雖然5年投放17萬億日元研究經費的第一次科學技術基本規劃獲得了某種程度的效果,但是對産業競爭力的恢復還是不夠的。為了強化能夠孕育出新産業的科學技術,恢複國際競爭力,2001年3月30日確定了2001年度第二次科學技術基本規劃,5年內政府將對研究開發投放總額約24萬億日元的經費,比第一次規劃增加了40%。
第二次科學技術基本規劃有三項重要的政策。第一是科學技術的戰略重點化,第二是為了能夠創造出優秀的成果並加以運用,對科技系統進行改革,第三是推進科學技術活動的國際化。限於時間關係,我將簡要介紹一下涉及納米技術部分的戰略重點化的內容。
戰略重點化的重要內容是重視高質量的基礎研究,以及重點推進關係到國家和整個社會的研究開發。作為重點優先分配研究資源的四個領域是生命科學,信息通信,環境和納米技術及材料。同時對於能源,製造,社會基礎以及先端科技這四個領域,屬於國家存在的基礎,所以國家將其定位於不可缺少的領域加以重視並推進。
第二次科學技術基本規劃目前正在推進之中,此圖顯示的是2001年度至今的科技預算和一般預算的變化。由於經濟景氣的影響,日本的一般預算在逐漸減少,但是科技預算部分的金額則是逐年增加的。
在科技預算的重點領域中,各領域的經費分配情況如圖所示,淡藍色為納米技術和材料部分金額出人意料地少,僅為2萬億日元中的4.5%,大約為1000億日元。金額較少的理由是納米技術和材料大都橫跨其他三個領域,很多課題都劃分到了其他領域的緣故。
比如,納米生物,新一代通信系統不可缺少的納米器件,環保和能源利用的高效化等就是橫跨納米技術與材料和其他3重點領域的項目。納米技術的科學研究已經使得傳統的研究領域的界線不復存在。
更重要的是,由於納米領域的研究橫跨多個學術領域,所以只進行某個特定領域的研究已經是不夠的了,需要促進不同領域之間以及不同領域的學者之間的融合,構築研究人員和研究機構之間的網絡。
另外,僅靠一個或幾個研究人員或集團無法購入和設置的同步輻射光裝置,超高壓電子顯微鏡,超大型計算機等大型設施設備的共享也是必不可少的。
為此,日本文部科學省2002年度開始實施“納米技術綜合支援項目”,將分散在全國的眾多的專業研究人員所進行的研究有機地連接起來。
該項目設置一名主任和6名委員成立運營委員會,並設置了“納米技術綜合支援項目中心”,指定了大型設備以及特殊設備的共同運作機構。
該項目的預算如下,2002年度38億日元,2003年度在預算的29億日元的基礎上又追加了23億日元達到52億日元,2004年度為28億日元。
“納米技術綜合支援項目”的目的如下,大型/特殊設備的靈活運用,與擁有大型/特殊設備的研究人員進行共同研究,按照需要調配/測試試驗材料以及技術支援等。
在大型/特殊設備的靈活運用方面,分為四個領域,他們分別是超高壓電子顯微鏡,超精密加工/造型,同步輻射光,分子/物質綜合設計與解析。
比如,超高壓電子顯微鏡方面,日本東北大學金屬材料研究所擁有的各種電子顯微鏡就像其他單位開放。此外,物質材料機構,大阪大學超高壓電子顯微鏡中心,九州大學超高壓電子顯微鏡室也向其他機構公開。
九州大學超高壓電子顯微鏡室有四種電子顯微鏡參加了該項目,而向社會公開。
設備公開後的使用件數如圖所示,2003年度超高壓電子顯微鏡為170件,超精密加工/造型為297件,同步輻射光為149件,分子/物質綜合設計與解析為268件,上述合計884件。設備的利用者不僅是大學的研究學者,企業的研究人員也呈增多趨勢。
第二次科學技術基本規劃的另一個重要的課題就是推進基礎研究。基礎研究以學者自由的想象為基礎,發現新的法則及原理,構築獨創性理論,預測/發現未知現象等,基礎研究有許多並不能直接産生經濟效益。
但是基礎研究在豐富人類知識財富的同時,通過應用開發,可以對産業甚至經濟帶來突破性進展。
過去,日本的基礎研究大都是由大學的學者進行,大學的主要研究經費就是從1918年啟動一直延續至今的科學研究輔助經費。
單年度的預算金額不詳,但是1918年-1921年4年間為14萬5000日元。可以看到1990年之後,科學研究輔助經費的金額急劇增加。
在自然科學領域,雖然諾貝爾獎僅局限于物理學,化學,醫學以及生理學,但卻是在這些領域對基礎研究成果的世界最具權威的獎項,所以諾貝爾獎可以看作衡量基礎研究活性化的指標。
到目前為止獲獎的9名日本科學家當中,有6名是在科學研究補助金開始增加的1980年以後獲獎的,由此也許人們會認為這些都是科學研究補助金的增加和科學技術基本法的制定,科學技術基本規劃的成果。
值得注意的是這些獲獎項目的研究時期,要比獲獎的年代要早很多。
我和另兩位科學家在2000年以“導電性高分子的發現和開發”為由獲得的諾貝爾化學獎,但其實獲獎的關鍵因素—聚乙炔薄膜的合成工作則是在1967年進行的。除了湯川先生以外的其他獲獎者,他們的獲獎研究也都是在科學研究補助金增長很少的1980年以前進行的,只有一例例外。當然,這些研究更都是在科學技術基本法,科學技術基本規劃制定很久以前的事情。
這意味著什麼呢?至少有以下三點值得注意。
第一, 除了小柴先生以外,沒有太多的研究經費,依然能夠進行獨創性研究。
第二, 第二,是否獲獎與國家的科技政策並無直接關係。一般來説,研究的時期和獲獎的時期大都會相差10年到20年,所以1995年制定的科學技術基本法以及在此之後實施的科技政策的效果還要等到今後來評判。
第三,除了在外國研究的利根川先生,當時為公司的研究人員江崎先生以及目前仍為公司研究人員的田中先生以外,獲獎者6人均為日本國立大學的教員。
在日本的國立大學,儘管資金的金額不多,但基本上都是使用非競爭性資金—分配給每個教員的“教員累計校費”來進行研究。資金不足時可以申請競爭性研究資金—也就是科學研究補助金。
在研究還沒有達到能夠申請科學研究補助金的階段,能夠使用校費自由地進行研究是極為有效和重要的。我個人認為,金額不多但能夠長期提供的“教員累計校費”對研究人員自由地進行研究是極為有效的。
最後我將對導電性高分子的研究開發對納米技術的影響作一個簡要的描述。
導電性高分子研究是從典型的高分子半導體材料—具有不溶解不融化特性的聚乙炔在一次偶然的實驗失敗中聚合成功成了薄膜狀之後開始起步的。此圖為薄膜表面的掃描電子顯微鏡照片。
之後,對聚乙炔薄膜進行受體和授體的化學摻雜之後,獲得了具有和金屬相媲美的導電性能的前所未有的導電性高分子新材料,獲得了世界性矚目,這是在1977年的事情。
在獲得導電性高分子之前,任何高分子材料都是與阿伏伽德羅常數相匹敵的分子的集合體。當然高分子材料所顯示的物理/化學性質的基本來自構成高分子材料的每一個分子,但是一個分子能夠發揮作用的材料則是想都沒有想過的。
1974年Aviram和Ratner提出了讓一個有機分子作為二極管工作的理論。在此之後才開始出現將分子作為電子元器件實現電子設備的飛躍性小型化的提案。(A. Aviram and M.A. Ranter, Chem. Phys. Lett. 29, 277(1974))
1977年通過在聚乙炔薄膜進行化學摻雜,使得聚乙炔獲得與金屬良導體銅和銀相近的導電性能,之後,Su,Schrieffer, Heeger,Rice等發現了反式聚乙炔中的載流子是帶電孤立子的現象。(Su, Schrieffer, Heeger, Phys. Rev. Lett. 42, 1698(1979), Rice, Phys. Lett. 71A, 152(1979))
Cater最早提出了對沿著共軛軸運動的孤立子利用光等來進行控制,從而實現分子開關的可能性。之後,在他的倡導下有關分子電子學的國際會議召開。1982年會議論文集作為Molecular Electronic Devices刊出,包括導電性高分子在內的有機分子的分子電子學,以及分子元器件的應用吸引了眾多研究學者的注意(F.L. Carter, Molecular Electronic Devices (Marcel Dekker, New York, 1982))
導電性高分子的出現,除了它在作為導電材料的傳統應用方面獲得矚目以外,在一個分子鍵上可以讓電流通過或者不通過,這樣分子二極管,分子晶體管等分子級別的元器件也就更加接近現實。
但是,有選擇的合成或取出導電性高分子的一個鍵,這樣的納米技術目前還沒有出現。但是,通過使用特殊的聚合方法,比如把液晶作為溶媒進行的乙炔聚合反應就可以實現讓高分子鍵按照平行或者垂直于薄膜的方向構成,或者形成螺旋線狀的高分子鍵。
眾所週知,液晶有多種種類,分別為近晶相(Smectic)和向列相(Nematic phase)。
此外,按照液晶分子的排列走向,平行于底板的稱之為平行定向(homogeneous orientation),垂直于底板的稱之為垂直定向(homeotropic orientation)。
在大家熟悉的Nematic 液晶(向列液晶)上添加少量促進在垂直方向排列的液晶的話,這個液晶就會按照垂直于底板的方向進行排列
下一個現象為將具有光學活性的液晶分子加入到向列液晶中,就會變成被稱作手性向列的螺旋構造的液晶相。如果在這種液晶相中聚合乙炔,就能合成出呈螺旋狀的螺旋聚乙炔。
這種液晶被稱為手性摻雜,這些液晶分子就是典型的例子。由於這些液晶分子具有光學活性,能夠製造出鏡面對稱的兩種螺旋構造,也即通過光線的順時針和逆時針方向轉動,分別獲得螺旋方向相反的構造。聚乙炔分子也隨之按照順時針和逆時針方向扭曲,所以可以實現定向合成。
同樣,按照這種方法,還可以合成出螺旋軸在垂直方向的垂直排列螺旋聚乙炔。
概括起來,作為導電性高分子材料的聚乙炔,如果是單純合成的話,獲得的是分子隨機排列的薄膜。通過使用液晶就可以合成出分子按指定方向排列的薄膜。目前還沒有實現單個分子選擇性合成的方法,希望不久的將來能夠開發出這樣的聚合方法。
螺旋聚乙炔的分子呈螺旋狀排列,所以通過電流時就會産生磁場,這樣就有可能製造出分子螺線管。
讓我們期待納米技術獲得更大的發展,我的講演也就到此結束,謝謝大家!
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