在納米領域，有哪些很有可能產業化的技術？

01-03

關注有重大潛力的（有顛覆性的），以及在10年內很有可能產業化的。
下面的回答中提到了semiconductor 產業裡面的納米電路，還有一些display和touch screen的銀納米線，以及量子點。除了電子產業，其他產業也有進展，比如能源方面，產能和儲能器件。大家還可以提一下生物方面的應用嗎？還有可以對現有的答案更加具體地談一談嗎？或者對於各個納米方向有一個概括性的認識，謝謝啦！
舉例：Stanford Yi Cui Lithium Ion Battery and 55 million investment Amprius
Amprius Gets $30M Boost for Silicon-Based Lithium-Ion Batteries : Greentech Media

說說最近在做的一個課題，是中科院北京納米能源與系統研究所最早開發的一個小玩意兒，叫納米摩擦發電機（TENG），可以把微小的機械能轉換為電勢能，但它和傳統的電磁感應不是一套原理，利用的是摩擦起電和靜電感應的耦合，這裡不多講，題主有興趣可以隨便翻點文獻，重點說一下它的顛覆性。

這玩意兒在問世不到兩年的時間內輸出功率密度漲了十幾萬倍，現在達到驚人的五百瓦每平方米（你想想手機沒電了踹兜里一會兒就自個兒充滿了是個什麼情景，當然這只是諸多應用中很不起眼的一小部分）。

而且，這東西雖然概念上已經比較成熟了，但是技術上依舊不斷有革命性的創新和改進，新的材料和結構在不斷刷新摩擦發電機的功率密度和輸出效率。更關鍵的是，它可以實現電子元件的自驅動（或者說主動感測）和電力的微元化生產，這種極具「互聯網思維」的電力生產方式無疑將進一步和正在發生的物聯網革命深刻融合，同時相互促進相互發展，先是改寫可控核聚變實現前的人類能源格局，然後是生產方式（尤其是IT領域），極大降低生產流通的邊際成本，最後很可能改寫經濟格局（當然，要排除掉可控核聚變提前實現的情況）。

目測5-10年內完成初步產業化。

就個人了解，回答兩個例子。

1. 量子點顯示行業。

近幾年來量子點發光材料在顯示領域逐漸展露頭角，大有和OLED一較高下的勢頭。國內外量子點在顯示行業已經得到了一定範圍的應用。目前量子點主要是用作替代熒光粉來充當背光源。國外搞的最火熱的是三星，已經有量子點電視面試，而且號稱第二代無鎘量子點電視。國內TCL也有推出量子點電視。但無論是三星、還是TCL，量子點電視的價格都不低，接近同型號普通電視的兩倍了（其實量子點本身的成本很低捏，這些資本家！）。但是、但是、但是，重要的事說三遍、量子點想要在顯示領域站穩山頭還必須靠QLED（關於QLED可以參考我之前的回答 https://www.zhihu.com/question/53206339/answer/158046749

QLED面前還有OLED這座大山需要翻。目前，國內外還沒有成熟的QLED樣品面世。

2. 納米靶向藥物治療癌症。

這方面的研究論文非常多。各種納米顆粒，各種治療癌症的方法：靶向、熱療等等。但絕大多數都處於小鼠階段，發發文章就完事了。當然也有一部分進入臨床階段的，推薦這篇綜述：

這裡介紹一位美國大牛在這方面的工作以及工業化程度。

首先介紹一下這位老司機：Mark. E. Davis教授。Davis教授是化學工程專業出身。初期以合成分子篩，做催化而成名。到了加州理工學院後轉攻抗癌藥物的研發。相信很多人都聽過Davis教授因愛轉研究方向的故事。事情的經歷大概是這樣的：

Mark來到加州理工學院後，想要拓展研究領域，因為其強大的合成背景，同僚們建議他試試材料的生物應用。下面是一段Mark自己對於生物材料的理解：

「Materials in medicine have [typically] been known materials created for other uses and then applied to medicine, what I call the bandage approach」

「That is, one keeps adding more bandages to something to finally get it to work to some degree. Our approach was to start from the beginning and build new materials with the features and functions that you want for the desired medical application.」

大意是：生物材料總是無心插柳而出現，並非有心栽花，而Davis要做一個有心載花的人（理解若有偏頗，請指正）。

當時，雖然要研究材料的生物應用，但是還沒有具體的方向。直到一天，Mark的老婆被診斷為乳腺癌，於是確定要立志於癌症藥物的開發。目前，Davis教授的研究的抗癌藥物 CRLX101至少已經進入臨床二期。

本期內容以Davis教授開發CRLX101抗癌藥物為例，分享大牛如何從應用出發來合成與設計材料。

a. 癌症治療的難點在哪裡？

既然要開發抗癌藥物，當然要知道癌症治療的難點在哪裡。難點有二：1. 癌細胞的轉移性，2. 抗藥性。針對這兩點，癌症藥物就必須具有特異性和反抗藥性。當時已經發現有很多藥物能夠殺死癌細胞，但是都沒有特異性，常常是好壞不分，通通殺。所以需要找的材料必須能夠攜帶藥物，同時還能夠識別腫瘤。

b. 為什麼選擇納米材料？

研究表明，腫瘤部位與正常組織的一大區別是：腫瘤部位的血管的縫隙比較大（圖1）。基於此，合成出身的Davis教授就想到合成具有一定尺寸的納米材料，這種材料無法透過正常的血管，而能夠透過腫瘤部位的血管（這樣做法可能並非Davis教授首創，沒有查證過）。如此，就可以實現靶向。納米材料在此處的作用就是一個載體。生物體極其複雜，所以對納米顆粒尺寸的把握至關重要。

圖1

c. 究竟多大的納米顆粒最合適？

對於抗癌藥物，首先是要保證足夠的體內循環時間。如果尺寸小於10 nm，材料就會很快被腎臟排出，所以納米材料的尺寸的下限是10 nm。那麼上限在哪裡呢？納米粒子是通過吞噬作用進入癌細胞的。細胞的吞噬效果對納米粒子的尺寸有一定的要求，當尺寸大於100 nm，則無法實現吞噬。所以需構建的納米粒子尺寸上限是100 nm。最終設計出的藥物如圖2所示。在此例中，從應用出發，納米顆粒的尺寸在一定範圍內即可，形貌也影響不大。

圖2

d. 納米藥物的組成如何？

合金、核殼、等等。做納米合成的人，對這些組成和結構相當熟悉，但是很少是從應用的角度真正來設計這些組成和結構。看看Davis教授是如何針對性設計。先看圖3，圖4：

圖3

圖4

雖然是因合成分子篩成名，但Mark並沒有選擇分子篩，而是選擇了一種聚合物核殼結構材料（這也說明他確實是從應用來找材料，而不是給自己的材料找出路）。藥效成分Camptothecin被包裹在中間，外面是一層環糊精和PEG。為什麼這麼選擇？因為Camptothecin是很有效的抗癌物質，所以被選擇為核心。但是其毒副作用太大，所以必須包裹起來，定點釋放。環糊精的生物相容性好、藥物中早有應用，同時其功能基團多，易於功能化。PEG是一個通用的水溶性配體。將環糊精和PEG聚合到一起，再連接上Camptothecin，成功的合成出了一個特異性的癌症藥物。在血管內，由於有環糊精和PEG的保護，同時尺寸適當，所以能夠長時間的安全循環。進入腫瘤後，被癌細胞吞噬，環境變化，聚合物納米顆粒解聚，藥物釋放。解聚後，粒子尺寸變小，即可通過腎臟排出。

e. 臨床應用

正因為是從應用出發，Davis教授在設計出材料後堅定不移的去做大量應用性研究。近幾年，他發的文章很多都是臨床方面的研究。這也是和從材料出發找應用的研究方式最大的不同，此類絕大多數癌症相關的研究都止步於小白鼠。前文已經提到，Davis教授開發的第一代抗癌藥物去年的時候就已經進入臨床二期。他們以iRNA技術為導向的新型納米抗癌藥物也正在臨床試驗。

————————————分割線（20170710）——————————

有空再更

印刷電子技術（Printed Electronics）,以下簡稱PE

簡單說來，印刷電子技術就是將不同功能的納米材料製備成印刷墨水，以列印的形式在基底上成型。PE技術將是納米材料合成方向的福音，使很多材料的合成直接有了應用價值。

在我詳細論述之前，請注意這跟我們所說的3D列印不是同樣的概念，3D列印主要針對模具成型，而印刷電子技術是側重於電子方面的用途，以電子器件為主。

為何說其能產業化？

成本低，來源於簡化的成型工藝和對材料的節省。傳統光刻成型工藝，需要多步驟的塗膠，曝光，顯影，蝕刻，期間涉及到大量真空工藝，耗時長，需要設備多，屬於一種先沉積再去除不需要部分的技術。而PE基本屬於一步法，不需要真空環境，哪裡需要點哪裡，極為節省材料。舉個例子，對於生成銅的圖案化技術，兩種技術的對比可見下圖

生產效率極高。 PE技術直接跟柔性電子和卷對卷技術對接，目標是像印報紙一樣做半導體器件。這對傳統意義上的wafer scale fabrication來說不可想像。用一張圖說明（圖片來源網路）

此技術由於簡化的過程，對環境的污染也較小，屬於綠色製造技術。

局限性：

PE技術分為很多種，具體不在此介紹，主要限制是解析度和墨水的選擇。

現用途：

顯示技術，感測技術，太陽能電池，印刷電路板等等

本文只為科普，產業諮詢請走值乎

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新科技科普專欄科研趣文

科研方法，科研寫作 SCI論文寫作

Nanocomposites
Nanocrystals
Nanoparticles
Nanostructured Materials
Nanoclays and Nanocomposites
Nanocomposite Coatings
Nanotubes
Nanocatalysts
Nanofilters
...

每個詞都可以Google出一堆東西出來。

量子點，quantum dot，應該算一個吧。

基於微納結構的超疏水或者超雙疏服飾和建築外牆的超疏水或者超雙疏塗層

銀納米線。已經替代了ito很大的市場了。另外石墨烯也是。

納米級藥物輸送

文章里講的silicon nanotube, 一維的納米材料（又重又貴放鋰離子電池負極好像很厲害的樣子(o_o) ）。

納米領域這個東西不玄乎，可以說早就無處不在。我們每天接觸的，有光刻，做cpu的時候就離不開。

一維的納米線納米管合成比較複雜，二維的薄膜相對明了一些，用到的地方更多，比如CdTe薄膜太陽能電池，用到的CdS和CdTe都屬於thin film。做表面形貌分析的時候有時候需要在樣品表面鍍膜，我以為也是屬於吧。

說錯了歡迎老師們批評指正…：D

化學法製備石墨烯在能源領域的運用，個人覺得3-5年應該可以量產了…