美国国家纳米技术计划做出重要调整

边文越

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202201009

科学观察 ›› 2022, Vol. 17 ›› Issue (2) :47-53 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202201009

科技战略与规划

美国国家纳米技术计划做出重要调整

边文越

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The United States of America Redesigned National Nanotechnology Initiative

Bian Wenyue

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摘要

[目的/意义] 为借鉴国外纳米技术发展经验,该文对美国国家纳米技术计划（NNI）2021年版战略规划进行了深入分析。[方法/过程] 通过分析NNI的发展历史和美国科技界对NNI的认识,[结果/结论] 该文指出为适应国际科技竞争形势和美国纳米科技界发展需求,美国对NNI做出了重要调整,重新设定了发展愿景和发展目标,在项目组织、协调、促进技术转化等方面提出一些重要举措。其核心思想是保持美国纳米技术世界领先,美国不仅要产出原始创新而且要实现成果转化与社会经济效益。

Abstract

[Purpose/Significance] To benefit from foreign experiences in the development of nanotechnology, this article provides an in-depth analysis of the 2021 National Nanotechnology Initiative (NNI) Strategic Plan. [Method/Process] After carefully reviewing of the history of NNI and recommendations for NNI from the U.S. science and technology community, [Results/Conclusions] the article concludes that to meet the challenge of global competition in science and technology and support the current and future needs of the U.S. nanotechnology community, NNI is redesigned with the new vision and goals and the strategies by which the organization and coordination of NNI and nanotechnology commercialization are to be enhanced. The purpose of the plan is to ensure that the United States remains a world leader in nanotechnology, not only the place where nanoscience discoveries are made but also where these discoveries are translated and manufactured into products to benefit society.

Graphical abstract

关键词

纳米技术 / 国家纳米技术计划 / 发展愿景 / 发展目标 / 商业化

Key words

nanotechnology / National Nanotechnology Initiative / vision / goal / commercialization

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边文越. 美国国家纳米技术计划做出重要调整[J]. 科学观察, 2022, 17(2): 47-53 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202201009

Bian Wenyue. The United States of America Redesigned National Nanotechnology Initiative[J]. Science Focus, 2022, 17(2): 47-53 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202201009

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2021年10月8日,伴随着美国国家纳米技术计划（National Nanotechnology Initiative,NNI）全新官网上线,2021年版NNI战略规划正式颁布^[1]。不同于此前几版战略规划的一脉相承,新版战略规划对NNI做出重要调整,重新设定了发展愿景和发展目标,在项目组织、协调、促进技术转化等方面提出一些重要举措,其核心思想是保持美国纳米技术世界领先,美国不仅要产出原始创新而且要实现成果转化与社会经济效益。

1 调整前的NNI

2000年1月,时任美国总统克林顿在加州理工学院宣布了NNI。从2001财年起,国会为NNI配置预算,资助其实施。2003年12月,时任总统小布什签署《21世纪纳米技术研究与开发法案》,以立法的形式正式设立NNI。截至2021财年,美国联邦政府为NNI累计投入超过310亿美元^[2]。

1.1 管理结构

根据《21世纪纳米技术研究与开发法案》,国家科学技术委员会负责管理NNI,并下设纳米科学、工程和技术分委员会（NSET）,负责协调NNI的规划、预算、实施和评估（图1）。NSET由白宫科技政策办公室、管理与预算办公室、NNI参与机构的代表组成。为加强在关键领域的跨机构协调和合作,NSET先后设立了多个工作组和任命了多名协调员,截至2020年10月,有纳米技术环境和健康影响工作组和分别负责国际事务、“环境、健康、安全研究”的2名协调员。《21世纪纳米技术研究与开发法案》设立国家纳米技术协调办公室（NNCO）,负责为NSET提供技术和行政支持,协助其完成规划、预算、评估等事项^[3]。

《21世纪纳米技术研究与开发法案》规定了2套NNI评估机制。一方面,设立国家纳米技术顾问小组,至少每两年对NNI评估一次,结果呈报总统和国会。2004年7月,13539号总统行政令指定总统科技顾问委员会承担国家纳米技术顾问小组的职责。另一方面,NNCO安排美国国家科学院每三年对NNI评估一次,结果呈报国家纳米技术顾问小组和国会。2017年,《美国创新与竞争力法案》把总统科技顾问委员会和国家科学院评估NNI的频率统一改为四年一次。

1.2 战略规划

《21世纪纳米技术研究与开发法案》规定NSET制定NNI的战略规划并每三年更新一次。2004年12月,第一份战略规划发布,提出了NNI的发展愿景和支撑实现愿景的四大发展目标。此后,分别在2007年、2011年、2014年和2016年对战略规划作了更新,愿景和目标保持稳定,仅略有调整。2016年版的发展愿景是“通过在纳米尺度理解和控制物质,引发技术和产业变革,造福社会”。四大发展目标分别为：推动世界级的纳米技术研发;促进新技术转化为产品,满足商业和公共利益;发展并保持教育资源、熟练的劳动力、活跃的基础设施和工具组合以推动纳米技术的发展;支持负责任地发展纳米技术^[4]。在四大发展目标下,还列有具体的发展目标（表1）。

1.3 重大项目

根据《21世纪纳米技术研究与开发法案》,NSET设置了项目组成领域,作为NNI研究活动的分类框架,同时也是投资框架。截至2020年底,有5个项目组成领域,分别为：纳米技术联合计划（Nanotechnology Signature Initiative）,基础研究,纳米技术使能的应用、器件和系统,基础设施和仪器,环境、健康和安全。其中,纳米技术联合计划是NNI组织多个机构联合攻关的重大研究计划。

为加快纳米技术发展、更好支撑国家优先领域和创新战略,白宫科技政策办公室和NNI参与机构遴选出若干条件成熟的重要领域,计划通过紧密的、目标导向的跨机构合作加快实现重大科技突破,纳米技术联合计划由此诞生。2010年,首批启动了3个项目,分别是“用于太阳能收集和转化的纳米技术”“可持续的纳米制造”“面向2020年及以后的纳米电子学”。2012年,设立了“纳米技术知识基础设施”和“用于传感器的纳米技术和用于纳米技术的传感器”2个项目。2015年底,“用于太阳能收集和转化的纳米技术”项目结束。2016年,设立“利用纳米技术实现水资源可持续利用”项目。2019年底“纳米技术知识基础设施”项目结束。2020年底,“面向2020年及以后的纳米电子学”项目结束^[5]。

2 NNI的调整背景

2.1 拜登政府对科技的战略要求

2021年1月15日,即将就任美国总统的拜登给其提名的总统科学顾问、白宫科技政策办公室主任Lander博士写了一封信^[6]。在信中,拜登提了5个问题,反映了新一届政府对国家科技战略的总体需求和思考。这5个问题分别是：（1）经过此次抗击新冠肺炎疫情实践检验,面对广泛的公共卫生需求,我们能做什么或者应该能做什么?（2）科技突破如何为应对全球气候变化提供强有力的解决方案,并重塑市场、促进经济、改善健康、增加就业,尤其是对那些落后地区而言?（3）美国如何确保在对经济繁荣和国家安全至关重要的未来技术和产业领域居于世界领先地位,尤其是在与中国竞争的情况下?（4）如何让全体美国人共享科技创新带来的好处,无论种族、性别、贫富、地理位置?（5）如何保证美国科学技术长期健康发展?

2.2 对纳米技术重要性的认识

自NNI设立以来,美国在纳米技术领域取得显著成绩,技术水平长期保持世界领先。同时,纳米技术也从一项新兴技术转变为一项通用技术,随着各应用领域的发展而进步。在此背景下,NNI是否已完成其历史使命,是否应将资源投向其他新兴技术,成为美国政府需要考虑的问题。

2020年6月,国家科学院发布了最新版NNI评估报告^[7]。报告对这一问题进行了回应,认为医药、粮食、水、能源、微电子、通信、国防等领域的发展越来越由纳米技术创新所驱动,因此有必要继续实施NNI。2020年10月,NNI公布了2021财年预算报告。报告高度肯定纳米技术的重要作用。一方面,过往对纳米技术的投资为在纳米尺度认识和应对新冠肺炎病毒奠定了重要基础。纳米技术被用于开发疫苗、检测设备、防护设备等。另一方面,对纳米技术的持续投资是建立人工智能、量子信息、下一代无线通信、先进制造等未来产业的重要基础,也是在半导体和战略计算领域继续保持领先的重要基础。这些投资包括利用人工智能设计纳米材料,开发用于人工智能的纳米尺度计算硬件,使用具有原子精确性的方法制造量子器件以及可持续的纳米制造等。预算报告指出美国必须继续保持在纳米技术领域的全球领先地位,确保发现在美国、成果转化在美国。

2.3 对NNI自身的认识

国家科学院的评估报告充分肯定了NNI取得的成绩,指出无论是在美国国内还是在国际上,NNI都被广泛认为是一个高度成功的跨学科和跨机构合作范例,甚至是当今美国科技界最成功的合作范例。但报告也指出随着中国、日本、欧盟等国家和地区大规模投资纳米技术,并在一些方面超过美国联邦政府的投入,美国的领先优势正在缩小,并已经在年度发文量和专利数量、研发投入、纳米技术科研人员数量等指标落后于一些国家和地区。

报告分析了NNI四大发展目标的完成情况。对于目标1,NNI在最初10~12年完成出色,但近年受到其他国家和地区的挑战。对于目标2,其完成情况不如目标1。虽然NNI对美国经济增长做出重要贡献,但其他国家采取的一些商业化模式可能带来更好的社会效益,比利时微电子研究中心、法国MINATEC创新园区、日本筑波科学城、中国苏州纳米城等模式值得借鉴。美国需要重新思考如何创造纳米技术知识、如何保护创新、如何开发和商业化产品。对于目标3,一方面,NNI没有制定培养纳米技术劳动力的国家战略,随着美国培养的纳米技术人才越来越多地在其他国家和地区工作,美国遭遇严重的纳米技术人才短缺;另一方面,NNI成功建设了世界领先的纳米技术研发基础设施,但需要维护和继续增加。对于目标4,NNI完成出色,领导了负责任地发展纳米技术,并得到国际认可,但近年国际合作程度有所减弱。

报告建议NNI重塑发展愿景,并提出了5项关键建议。（1）NSET和NNI参与机构应齐心协力面向国家优先研发领域提供基于纳米技术的解决方案。（2）NSET和NNCO应加强和扩展“实验室到市场”创新生态系统,以支持纳米技术转移转化,从而增强国家竞争力。（3）NNI应投资加强和更新纳米技术研发仪器设施,以保持国际领先,这些设施将支持基础研究、原型开发、试验和放大。（4）NSET、NNCO和NNI参与机构应加大力度吸引优秀学生选择纳米技术专业,以保证世界级的人才队伍。（5）通过NSET和NNCO,加强对NNI的协调。给予NNCO充足的经费和人员配置,以保证NNI的顺利开展。NNCO应扩大与非营利组织的合作,建立新的政府与社会资本合作关系。

3 NNI重要调整

针对国家科学院的建议,白宫科技政策办公室、国家科学技术委员会等NNI主管部门通过意见征集、研讨会等形式就研发支持政策、组织协调、优先研发领域等问题广泛征求纳米科技界的意见和建议^[8],并认真研究,最终形成了指导未来五年NNI发展的2021年版战略规划。

3.1 发展愿景和目标

不同于之前几版的微调,新版战略规划重新设定了发展愿景和发展目标。新的发展愿景是“通过在纳米尺度理解和控制物质,推动正在发生的技术和产业变革,造福社会”。与2016年版相比,新版发展愿景指出技术和产业变革“已经发生”（ongoing）,反映了美国科技界对科技革命态势的最新判断。在发展目标方面,NNI继续坚持技术研发、商业化、基础设施、负责任地发展四大方向,同时将教育和劳动力方面的内容单列为一个方向,以增加支持力度,反映了NNI对教育、发展劳动力、公众参与对整个纳米技术事业重要性的最新认识。调整后的五个发展目标也是从纳米技术角度对拜登五问的整体回应。伴随着发展目标的调整,其下具体目标的内容全面更新,具体如表2所示。

3.2 重要举措

基于NNI 20多年的实施经验和纳米科技界的需求,新版战略规划提出以下重要举措。

在组织研发方面,（1）设立国家纳米技术挑战（National Nanotechnology Challenges）项目,以调动纳米科技界和其他各界的力量,合作应对全球性重大问题（例如,治疗流行疾病、应对全球气候变化、提供清洁水、提高粮食产量）,加快提供解决方案,造福社会。（2）采取利益共同体模式（the community of interest model）在优先领域组织跨机构合作。这种模式比较灵活,可以根据研究群体的兴趣变化,快速地建立或取消。目前已在传感器、水资源可持续利用、纳米塑料三个方向建立了利益共同体,其中前两个是基于纳米技术联合计划项目。（3）在国际共同关心的领域,继续采取研究共同体（Community of Research）模式组织开展国际合作。

在加强协调方面,（1）建立与其他研究计划的战略联络机制,加强信息共享,形成研究合力。例如,NNI与国家量子计划、网络和信息技术研发项目在国家科学技术委员会微电子领导力分委员会（NSTC Subcommittee for Microelectronics Leadership）框架下,建立了战略联络机制。（2）继续在重要领域设置协调员, 以加强跨机构协调和合作。除了已有的协调员,将在基础设施和教育与劳动力两个方面设立协调员。

在促进纳米技术商业化方面,（1）扩大纳米技术创业网络（Nanotechnology Entrepreneurship Network, NEN）。2019年,NNI建立了NEN以促进纳米技术商业化。NEN通过播客、研讨会等线上线下定期活动,分享纳米技术商业化实践案例和过程体会,为纳米技术创业者提供人脉和资源支持。（2）利用产业与区域联络机制（Industry and Regional Liaison）,加强商业群体和区域创新系统的参与。例如,通过制造业扩展合作关系项目分布在全国的站点和制造业美国（Manufacturing USA）的16个研究所加快优先技术领域的商业化。（3）针对纳米技术研发所需的仪器、设施价格昂贵问题,加强实体基础设施和数字基础设施的建设和供给,特别是与私营行业合作研发并提供技术研发后期所需的原型制造设施。

4 中美实力比较及对我国的建议

应对中国科技实力的强势崛起是美国NNI做出调整的重要背景和考量。从NNI五个发展目标的角度比较中美纳米技术实力,我国在三个方面表现突出,在两个方面相对不足。

我国在技术研发方面居于世界先进水平。以2021年11月颁发的2020年度国家科学技术奖励为例,获得国家自然科学奖一等奖的两项成果“纳米限域催化”和“有序介孔高分子和碳材料的创制和应用”全部属于纳米技术领域,此外还有“单壁碳纳米管的可控催化合成”“新型纳米载药系统克服肿瘤化疗耐药的应用基础研究”“特种光电器件的超快激光微纳制备基础研究”等纳米技术领域研究获得二等奖^[9]。在基础设施方面,我国拥有上海同步辐射光源等重大科研基础设施,正在建设纳米真空互联实验站（二期）,拥有国家纳米科学中心、纳米技术及应用国家工程研究中心等一大批高水平科研机构和北京纳米科技产业园、苏州纳米城等多个高水平产业化基地。在人才队伍方面,我国拥有一支高素质高产的纳米研究队伍,发表的论文和专利数量10年前就已超过美国,长期位列世界第一。在发展过程中,不仅形成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,而且培养了大量具有先进纳米技术知识和技能的劳动力。

我国在纳米技术商业化方面相对不足,一些有很好产业化前景和应用潜力的研究成果不能很好地通过国内企业转产。我国在与产业发展和人类健康密切相关的纳米安全性研究方面相对薄弱,对纳米科技的伦理学和社会影响研究不够重视。不过这两方面的问题在我国不是纳米技术独有,而是普遍存在于科技领域。

因此,如何更好地推动科技成果转移转化,如何加强科技伦理、安全研究是摆在我国科技管理者、政策研究者面前的重要课题。一方面需要借鉴包括美国在内的国外成功经验,另一方面需要结合我国实际提出符合国情的具有可操作性的政策建议,从而将我国纳米技术基础研究优势转化为纳米技术产业竞争胜势。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	National Nanotechnology Initiative. 2021 National Nanotechnology Initiative Strategic Plan[EB/OL]. (2021-10-8). https://www.nano.gov/2021strategicplan.

[2]	National Nanotechnology Initiative. NNI Supplement to the President's 2021 Budget[EB/OL]. ( 2020-10-27). https://www.nano.gov/2021BudgetSupplement.

[3]	National Nanotechnology Initiative. Organization and Leadership[EB/OL].(2021-11-10). https://www.nano.gov/nset.

[4]	National Nanotechnology Initiative. 2016 NNI Strategic Plan[EB/OL]. ( 2016-10-31). https://www.nano.gov/2016StrategicPlan.

[5]	边文越, 王海名, 张超星, 等. 国际纳米科技发展战略研究[M]. 北京: 科学出版社, 2022: 29-34.

[6]

The White House. A Letter to Dr. Eric S. Lander, the President’s Science Advisor and Director of the Office of Science and Technology Policy[EB/OL]. (2021-1-15). https://www.whitehouse.gov/ostp/news-updates/2021/01/15/a-letter-to-dr-eric-s-lander-the-presidents-science-advisor-and-director-of-the-office-of-science-and-technology-policy/.

[7]	The National Academies of Sciences, Engineering, Medicine. A Quadrennial Review of the National Nanotechnology Initiative[EB/OL].( 2020-6-9). https://www.nap.edu/catalog/25729/a-quadrennial-review-of-the-national-nanotechnology-initiative-nanoscience-applications.

[8]	Federal Register. Request for Information: National Nanotechnology Initiative Strategic Planning[EB/OL]. (2020-10-13).https://www.federalregister.gov/documents/2020/10/13/2020-22556/request-for-information-national-nanotechnology-initiative-strategic-planning.

[9]	国家科学技术奖励工作办公室. 2020年度国家自然科学奖[EB/OL]. (2021-11-3). http://www.nosta.gov.cn/web/list.aspx?menuID=161&page_index=1.