生物制藥[J].科學學研究，2012，30(12):1881－1890.

[14]Fagerberg J，Mowery D，Nelson R R.The Oxford Handbook of Innovation[M].London:Oxford University Press，2004.

[15][美]亨利·埃茨科威茲著.三螺旋——大學·產業·政府三元一體的創新戰略[M].周春彥譯.北京:東方出版社，2005.

[16]Gibbons M，Limoges C，Nowotny H，Schwatzman S，Scott P，Trow M.The New Production of Knowledge[M].London:Sage，1994.

[17]Stokes D E.Pasteur's Quadrant:Basic Science and Technological Innovation[M].Washington:Brookings Institution Press，1997.

(責任編輯 譚果林)

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

Li Tianzhu1，Liu Xiaoqin1，Ma Jia2，Hou Xilin1，Sun Wei1
(1.School of Business Administration，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.Faculty of Management and Economics，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

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 physicsmethods，which is directed by the developmentof scientific tools，and supported by the advances of thematerial science.Abided by the linearmodel，which is“performance research-process development-integration application”，it also refers to disciplinary basis with both extremely complex and extremely simplicity.It also follows the rule of three-spiral innovationmode oriented by the enterprises.Based on the further research，related suggestions about industrial policy have been made to develop nano-industry in China.

Nanotechnology；Industrial innovation；Historical analysis

F062.3

A

國家自然科學基金項目 (71372121、71472080)，教育部人文社會科學研究青年基金項目 (12YJC630102)，教育部人文社會科學研究項目規劃基金項目 (13YJA630031)，國家社會科學基金青年基金項目 (12CGL016)，遼寧省教育科學 “十二五”規劃重大決策咨詢課題 (GJ13ZD08)，遼寧科技大學創新團隊建設項目 (2012TD02)。

2014－10－09

李天柱 (1975－)，男，遼寧沈陽人，遼寧科技大學工商管理學院副教授、研究生導師；研究方向:技術創新管理，新興技術管理。