德国纳米技术研发重点领域

在德国政府的“核心技术框架计划”中，纳米技术具有重要地位。研发资助瞄准了5个关键领域，即能源和气候、卫生和粮食、汽车、安全、通讯。

（一）能源和气候

纳米技术可为实现能源可持续发展目标、提高能效、保障原材料循环、保持环境质量以及保护气候作出贡献。另一个利用潜力是减少使用稀有材料，如铟等稀有金属，寻找长期替代。另外，纳米技术也有助于生物资源利用。

1.纳米技术——提高能源效率的行动 纳米材料用于适应性建筑技术。德国能源消耗的40%来自建筑物。提高房屋能效是节能减排、气候保护的重要环节。新型、强绝缘、阻燃隔热的材料不论是用于老房的经济改造，还是新房建设，都可以显著改善温度调节。纳米技术在发展热致变色外墙涂料、被动或主动智能玻璃上光、微镜阵列、可切换绝缘材料、或是作为潜热储存的相变材料等方面有关键作用。另外在改善建筑材料、集料以及新的布局方面也有很大潜力。

纳米材料用于能源分散供应。利用可再生能源给能源供应商带来了挑战。新能源的产生缺乏连续性，必须采取可靠措施，均匀、充足地将能源存入已有电网。为此需要有强有效的电力储能，当然也涉及加热与冷却系统。纳米技术开发出的新材料和工业材料可以用以建立新的存储系统。

2.纳米技术——适应气候变化的行动 目前，与气候变化有关的极端事件如洪水、干旱、酷热、飓风在自然灾害中占到75%。这些在一定程度上由人类自己造成的自然变化，即使有雄心勃勃的气候保护工程，也很难逆转。在“适应”标题下开发的技术，就是为极端环境做准备。纳米材料因其特殊的材质可提供帮助，如多种用途的过滤材料，或是为提高水保能力而修改过的土工布，作为巩固海、河堤坝的预防措施，或是用于景观建设。

开发过滤技术：频繁的强暴雨，可导致不同水质的水混合的危险，为此改善过滤技术具有意义。纳米技术可应用于过滤程序。另一个应用领域是海水淡化。

改善卫生条件：气温提高带来卫生问题。过滤技术也可在保障卫生条件方面发挥作用。

3.纳米技术——保护环境与资源的行动 NanoNature支持计划：该计划支持用于环境保护的纳米技术，如水、空气净化工艺，土地修复与饮水处理。其他重点：产品制备方法，工业材料再利用，环保型分离程序，利用过滤与分离方法减少物质融入环境。

材料效率、稀有原材料的替代及回收：稀有原材料替代与节约，尤其对于广泛使用的产品，是重要发展目标，比如利用纳米材料来替代催化器和电子产品中的贵金属。高科技产品尤其依赖关键材料，而这类材料仅存于地球上少数几个地区。纳米技术在材料替代、提高效率方面可起重要作用，比如报废产品更高效的材料回收，可以通过新的黏合技术（纳米胶）而修复。在化学工业中，新的纳米催化剂成为替代反应路径的基础，在低温中节电运作，借助选择能力（小量的副产品）实现材料最佳运用。全新的材料源，如环保型生物塑料，具备取代汽车制造中传统的聚合物或金属的潜力。它们产自可再生原材料，不仅废气接近中性，而且不再依赖石化原料。

4.碳纳米材料——替代与物质效率 碳纳米管在开发新材料中有重要意义，为此德国2008年启动了创新同盟“碳纳米材料征服市场”。此同盟框架内有研究和应用项目，结合研究碳纳米材料对人与环境的影响。今后的研究将以节省资源为主要目标，如在生产透明电极（液晶显示器与有机发光二极管）中取代或是减少铟在铟锡氧化物中的应用，替代导电材料（如导电银），或是用于催化器（替代铂金或是其他催化器金属），或是在建筑中运用碳纳米管来强化材料（减少用料而保持同等承受力），同时进行材料影响研究。

（1）耗损小的环保型摩擦材料。很多系统的功能如制动、离合、碾轧等都要依靠非润滑接触面的摩擦作用，摩擦接触的优化需要使用有复杂结构的复合材料，在设计这类材料时，纳米技术设计可以帮助获得理想的摩擦特性，比如改善制动效果、减少磨损。开发环保型摩擦材料的重要目的是，在降低磨损的同时对材料成分组合有更好的控制，替代对环境有害的物质，找到防止纳米粒子排放的方案。

（2）可持续性水利新材料。21世纪的全球挑战之一是饮用水和工业用水可持续性供给，降低水资源浪费与保障水循环。利用特殊材料的技术解决方案针对整个价值开发链，从水获取、运输、分配、处置到净化，具有核心意义。在开发高效纳米过滤膜以及环保型试剂和催化剂方面，有着很大的研究需求。同样在吸附工艺上，纳米技术也会得到更多运用。

5.资助行动“纳米进入生产” 纳米技术可作用于程序化和经济环保地生产更高能效、更节约资源的产品。为此需要研发出程序与设备，以检测并确定纳米粒子的特性、纤维、分层及交互作用。重点是纳米粒子的无尘生产、基体材料加工、表层涂层、可靠的网络分析。

（1）利用多尺度模拟的新型安全组件。新的模拟策略可对材料结构和由此形成的特性有新的见解。依靠多尺度模拟，可以确定原子层材料表现的电子原因和分子层复合程序的交互作用，以便理解并预告用于宏观层面时的组件表现。对原子与分子层面上的，即纳米技术过程的认识，才是改善生产程序和产品特性的基础。多尺度模拟可以显著改善对纳米层与其他系统层高动态相互影响的理解，开发更快、更高效的拳头产品。

（2）环境减压潜力研究。使用纳米技术，具有在产品生命周期中更高效利用能源与原料的潜力，达到减排与降低能耗的目的。要了解具体产品的环境减压的实际潜力，须建立普遍认可的评价矩阵，能概括产品的整个生命周期，并以一个系统设置的机遇-风险-平衡形式，来分析与评价纳米技术应用对可持续发展的创新潜力。

（二）卫生、粮食和农业

在卫生领域，用于诊断与治疗的纳米技术有很大发展，德国政府对医疗卫生研究的支持措施，一直延伸到早期临床研究。

1.纳米技术——优化诊疗的行动

（1）分子成像。分子成像创新同盟的研发目标是新型诊断手段、用于临床和药物开发的成像程序。同盟致力于证实分子与细胞层面上的生物程序，以便能够早期发现疾病，更好诊断，提供针对性治疗。除了纳米粒子对用于分子成像的新颖造影剂的意义，它们还可以用于诊断传感器，或是用于疗程。在初期行动中就已经形成了集成“诊疗”方案（Thcranostik）。

（2）量身定制的疗程与纳米医学。对新药物的研究已在全球深入展开，高效能、高特性的药品，部分已经可为患者量身定制，显示出个性化治疗的前景与趋势。为能全面利用有效药物的潜力，需要有新的给药系统（药效释放系统），它们能在足够高的剂量下，有控制地定向释放药效。纳米材料与纳米技术推动开发更好的注射器、吸入器、给药系统，其中极佳的创新领域是器械～药物～组合，比如有药物涂层的血管支架，纳米技术尤其可以应用于涂层与控制药物释放的矩阵。

（3）个性化移植与假肢。人口结构的变化使得老年疾病研究日趋重要。移植是肌肉、骨骼疾病受损器官功能康复的主要手段。纳米技术可大大提高植入物的性能，促进其与人体组织的相容，因为植入物与生物环境的交互作用主要发生在纳米尺度上。

（4）再生医学与纳米结构的生物材料。创新型生物材料与其程序化可以促进再生医学更广泛的临床应用。至今尚无合适的人工三维支架构体，能足够好地模仿器官的结缔组织并保障血液流通。为此需要量身定做的、纳米结构的生物材料和方法。生物技术有能力替换受损组织，在将来或许可以移植整个器官。未来的课题除了获得合适的细胞材料外，还要研发实际可用的培养系统，而纳米技术与纳米程序技术可大大推动此领域的进展。

农业与粮食产业也可从纳米技术获益，主要集中于前期加工领域（比如机械制造，电子，药学）。联邦政府为在此领域安全负责地使用纳米技术，资助管理部门的随同与安全研究。

2.纳米技术——应用于农业与食品加工的行动 有研究需求的领域有：

（1）纳米技术应用于作物保护，以提高效率，减少活性物质量，改善农用化学品的组合；可调控性承载系统，用于物理和化学活性物质有针对性的释放（pH值、紫外线辐射、酶等）；纳米材料可控式农业应用的影响评估。

（2）纳米技术程序，用于更快、更经济、更准确地诊断动植物疾病。

（3）纳米食品添加剂的证实与量化分析方法。

（4）应用与食品储存、运输、加工的易除性纳米涂层。

（5）用于功能性食品包装。

（6）用于提高食品添加剂的生物利用度。

（7）顾及农业高性能要求，开发发动机与变速器。

（8）为农业可再生能源生产和电力利用的融合，开发产电链新方案。

（三）汽车

在汽车工业，纳米技术已为安全、可持续与舒适作出了很多贡献。现在的重点是电动汽车。为实现德国到2020年引领电动汽车技术的目标，需要对包括纳米技术的研发提供支持。

纳米技术——用于电动汽车与交通建设的行动

（1）开发价格经济、资源节约型驱动工具。为能经受竞争，现代汽车的复杂功能必须节能且有成本效益。纳米技术的广泛应用性，可以相应降低造价，同时提高组件的可靠与环保性，也可以在能效、安全与舒适方面带来创新。纳米技术净化尾气，利用小量贵金属便可扩大催化表层；在喷射系统，用于气缸导轨壁涂层，制造更高效引擎。

（2）纳米技术用于电动汽车。高效储能是电动汽车的核心。利用纳米技术与材料可克服其中的障碍。需要研究的领域有针对电动汽车、机动器械与设备的电池技术和网络集成。纳米技术新的应用首先在电极与导体材料，目的是增大能量密度，缩短充电时间，提高可靠性与寿命。其次纳米技术有助于批量生产电池，在功能与匀称性方面达到极高的质量标准。此外，纳米材料对于将会用于混合动力汽车与电动汽车的超级电容器具有意义。纳米技术也能为使用燃料电池汽年铺路，尤其是通过开发氢燃料的高效储存工艺。

（3）纳米材料用于智能道路。集成、可持续的交通，需要高效的交通载体和相应的交通基础设施。为维护、维修与新建道路与设备，涉及街道、桥梁与铁轨，需要创新技术与材料。利用纳米材料，可在现实的经济框架条件下，为街道与其他交通设施添加新功能，比如降低噪音或是“路-车-通信”传感系统的集成。

（四）通信

在纳米领域里，可以观察到新的量子物理效应，可以用来发展量子计算机。量子通信可提供全新的、符合物理基本规则而绝对安全的信息传输。

纳米技术——在通信领域中的行动

（1）量子通信提供安全通信的基础。量子通信的基础研究，可给未来的电信网络提供本质安全的信息传输。通常作远距离传输时，量子信息在经过一定的传输距离后，为使继续传输保持可靠，必须要重新处理。为实现这一步，需要发展全新的组件，即所谓的量子中继器。为获得这个组件，需要有运用纳米技术的控制系统，如原子、离子与半导体结构。关注点在于采用具有内聚特性的新材料，如钻石中的图形与色心。

（2）有机或可印刷电子。新型可持续电子的基础，已不再是死板且高成本的须光刻处理的起始材料硅，而是有机分子或是纳米粒子系统，后者可以简单经济地印刷或是蒸汽沉积。由此可实现大面积应用，比如，用于照明、有机发光二极管显示器、或是有机光伏组件、或是可任意塑形的柔性基板。纳米技术在很多方面对可印刷电子有独到作用。有机发光二极管或光伏的大面积应用立足于纳米厚度多层膜的精确离析。另外有机分子或纳米粒子的印刷，在量身定做的膏、油墨与其他印刷技术组合方面，有新的方案。

（五）安全

防范自然灾害、重大技术事故以及日趋严峻的恐怖主义，是德国政府支持科研的目的之一。随着恐怖与刑事犯罪活动的全球网络化以及公民安全保障要求的提高，比如国际运输与商品链需要得到安全保护，对安全产品的技术要求也随之提高。除了危险防范和建立安全标准，安全技术产品与服务也给产业提供了机会。据统计，2008年德国安全技术产品与服务的市场成交额达到200亿欧元，增值潜力很大。安全技术产品与措施的有效性，以技术优势为前提，纳米技术作为功能材料有很大的作为空间。

纳米技术——用于安全防护的行动

（1）文档保护与产品安个——利用产品甄别、标识系统，生产光学防伪标识。文档安全与产品保护的主要动力来白仿造与假冒带来的巨大损失，其数额全球每年在6000亿美元左右。假冒产品的范围从高档消费品、担保文件、货币到药品、汽车及飞机零部件。为防伪，已有一系列利用纳米技术与纳米生物技术材料的产品甄别与标识系统问世，比如荧光纳米粒子、纳米尺度的结构化程序，还有光学防伪标识。生物材料也可利用，比如用于防范担保文件被复印或仿造的防伪汕墨。

（2）开发纳米技术材料，对付重大事故的恶果。净化和过滤技术可应用于重要基础设施与技术设备保护，具有极大的市场潜力。在民众与灾害防护方面，如何应对恐怖袭击或重大事故释放的化学、生物、核武器有害物质带来的危害，是全新的挑战。已有的化学纳米技术，可用于生产能自我净化的纳米构造表层，并在量身定制的多功能涂层系统中，集成有积极催化功能的纳米粒子。在此基础上，可开发出更好的净化技术，有更高的长期稳定性和更广泛的使用范围，使消除化学危险物质与生物制剂灭活成为可能。

（3）为警察与救援人员的安保系统开发防弹防刺的纳米材料。同样有前景的安全技术应用领域是为保护警察与救援人员、防范危险物质、爆炸、烧伤与弹击，开发集成防护系统。主要开发防弹防刺纺织品，比如采用聚合纳米复合材料。在材料技术工艺上，主要采用耐拉抻耐冲击的碳纳米管纤维，或是在防弹背心中使用纳米流体以及开发化学或自愈性耐热服。