距最初宣布国家纳米技术计划 (NNI) 至今已超过二十年。NNI 是美国总统比尔·克林顿于 2000 年创立的一项联邦计划，旨在支持美国各地大学、政府机构和工业实验室的纳米技术研究与开发。 这项计划是对一个在公众中以科幻小说而非科学成就而闻名的领域进行的一项重大 финансовый 押注。 今天，很明显，NNI 的作用不仅仅是影响了美国的研究方向。 它催化了一项全球性努力，并激发了科学界的创造力爆发。 我们正在收获回报，不仅在医学领域，还在清洁能源、环境修复以及其他领域。
在 NNI 之前，有人认为纳米技术只是噱头。 我的研究生涯始于化学领域，但在我看来，纳米技术是一生难得的机会：一个跨越科学学科的新领域的开辟。 在 NNI 之后，我的大学西北大学做出了战略决策，成立了国际纳米技术研究所，该研究所目前的纯纳米技术研究、教育项目和支持基础设施的投资已超过 10 亿美元。 美国各地的其他大学也进行了类似的投资，创建了新的研究所和跨学科合作伙伴关系。
现代纳米技术研究的核心有一个非常简单的原理。 当块状材料在纳米尺度上被微型化或重组时，它们会焕然一新。 它们的特性会以奇特而令人惊叹的方式发生变化。 例如，金纳米粒子不是我们从戒指和奖牌中了解到的闪亮的黄色； 它可以呈现彩虹的任何颜色，具体取决于尺寸和形状。 通过合成微调，化学家们已经发现了如何制造金棱镜、立方体、棒状，甚至更奇异和形状更复杂的纳米粒子，它们可以是蓝色、绿色、红色或紫色。
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这有什么意义呢？ 毕竟，到 1990 年代后期，纳米电子技术已经为笔记本电脑、相机和其他消费设备供电。 芯片不断变得更小、更强大。 （因此，关于纳米机器人失控的无尽故事。）即使没有 NNI，电子产品的微型化也会继续下去。
NNI 所做的是将纳米技术转移到以前未曾涉足的领域，例如医疗、化学、光学和运输行业。 在尺寸方面，纳米尺度与蛋白质、病毒和 DNA 等生物结构相当。 这种认识使得制备独特的杂化纳米生物结构成为可能，从根本上改变了我们研究、跟踪和治疗疾病的方式。
的确，过去二十年中最令人兴奋的一些发展与医学有关。 许多强大的新型诊断工具已经被开发出来并基于纳米粒子探针实现了商业化。 早期的纳米技术研究是快速检测的基础，这使得学校和社会能够在 COVID-19 大流行期间重新开放。 许多用于明确诊断疾病的强大的核酸和抗原检测都基于纳米技术平台。 此外，数十种基于纳米医学的新型纳米药物，其概念是在纳米尺度上重组药物或疫苗成分，使其更有效或能够跨越生物屏障，目前正在或即将进入银屑病、使人衰弱的癌症、神经系统疾病、眼部疾病甚至 COVID-19 的临床试验。 具体而言，球形核酸，即用短 DNA 或 RNA 片段密集修饰的纳米粒子结构，是新型的“生命蓝图”，它们以以前未观察到的方式与生命系统相互作用——这些方式使它们能够进入和穿透组织，并被用作强大的新型基因药物。 生物基因编辑纳米机器 CRISPR-Cas9 的最终组成部分已被鉴定、分离和重构为药物。 许多这些纳米医疗工具都具有高度模块化，允许针对各种不同的靶点进行快速开发。
此外，作为跨学科或超学科研究的新途径，纳米技术是 NNI 的核心，它推动了 STEM 领域的新叙事：合作。 纳米技术已经吸引了一代材料科学家、化学家、物理学家和生物学家的想象力，去合成和理解新材料； 以及激励那些接受培训以开发用于制造和操作此类结构的工具的工程师； 以及可以在临床中使用它们的医生。 我们研究所的合作纳米技术研究汇集了西北大学四个学院 32 个系的教职员工。 这种培训和观点的多样性不仅拓宽了我们研究的范围。 它使我们能够识别、理解和解决重大问题——并且它帮助我们打破实验室和市场之间的障碍。
总而言之，这些进展涵盖了基础研究到应用研究。 例如：量子点是半导体的纳米级形式，具有尺寸依赖性荧光。 这些已成为高质量电视和显示器的基础。 具有纳米级设计的孔隙率的化学框架已成为环境修复或气体储存的海绵。 最初开发用于可视化纳米结构的强大电子和扫描探针显微镜工具——有时在单分子或原子水平上——现在用于一次性制造数百万个位置编码的纳米结构，从而大大加速了新材料的发现。
挖掘“材料基因组”是一项艰巨的任务，它包含了元素周期表中所有可能的元素组合。 对于纳米材料，当添加尺寸和形状时——因为请记住，这些结构特征现在会改变特性和功能——参数集几乎是无限的，并且通过传统的合成方法找到给定任务的理想材料使得大海捞针听起来像微风拂面。
这就是纳米技术的用武之地。 利用大规模并行纳米尖端阵列的工具现在正被用于构建组合“巨型文库”，其中包含数百万个纳米结构，每个纳米结构都具有略微不同的尺寸、组成和形状。 支持巨型文库的 2 厘米乘 2 厘米的芯片类似于推动基因组学革命的基因芯片，但功能多了几个数量级。 事实上，单个巨型文库包含的新型无机材料比科学家迄今为止集体合成和表征的还要多。
因此，在筛选新材料时，科学家们已经确定了可以促进清洁能源、汽车和化学工业过程的催化剂。 为了开发能够处理可再生能源长期存储的下一代电池，或制造能够满足更大、更强大的车辆需求的燃料电池，必须有一种方法来识别和创造具有我们所需特性的材料。 借助巨型文库，我们可以快速有效地做到这一点。
科学家们还在利用巨型文库来识别具有重要物理特性的结构，例如磁性、发光性和高温超导性。 重要的是要注意，它们是高质量大数据的来源，为机器学习和人工智能的新发现提供动力，从而推动材料发现。
我们已经从微型机器人走了很长一段路。 回顾过去，NNI——以及随之而来的研究投资——是使这些成就成为可能的转折点。 更重要的是，NNI 背后的愿景正在为前进指明方向——并且，通过对研究和教育的持续投资，我们可以到达那里。 美国人必须了解，定义我们现代生活的许多技术都来自于像 NNI 这样的战略投资，这些投资导致大学和政府实验室的发明，这些发明成为工业创新和进步的重要技术基础。