距最初宣佈國家奈米技術計劃 (NNI) 至今已超過二十年。NNI 是美國總統比爾·克林頓於 2000 年創立的一項聯邦計劃，旨在支援美國各地大學、政府機構和工業實驗室的奈米技術研究與開發。 這項計劃是對一個在公眾中以科幻小說而非科學成就而聞名的領域進行的一項重大 финансовый 押注。 今天，很明顯，NNI 的作用不僅僅是影響了美國的研究方向。 它催化了一項全球性努力，並激發了科學界的創造力爆發。 我們正在收穫回報，不僅在醫學領域，還在清潔能源、環境修復以及其他領域。
在 NNI 之前，有人認為奈米技術只是噱頭。 我的研究生涯始於化學領域，但在我看來，奈米技術是一生難得的機會：一個跨越科學學科的新領域的開闢。 在 NNI 之後，我的大學西北大學做出了戰略決策，成立了國際奈米技術研究所，該研究所目前的純奈米技術研究、教育專案和支援基礎設施的投資已超過 10 億美元。 美國各地的其他大學也進行了類似的投資，建立了新的研究所和跨學科合作伙伴關係。
現代奈米技術研究的核心有一個非常簡單的原理。 當塊狀材料在奈米尺度上被微型化或重組時，它們會煥然一新。 它們的特性會以奇特而令人驚歎的方式發生變化。 例如，金奈米粒子不是我們從戒指和獎牌中瞭解到的閃亮的黃色； 它可以呈現彩虹的任何顏色，具體取決於尺寸和形狀。 透過合成微調，化學家們已經發現瞭如何製造金稜鏡、立方體、棒狀，甚至更奇異和形狀更復雜的奈米粒子，它們可以是藍色、綠色、紅色或紫色。
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這有什麼意義呢？ 畢竟，到 1990 年代後期，奈米電子技術已經為筆記型電腦、相機和其他消費裝置供電。 晶片不斷變得更小、更強大。 （因此，關於奈米機器人失控的無盡故事。）即使沒有 NNI，電子產品的微型化也會繼續下去。
NNI 所做的是將奈米技術轉移到以前未曾涉足的領域，例如醫療、化學、光學和運輸行業。 在尺寸方面，奈米尺度與蛋白質、病毒和 DNA 等生物結構相當。 這種認識使得製備獨特的雜化奈米生物結構成為可能，從根本上改變了我們研究、跟蹤和治療疾病的方式。
的確，過去二十年中最令人興奮的一些發展與醫學有關。 許多強大的新型診斷工具已經被開發出來並基於奈米粒子探針實現了商業化。 早期的奈米技術研究是快速檢測的基礎，這使得學校和社會能夠在 COVID-19 大流行期間重新開放。 許多用於明確診斷疾病的強大的核酸和抗原檢測都基於奈米技術平臺。 此外，數十種基於奈米醫學的新型奈米藥物，其概念是在奈米尺度上重組藥物或疫苗成分，使其更有效或能夠跨越生物屏障，目前正在或即將進入銀屑病、使人衰弱的癌症、神經系統疾病、眼部疾病甚至 COVID-19 的臨床試驗。 具體而言，球形核酸，即用短 DNA 或 RNA 片段密集修飾的奈米粒子結構，是新型的“生命藍圖”，它們以以前未觀察到的方式與生命系統相互作用——這些方式使它們能夠進入和穿透組織，並被用作強大的新型基因藥物。 生物基因編輯奈米機器 CRISPR-Cas9 的最終組成部分已被鑑定、分離和重構為藥物。 許多這些奈米醫療工具都具有高度模組化，允許針對各種不同的靶點進行快速開發。
此外，作為跨學科或超學科研究的新途徑，奈米技術是 NNI 的核心，它推動了 STEM 領域的新敘事：合作。 奈米技術已經吸引了一代材料科學家、化學家、物理學家和生物學家的想象力，去合成和理解新材料； 以及激勵那些接受培訓以開發用於製造和操作此類結構的工具的工程師； 以及可以在臨床中使用它們的醫生。 我們研究所的合作奈米技術研究彙集了西北大學四個學院 32 個系的教職員工。 這種培訓和觀點的多樣性不僅拓寬了我們研究的範圍。 它使我們能夠識別、理解和解決重大問題——並且它幫助我們打破實驗室和市場之間的障礙。
總而言之，這些進展涵蓋了基礎研究到應用研究。 例如：量子點是半導體的奈米級形式，具有尺寸依賴性熒光。 這些已成為高質量電視和顯示器的基礎。 具有奈米級設計的孔隙率的化學框架已成為環境修復或氣體儲存的海綿。 最初開發用於視覺化奈米結構的強大電子和掃描探針顯微鏡工具——有時在單分子或原子水平上——現在用於一次性製造數百萬個位置編碼的奈米結構，從而大大加速了新材料的發現。
挖掘“材料基因組”是一項艱鉅的任務，它包含了元素週期表中所有可能的元素組合。 對於奈米材料，當新增尺寸和形狀時——因為請記住，這些結構特徵現在會改變特性和功能——引數集幾乎是無限的，並且透過傳統的合成方法找到給定任務的理想材料使得大海撈針聽起來像微風拂面。
這就是奈米技術的用武之地。 利用大規模並行奈米尖端陣列的工具現在正被用於構建組合“巨型文庫”，其中包含數百萬個奈米結構，每個奈米結構都具有略微不同的尺寸、組成和形狀。 支援巨型文庫的 2 釐米乘 2 釐米的晶片類似於推動基因組學革命的基因晶片，但功能多了幾個數量級。 事實上，單個巨型文庫包含的新型無機材料比科學家迄今為止集體合成和表徵的還要多。
因此，在篩選新材料時，科學家們已經確定了可以促進清潔能源、汽車和化學工業過程的催化劑。 為了開發能夠處理可再生能源長期儲存的下一代電池，或製造能夠滿足更大、更強大的車輛需求的燃料電池，必須有一種方法來識別和創造具有我們所需特性的材料。 藉助巨型文庫，我們可以快速有效地做到這一點。
科學家們還在利用巨型文庫來識別具有重要物理特性的結構，例如磁性、發光性和高溫超導性。 重要的是要注意，它們是高質量大資料的來源，為機器學習和人工智慧的新發現提供動力，從而推動材料發現。
我們已經從微型機器人走了很長一段路。 回顧過去，NNI——以及隨之而來的研究投資——是使這些成就成為可能的轉折點。 更重要的是，NNI 背後的願景正在為前進指明方向——並且，透過對研究和教育的持續投資，我們可以到達那裡。 美國人必須瞭解，定義我們現代生活的許多技術都來自於像 NNI 這樣的戰略投資，這些投資導致大學和政府實驗室的發明，這些發明成為工業創新和進步的重要技術基礎。