现在距离国家纳米技术计划 (NNI) 的最初宣布已经过去了二十多年，这是比尔克林顿总统于 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和开发.这是一个重大的金融赌注，投在一个在公众中以科幻小说而不是科学成就而闻名的领域。今天很明显，NNI 所做的不仅仅是影响美国的研究方向，它还催化了全世界的努力，并激发了科学界的创造力。我们不仅在医学方面获得了回报，还在清洁能源、环境修复等领域获得了回报。
在 NNI 之前，有人认为纳米技术是一个噱头。我的研究生涯始于化学，但在我看来，纳米技术是千载难逢的机会：开辟一个跨科学学科的新领域。在 NNI 之后，我所在的西北大学做出了建立国际纳米技术研究所的战略决策，该研究所现在在纯纳米技术研究、教育计划和支持基础设施方面的价值超过 10 亿美元。美国其他大学也进行了类似的投资，创建了新的机构和跨学科的合作伙伴关系。
现代纳米技术研究的核心是一个非常简单的原理。当在纳米尺度上微型化或重组时，块状材料变得全新。它们的特性以奇怪而奇妙的方式变化。例如，金纳米颗粒不是我们从戒指和奖章中知道的闪亮的黄色;根据大小和形状的不同，它可以呈现出彩虹的任何颜色。通过合成微调，化学家发现了如何制造金棱柱、立方体、金棒，甚至是更奇特且形状复杂的纳米颗粒，这些纳米颗粒可以是蓝色、绿色、红色或紫色。
为什么这很重要?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提供动力。芯片变得越来越小，功能越来越强大。(因此，纳米机器人的无尽故事变得流氓。)如果没有 NNI，电子产品的小型化将继续进行。
NNI 所做的是将纳米技术转移到它以前没有涉足过的领域，比如医疗、化学、光学和运输行业。在尺寸方面，纳米级可与蛋白质、病毒和 DNA 等生物结构相媲美。这种认识使得能够制备独特类别的混合纳米生物结构，从根本上改变了我们研究、跟踪和治疗疾病的方式。
事实上，过去二十年中一些最激动人心的发展与医学有关。许多强大的新诊断工具已经基于纳米粒子探针开发和商业化。早期的纳米技术研究是快速测试的基础，使学校和社会在 COVID-19 大流行期间重新开放成为可能。许多能够明确诊断疾病的强大的核酸和抗原测试都是基于纳米技术平台的。此外，数十种新的纳米药物，基于在纳米尺度上重组药物或疫苗成分的概念，使它们更有效或能够跨越生物屏障，现在或将进行银屑病、使人衰弱的癌症、神经系统疾病的临床试验，眼部疾病甚至 COVID-19。具体来说，球形核酸，用 DNA 或 RNA 的短片段密集修饰的纳米粒子结构是“生命蓝图”的新形式，它们以前所未有的方式与生命系统相互作用——使它们能够进入和穿透组织并用作强大的新基因药物的方式.生物基因编辑纳米机器 CRISPR-Cas9 的最终成分已被鉴定、分离和重组为药物。许多这些纳米医学工具都是高度模块化的，可以快速开发各种不同的目标。生物基因编辑纳米机器 CRISPR-Cas9 的最终成分已被鉴定、分离和重组为药物。许多这些纳米医学工具都是高度模块化的，可以快速开发各种不同的目标。生物基因编辑纳米机器 CRISPR-Cas9 的最终成分已被鉴定、分离和重组为药物。许多这些纳米医学工具都是高度模块化的，可以快速开发各种不同的目标。
此外，作为 NNI 核心的跨学科或跨学科研究的新途径，纳米技术推动了 STEM 的新叙事：合作。纳米技术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来合成和理解新材料;以及受过培训的工程师开发制造和操作此类结构的工具;以及可以在诊所使用它们的医生。我们研究所的纳米技术合作研究将西北四所学校 32 个系的教职员工联合起来。这种培训和观点的多样性不仅仅拓宽了我们的研究范围。它使我们能够识别、理解和解决重大问题，并帮助我们打破实验室和市场之间的障碍。
总之，这些进步跨越了应用的基础。举个例子：量子点是半导体的纳米级形式，表现出与尺寸相关的荧光。这些已成为高质量电视和显示器的基础。具有纳米级孔隙率的化学框架已成为用于环境修复或储气的海绵。最初开发用于可视化纳米结构的高功率电子和扫描探针显微镜工具 - 有时在单分子或原子水平 - 现在用于一次制造数百万个位置编码的纳米结构，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，它是元素周期表中所有可能的元素组合。对于纳米材料，当增加尺寸和形状时——因为记住这些结构特征现在会改变特性和功能——参数集几乎是无穷无尽的，通过传统的合成方法为给定的任务找到理想的材料让针和干草堆听起来像轻而易举。
这就是纳米技术的用武之地。利用大规模平行纳米尖端阵列的工具现在被用于构建由数百万个纳米结构组成的组合“巨型库”，每个纳米结构的尺寸、成分和形状略有不同。支持巨型库的两厘米乘两厘米芯片类似于推动基因组学革命的基因芯片，但具有几个数量级的更多功能。事实上，一个单一的巨型图书馆包含的新无机材料比迄今为止科学家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为清洁能源、汽车和化工行业提供燃料的催化剂。为了开发能够长期存储可再生能源的下一代电池，或构建满足更大、更强大车辆需求的燃料电池，必须有一种方法来识别和制造具有我们所需特性的材料。借助大型图书馆，我们可以快速高效地做到这一点。
科学家们还在使用巨型图书馆来识别具有重要物理特性的结构，如磁性、发光和高温超导性。值得注意的是，它们是高质量大数据的来源，为机器学习和面向材料发现的人工智能领域的新发现提供动力。
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 背后的愿景指明了前进的方向——通过对研究和教育的持续投资，我们可以实现这一目标。美国人必须明白，定义我们现代生活的大部分技术都来自 NNI 等战略投资，这些投资导致大学和政府实验室的发明成为工业创新和进步的重要份额的技术基础。
