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 佳，侯锡林，孙 伟

(1.辽宁科技大学工商管理学院，辽宁 鞍山 114051；2.大连理工大学管理与经济学部，辽宁 大连 116024)

从科学预言到新兴产业:纳米技术创新的启示

李天柱1，刘小琴1，马 佳2，侯锡林1，孙 伟1

(1.辽宁科技大学工商管理学院，辽宁 鞍山 114051；2.大连理工大学管理与经济学部，辽宁 大连 116024)

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－工艺开发－整合应用”的线性模型，依赖于 “极度复杂－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。

纳米技术；产业创新；历史分析法

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[1]。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[2]；通过专利分析纳米技术的发展及对策[3－4]；纳米产业创新平台建设[5]；纳米技术演化[6－7]；对纳米技术的治理和规范[8]；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[9]。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，这种局限的微小空间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－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3～50nm、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－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[10]。

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”[11]。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[13]。

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[14]。纳米创新遵循线性模型，但基本形式为 “性能研究－工艺开发－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[13]，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－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－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列新的科学技术。“极度简约”是指纳米创新所依赖的学科基础本质上是物理学这一单一学科。复杂的学科基础是为了运用简约的物理原理解决问题服务，“极度复杂－极度简约”的学科基础实现了矛盾统一，成为纳米创新的一大特点，而其他新兴产业创新却不具备这样的特点。

3.5 企业主导的 “三螺旋”模式

“三螺旋”是指 “大学－产业－政府”三方在创新过程中密切合作、相互作用[15]。纳米创新表现出显著的三螺旋特征:以费曼为代表的大学科学家首先提出纳米技术；然后企业迅速参与进来，与大学共同构建创新的基础设施 (科学工具和新材料)；当创新需要进一步获得更多的政策、资金、基础设施等社会资源时，政府作为第三条螺线适时加入，以三螺旋的形式推动纳米产业的形成。但企业在纳米创新中主导着科学技术的发展方向，纳米技术发展历程中发挥里程碑作用的科学工具、材料突破及很多典型研究和应用都是在像IBM、NEC等企业内完成的。我们认为这是因为:一是纳米技术具有科学技术一体化特性[13]，接近于在应用情景中发展起来的科学[16－17]，它不仅带来理论突破，更有直接形成商业应用的潜力，对于企业具有极大吸引力；二是纳米产品很容易被整合进已有的技术系统，企业能够迅速从中获利。

4 政策建议

(1)重视科学工具。中国在科学工具研发方面的能力一直较弱，因此，要加大对关键科学仪器研发的支持力度，在政策制定中有目的地适当倾斜。

(2)加强基础材料研究。纳米材料几乎涉及所有产业，一旦材料得到突破，其他产业的难题也有望迎刃而解。

(3)进一步围绕企业配置创新资源。在目前中国大学和科研院所作为主要基础研究力量的情况下，围绕企业配置创新资源将是重要的转变。

(4)加强 “大学－产业－政府”紧密互动。中国构造纳米创新生态系统，应超越一般意义上的 “产学研”合作，更加重视 “官产学研”合作，将政府纳入到创新组织中，不断加强 “大学－产业－政府”的紧密互动。

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

[2]王国豫.纳米技术:从可能性到可行性[J].哲学研究，2011，(8):97－128.

[3]高继平，丁堃.海峡两岸纳米技术专利比较及其产业发展对策[J].科研管理，2012，33(6):100－109.

[4]马荣康，刘凤朝.基于专利交互影响分析的纳米技术发展模式国际比较[J].中国软科学，2012，(12):49－58.

[5]王向阳.我国纳米产业支撑平台建设现状及存在问题[J].经济研究参考，2012，(58):18－23.

[6]侯剑华，刘则渊.纳米技术研究前沿及其演化的可视化分析[J].科学学与科学技术管理，2009，(5):23－30.

[7]刘凤朝，马荣康，孙玉涛.基于专利技术共现网络的纳米技术演化路径研究[J].科学学研究，2012，30(10):1500－1508.

[8]樊春良，李玲.中国纳米技术的治理探析[J].中国软科学，2009，(8):51－60.

[9]李定，李天柱.技术创新成功中的“导火索事件”研究[J].管理学报，2012，9(10):1490－1494.

[10]中国广播网.2014全世界纳米产业规模将达2.6万亿美元[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，银路，苗仁涛等.“科学商业”和“接力创新”研究:基于生物制药[J].科学学研究，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·埃茨科威兹著.三螺旋——大学·产业·政府三元一体的创新战略[M].周春彦译.北京:东方出版社，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.

(责任编辑 谭果林)

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

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 (12CGL016)，辽宁省教育科学 “十二五”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)。

2014－10－09

李天柱 (1975－)，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。