9月，来自美国、加拿大、中国、新加坡、德国、韩国、西班牙的112位科学家联合在ACS NANO期刊发表文章《纳米科技的33个未解之谜》，系统梳理了纳米领域当前最核心、最前沿的33个未解科学问题。这些问题凸显了社会发展对纳米科技更深入的理解、工具和技术的改进以及创新应用的迫切需求，其答案可能对能源、电子、环境、光学和医学等领域产生深远影响^[1]。

文章按照诺贝尔化学奖认可的创新类型，将33个问题分为基础性理解（11个）、工具和技术（7个）、有影响力的应用（11个）三类，以及4个与纳米科技相关的社会影响问题。

一、11个基础性理解问题

（一）在化学精度上设计和合成新型物质

1、如何在纳米结构合成中实现原子与分子级精度？许多关键材料性能依赖于明确的结构-性质关系，因此纳米结构合成中的原子和分子级精度至关重要。现有研究已能在表面操纵单个原子，并发展出数百种合成精确金属纳米团簇的方法。尽管如此，该领域的大部分工作仍然依赖于经验优化。未来需要将理论建模与实验合成紧密结合，发展可广泛应用的策略。

2、如何使纳米材料在极端环境下发挥功能？用于极端环境（例如高温、高压、辐射）的纳米材料，必须在其固有的高表面反应活性下保持稳定性和性能。未来需要引入原位表征技术，实时追踪原子尺度结构变化。融合先进技术，设计出不仅功能完善，而且在远离平衡态条件下也能保持可靠性的纳米材料。

3、如何以分子精度设计纳米药物以优化疗效？分子级精度的纳米药物代表了药物设计的新前沿。与传统制剂不同，结构化的纳米药物可以精细调节循环时间、细胞摄取和治疗效力等性能指标，同时最大限度地降低毒性。

（二）阐明结构-功能关系

4、自然界的结构-功能关系如何指导人工纳米材料设计？通过了解生命物质如何通过结构、运动和环境控制功能，研究人员可以设计出不仅模拟生物学而且扩展生物学的合成系统，从而为可持续能源、响应式医药和具有类生命特性的材料提供新的工具。

5、如何利用结构-功能关系在纳米尺度控制电荷动力学？理解和利用结构-功能关系是在纳米尺度操控电子电荷的关键。电荷动力学，包括产生、分离、运动和复合，控制着许多量子现象和器件功能。随着结构在纳米尺度上日益决定电子行为，结构-功能关系的深入理解对于开发能够高保真地利用量子现象的材料至关重要。

（三）将纳米材料放大和集成到功能系统

6、如何实现纳米材料的规模化制备并成功集成到宏观器件中？许多已有的合成技术，例如高通量纳米光刻和微流控技术，能够制备具有催化、光学或电子功能的复杂纳米结构。然而，将其中一些方法转化为工业规模生产仍然是一个巨大的障碍。未来的进展取决于对纳米结构组装和集成的多尺度热力学、动力学和力学的理解。

7、如何将纳米级组件和工艺与更大尺度的系统集成，从而构建具有跨长度和时间尺度的层级结构和功能的器件？将纳米级组件集成到更大尺度的系统中，以构建具有结构和时间层级的功能器件，仍然是纳米科学的核心挑战。未来的发展方向是构建跨尺度的设计与表征平台，使功能元件在不同层次上协同工作，最终实现真正的系统级集成。

8、如何将纳米器件与生物系统无缝集成以改善人类健康？将纳米器件与生物系统无缝集成有望彻底改变医疗保健行业，但这需要对材料和系统设计都给予高度重视。纳米技术设备必须发展成为能够感知生物信号并自主响应疾病状态的“智能”系统。人工智能使这些设备能够分析复杂的数据集、实现个性化治疗并增强早期检测能力。

（四）纳米材料多尺度建模

9、如何在经典力学或量子力学不足以解释理论与实验结果的尺度范围内对材料进行建模？对从原子到器件等多个尺度的材料进行建模对于理解复杂的纳米材料行为至关重要。然而，目前尚无单一的理论框架能够适用于所有情况。将粗粒化、量子-经典混合方法和机器学习相结合，为跨尺度统一理论和实验理解提供了一条途径。

（五）理解和利用纳米材料的生命周期

10、如何控制纳米结构的耐久性，并赋予其自修复功能？纳米结构本质上是动态的。这使其行为可调控，但也给其长期耐久性带来了挑战，未来的纳米结构应在其使用寿命期间兼顾韧性和响应性，并在使用寿命结束后实现环境友好且经济高效的降解。

11、纳米药物的代谢受哪些因素影响？纳米药物的药代动力学和药效很大程度上取决于其尺寸、形状、表面化学性质和组成。发展纳米代谢组学（研究纳米药物代谢过程的学科）不仅能确保纳米药物的安全性，还能实现纳米代谢物的合理设计，从而改变设计和应用纳米级疗法的方式。

二、7个工具和技术问题

（六）开发以可持续性为核心的新型合成方案

12、如何在原料、反应与制造过程中实现可持续的纳米合成？为了最大限度地减少纳米材料对环境和人类健康的影响，其合成必须从一开始就遵循可持续发展原则。这包括使用可再生原料、环境友好型试剂和节能方法。绿色合成途径应优先考虑原子经济性，优先选择能够最大限度将原材料转化为最终产品，同时最大限度减少废物和副产物的反应。

（七）开发研究纳米世界的新工具

13、如何在动态环境下原位研究单个纳米材料？传统表征技术通常会对纳米材料的性质进行时空平均，从而掩盖了单粒子动态行为的关键信息。为了理解真实环境中发生的纳米尺度过程，必须开发新的工具，在原位和操作条件下提供高分辨率、时间分辨的数据。

14、如何利用纳米技术构建仿生组织与器官？纳米材料具有强大的能力，能够在工程系统中复制生物复杂性。为扩大这些系统的规模并确保其可重复性，需要生物学家和工程师开展跨学科合作。

（八）提高科研和决策效率

15、人工智能如何通过反向设计加速纳米材料发现？人工智能/机器学习与自动化合成、先进表征和开放数据的结合将材料开发模式从试错式发现转变为假设驱动的创新。当前一个主要的限制是数据，高质量、大规模的数据集对于训练机器学习模型至关重要。

16、人工智能与机器人如何推动纳米实验自动化？过去十年，人工智能、机器学习和深度学习的飞速发展改变了纳米科技领域的实验室自动化。这些人工智能模型与机器人技术相结合，能够实现常规实验室任务的自动化，提高实验的可重复性，并使研究人员能够专注于数据分析和实验设计。

17、如何提高纳米药物在人体中的早期效力预测？动物模型和传统体外实验常常难以准确反映人体的实际反应，导致临床失败率高。器官芯片和三维细胞培养技术为更真实的预测提供了可能。人工智能模型可在此基础上进一步整合多模态数据，提高预测的可靠性。

（九）利用标准化推动合作

18、如何在纳米研究中推动标准化、可重复的分析？纳米材料独特的性质和表征技术的多样性要求采用标准化的方法确保数据的可靠性、可重复性和广泛的适用性。建立数据采集、处理和解释的全球标准对于促进合作和加速创新至关重要。目前的工作重点是开发标准化的协议、自动化分析工具和共享数据库。

三、11个有影响力的应用问题

（十）增强信息处理、存储和共享能力

19、纳米技术如何提升计算与数据存储能力？纳米技术有望通过克服硅基器件的基本限制，彻底改变计算和数据存储。石墨烯、量子点和自旋电子器件，为更小、更快、更节能的存储提供了可能。量子计算利用量子比特的叠加与纠缠实现指数级算力提升，而纳米光子学有望大幅提高通信速度和带宽。

20、纳米材料如何促进更快、更安全的通信？纳米材料赋能的硬件将通过提升带宽、降低延迟和确保全球数据完整性，为未来的通信基础设施奠定基础。石墨烯等二维材料展现出与硅技术兼容的卓越电学特性，从而能够制造用于快速信号处理的纳米级晶体管和光子器件。量子点、纳米金刚石和其他纳米结构可用作单光子发射器和量子比特宿主，并且有可能在室温下运行，从而克服量子信息科学中的技术难题。

（十一）保障粮食和水安全

21、纳米技术如何推动可持续农业？纳米技术为增强农业可持续性、提高作物产量和增强作物韧性提供了有前景的工具。但纳米材料对土壤微生物群、pH值和植物生长的环境影响仍未得到充分研究，需要进一步探索。应借鉴纳米医学领域的经验，加速开发安全有效的纳米农用化学品，还需要进行技术经济分析。

22、纳米技术如何保障清洁水源？多孔纳米材料，例如金属有机框架材料，已成为从潮湿空气中收集水分的强大材料。纳米材料还可以改进海水淡化和净化工艺。基于纳米材料的传感器能够检测痕量污染物，例如重金属、有机污染物和病原体，从而增强水质监测能力。这些创新对于确保全球饮用水安全、维护环境和公共卫生至关重要。

（十二）环境保护

23、纳米技术如何去除环境中的有害物质？环境毒素和污染物对人类健康和生态系统构成严重威胁。工程纳米材料通过抵抗、捕获和修复这些有害物质，提供了创新的解决方案。关键挑战是确保这些材料自身的环境安全性和可回收性。未来需要开发高效、稳定、环保的纳米净化技术，实现真正的绿色修复。

（十三）推动全球清洁能源转型

24、纳米材料如何推动清洁能源与可持续燃料？纳米材料在清洁能源发电和可持续燃料生产中发挥着变革性作用，为减少对化石资源的依赖提供了新的途径。持续开展用于能源生产的纳米材料研究，有望在实现可持续的全球能源转型方面取得重大进展。

25、纳米材料如何提升能量存储与输运效率？纳米材料通过提供大的比表面积和可定制的纳米结构，显著增强包括电池和超级电容器在内的储能技术。纳米多孔材料内部具有巨大的表面积和可调控的孔隙化学性质，使其成为选择性存储和控制释放燃料相关气体和液体的理想材料。

26、纳米技术如何应对稀土短缺与环境压力？稀土元素对可再生能源设备、电动汽车和高性能磁体等先进技术至关重要。然而，全球稀土储量在地理上高度集中，这导致供应脆弱性以及与采矿相关的环境问题。通过工程设计，金属有机框架材料、碳纳米管、石墨烯等材料可以从矿石和电子废料中选择性地结合并提取稀土元素，从而提高回收过程的效率和可持续性。

（十四）改善健康、拯救生命

27、纳米技术如何改善健康个体的生活与能力？纳米技术不仅能治疗疾病，还能用于健康管理和能力增强。一个里程碑式的例子是mRNA新冠疫苗，它利用纳米技术实现了有效递送和免疫激活。纳米科学在预防医学、运动表现监测和认知增强方面的进步，为改善健康和人类潜能带来令人振奋的前景，并推动人类迈向一个技术支撑个性化健康的未来。

28、如何利用纳米技术实现早期疾病的无创诊断？有效的诊断工具需要三个关键组成部分：靶标识别、信号转导和信号读取。将这些组件集成到统一、可靠的诊断平台对于临床应用至关重要。人工智能可以优化识别靶标、信号处理和读出，从而提高诊断准确性。克服相关挑战将有助于纳米技术赋能的早期检测工具的广泛部署。

29、如何实现即时诊断与稳定可储存的纳米药物？纳米材料可以通过增强靶标特异性、放大检测信号、降低功耗和缩小设备尺寸显著改进即时诊断技术，所有这些都提高了检测平台的便携性和实用性。开发能在长期储存和运输过程中保持疗效的稳定现成纳米药物至关重要。可扩展的三维纳米支架生物制造方法能以经济高效的方式高通量生产工程细胞和纳米药物，无需每次都进行个体化定制，从而实现更广泛的分发。

四、4个社会影响问题

（十五）纳米教学

30、如何将纳米科技有效融入教育和公众传播？纳米科学跨学科、前沿性强，传统学科框架往往难以系统覆盖。部分大学已开设独立的纳米科学课程或专业，但更多情况是将其内容嵌入化学、物理和生物学课程。数字平台在纳米科学教育方面日益重要，在线模块、模拟工具和远程实验室提供了更广泛的学习途径。尽管如此，实验室实践操作经验对于有效的科学、技术、工程和数学（STEM）学习仍然至关重要。

（十六）理解伦理责任

31、纳米科技带来哪些伦理挑战？由谁来制定伦理规范？纳米技术引发了新兴技术普遍存在的伦理问题：如何在创新与安全、隐私和社会影响之间取得平衡。然而，其发展速度远超现有伦理和监管框架，使得规范滞后。伦理治理应让受纳米技术影响的群体都参与其中，包括研究人员、政策制定者、医疗保健提供者和公众，共同评估风险和收益。

（十七）纳米科学与公共政策的融合

32、纳米科学在政策上面临哪些挑战，如何实现全球协同？纳米科技已成为许多商品不可或缺的组成部分。不同国家和地区对纳米材料的定义、监管和标准差异较大，阻碍了技术的跨境流动与应用。全球协调对于协调法规、减少贸易壁垒和制定一致的安全标准至关重要。协调一致的全球政策可以在保护公众和环境健康的同时促进创新，从而使纳米技术能够可持续地融入全球经济体系。

（十八）知识产权

33、如何在知识产权保护与社会福祉之间实现平衡？平衡开放式创新与保护专有发现对于推进纳米科学发展并将研究成果转化为公共利益至关重要。公私合作可以促进数据共享，同时保留市场准入所需的权利。周全的知识产权管理是释放纳米技术全部潜力的关键，它需要在创新激励、广泛应用和社会效益之间取得平衡。

 （边文越）