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中国におけるナノテクノロジー発展の現状と戦略構想(その1)

2016年 4月28日

閻金定:科学技術部基礎研究管理センター

概要

 本稿は、中国におけるナノサイエンス・ナノテクノロジーの発展の現状と重要な進展および国外のナノテクノロジーの発展動向を概観し、中国のナノテクノロジー発展を阻む問題と原因を詳しく分析・検 討したものである。中国のナノテクノロジーの発展が直面している問題としては主に、▽全体としての投入が低く、各分野の発展が均衡を欠く、▽革新チェーンの上・下流間の有機的相互作用を欠く、▽ 戦略配置が不十分で、独自性のある目立った成果が少ない、▽標準分野での取り組みが遅れている――などが挙げられる。本稿では、革新駆動発展戦略の実施、自主革新能力の増強、学科間の交差・融合と産学研(産業・学 術・研究)結合の奨励、産業の発展・育成、国際協力強化などの戦略の面から、中国におけるナノテクノロジーの発展に具体的な提案も行った。

[キーワード]:ナノテクノロジー、課題、戦略構想

 物質は、ナノスケール(通常1~100nmを指す)下において、量子サイズ効果や表面効果、巨視的量子トンネル効果などの特性を持ち、マクロスケール下の物質とは異なる、ま たはマクロにおいては存在しない物理・化学・光学・力学・生物学的特性を示す。ナノテクノロジーは、1980年代末に出現し急速な発展を続けている新興の学際分野である。その基本的な中身は、物 質の特性や相互作用、ナノ効果をナノスケールにおいて研究し、利用することである(原子・分子操作を含む)。ナノテクノロジーは、物理・化学・生物学・医学・材料科学・情報科学・エネルギー科学・先 進製造科学など多くの学科分野にかかわる、高度に交差した総合学科であり、先端科学とハイテクの融合したものであり、様々な基礎学科と応用分野に大きな影響をもたらしている。

 ナノテクノロジーの発展は、物質の構成と性能に対する人々の認識を深め、人類のミクロの知覚と操作能力をかつてない水準に高めた。ナノテクノロジーを通じて、人々は、分子・原 子レベルでまったく新たな性質と機能を備えた材料と部品を設計・製造することができるようになった。材料・製造業・情報・生物・医学などの分野には今後、革命的な変化をもたらされるものと考えられる。長 年の発展を経て、ナノテクノロジーはすでに、計り知れない影響を世界に与え始めており、大量の科学技術と産業の成果が形成され、材料・エネルギー・環境・マイクロエレクトロニクス・生物・医 薬品などの産業分野での重大な変革が促され、従来産業のアップグレード・モデルチェンジ、戦略的新興産業の形成が推進された。米国の推算によると、2 014年の世界のナノテクノロジー産業市場の規模は2兆6千億ドルに達する見通しである [1,2]

 ナノテクノロジーの日進月歩の発展は、力強い生命力と社会経済の発展への推進力を示しており、その他の新興科学技術の発展とともに、国家の未来の核心競争力を高めるための重要な手段、世 界各国の経済発展を推進する中心的な原動力となりつつある。

1 中国におけるナノテクノロジーの発展の現状

1.1 ナノテクノロジーの総体配置

 中国では比較的早期から、ナノテクノロジーの発展に向けた配置が進められ、ナノテクノロジー発展はその開始段階から世界との同時的な発展を維持してきた。「ナノ材料科学」は「八五」(第8次5カ年計画、1 991-1995)期に「国家攀登計画」の一つに組み込まれた。1990年代以降は、ナノ材料の応用研究の成果が次々と生まれ、地方政府と企業が積極的に参入するようになり、中 国のナノ材料研究は基礎研究が応用研究を牽引する新たな局面に入った。

 2001年7月、科学技術部は、「国家ナノテクノロジー指導協調委員会」を関連部門と設立し、国家発展計画委員会(当時)と中国科学院、国家自然基金委員会と共同で「国家ナノテクノロジー発展綱要」を 制定した。「国家ナノテクノロジー発展綱要」の枠組を手引きとして、各部門は、ナノテクノロジー関連の材料・情報・エネルギー・環境・医学・ナノ安全などの分野へのプロジェクトの展開をより一層強化した。 

 2006年、国務院は「国家中長期科学・技術発展計画綱要(2006~2020年)」(以下「計画綱要」) [3] を発布し、「ナノテクノロジーは中国が飛躍的な発展を実現できる見込みのある分野の一つ」と認定した。「計画綱要」の実施を貫徹するため、科学技術部は2006年、中 国ナノテクノロジーの旗印となる研究計画「ナノ研究国家重大科学研究計画」の実施を始め、「国家ハイテク研究発展計画」(863計画)と「科学技術サポート計画」とともに、中 国のナノテクノロジーへの投入を強化した。

 国家自然科学基金委員会も、ナノテクノロジーとナノ製造の基礎研究などに関する一連の大型研究計画を始動した。中国科学院は、総 合的な強みを十分に発揮することが可能な系統的に組み合わされた多学科の大型ナノテクノロジープロジェクトを多数組織し、2013年7月には、戦略的先導科学技術特別プロジェクトの一つとして「 革新的ナノ産業製造技術」の取り組みを開始し、「ナノ緑色(グリーン)印刷」「ナノ動力リチウム電池」「ナノ医薬品」「ナノ触媒」「エネルギー環境関連ナノ技術」などの重点課題の克服をはかり、ナ ノテクノロジーの産業化応用を推進した。

 中国はさらに、多数の国家級ナノテクノロジー基地を建設し、北京に「国家ナノ科学センター」、上海に「ナノ技術・応用国家工程研究センター」、天津に「国家ナノ技術・工程研究院」、杭州に「浙江・カ リフォルニア州国際ナノ技術研究院」、そして蘇州に「国家ナノ技術国際革新パーク」を設立した。さらに40カ所余りのそれぞれが特色を備えた各地域または各産業のナノ研究センターが次々と建設され、中 国ナノテクノロジーの研究開発プラットフォーム体系が徐々に形成されていった。

1.2 重要な成果

 各方面の共同の努力の下、中国のナノテクノロジーは急速な発展を遂げた。先端基礎研究や応用技術、成果転化などの面で重要な進展が実現され、中国は世界のナノテクノロジー大国に躍進し、一 部の研究では世界をリードする水準に到達した。

 基礎研究の分野では、中国の発表したナノテクノロジーのSCI論文の総本数と総引用回数はすでに世界2位となり、一部の研究成果は世界的に大きな影響を及ぼしている。代 表的な成果としては次の幾つかが挙げられる。中国科学技術大学の侯建国が率いる単分子科学研究グループ [4] は、サブナノ級の解像度の単分子光学ラマンイメージングの実現に世界で初めて成功し、化学的識別能力を備えた空間イメージングの解像度をかつてない0.5nmレベルに高めた。論文審査者はこれを「 この分野でこれまでに最も優れた研究で、新たな地平を切り開いた」と評価し、研究成果は『Nature』に発表された。北京大学の李彦グループ [5] は、タングステン合金の効率触媒を発展させた。このナノ触媒粒子は融点が非常に高く、特別な構造を備えた単層カーボンナノチューブの産出が可能で、高 温環境下でもその結晶構造と形状を維持することができる。この成果も『Nature』で発表された。中国科学院大連化学物理研究所の包信和が率いる研究グループ [6] は、「ナノ限域触媒」という新たな概念に基づき、シリサイド格子に制限された「単鉄中心触媒」を構築し、メタンの無酸素条件下での選択的活性化の実現に成功し、エチレン、芳香族炭化水素、水 素など高価値の化学品のより効率的な生産を実現した。この成果は『Science』に発表された。厦門大学の鄭南峰が率いるグループ [7] は、白金ナノ複合触媒の製造・キャラクタリゼーション・触媒反応のプロセスや原理の研究で大きな進展を実現し、実用的で活性・安定性の高い貴金属ナノ触媒を作り出し、室温下でのCOの100%の 転化を実現した。この研究に関する成果も『Science』に発表された。中国科学院金属研究所の盧柯研究グループ [8] は、自主設計した表面機械研磨処理技術を利用して、金属ニッケル表層における結晶粒子のサイズの極限を突破し、ナノ級の厚さで小傾角粒界を備えた層状構造を獲得した。このナノ層状構造は、非 常に高い硬度と熱安定性を備えている。研究成果は『Science』に発表された。国家ナノ科学センターの裘暁輝が率いる研究グループ [9] は、改良された非接触原子間力顕微鏡を利用して、分子間の水素結合と配位結合との相互作用を実空間において観測し、分子間の限られたエリアにおける作用の直接的なイメージングを世界で初めて実現した。中 国人研究者として初めて水素結合を「見た」この成果は、世界の同分野の研究者らから大きな注目を受けた。これに関する成果も『Science』に発表された。中 国科学院高エネルギー物理研究所と国家ナノ科学センターの趙宇亮率いるグループ [10-19] は、人造ナノ材料毒性学の研究を世界的に見ても早くから展開し、系統的な研究方法を確立し、とりわけ体内ナノ顆粒の定量測定方法で大きな成果を上げた。異 なるサイズの異なる表面におけるナノ材料の毒性学的効果と共通法則を系統的に研究し、ナノ顆粒の生物学的障壁の突破能力を明らかにし、ナノ毒性学の現象を腫瘍治療に逆利用する新たな構想を提出した。一 連の研究成果は世界的に有名な学術誌に立て続けに発表され、毒性学・薬理学界で最も注目された論文25本に9年連続で選ばれ、ナノ材料の健康に対する影響の分野で国際的な影響力を形成した。

 応用技術の分野でも、中国のナノテクノロジー分野の発明特許出願数は急増し、世界第2に躍進している。一部の成果はすでに産業化が進められており、社会的・経済的にも良好な効果を生んでいる。代 表的な成果としては次の幾つかが挙げられる。中国科学院化学研究所の宋延林研究グループ [20-23] は、親水性/疎水性と親油性/疎油性を備えたナノ材料による緑色印刷製版技術を発明し、直接製版印刷を実現させ、印刷製版産業の環境汚染問題を根本から解決し、生産コストを下げ、印刷産業の緑色化・デ ジタル化に大きく貢献した。範守善グループ [24-28] の率いた富士康ナノテクノロジーセンターの研究では、カーボンナノチューブタッチディスプレイ携帯電話の製造に利用可能な超配向性透明カーボンナノチューブ導電フィルムが開発された。2012年には、カ ーボンナノチューブタッチディスプレイの産業化が世界で初めて実現され、現在では複数のシリーズを備えたブランドを形成し、産業分野で重要な影響を及ぼすようになり、製品は国内外で販売されている。中 国科学院福建物質構造研究所の洪茂椿グループ [29-33] は、ナノ触媒技術を通じて、石油の代わりに石炭を利用したエチレングリコールの生産における難題を克服し、中国における石油・エチレン・エチレングリコールの供給不足という現状の緩和を可能とした。石 炭を原料としナノ触媒を応用した1万トン級のエチレングリコール生産装置がすでに建設され、関連産品のさらに大規模な生産ラインも続々と建設されている。

 中国マイクロエレクトロニクス加工技術はここ数年で質的な飛躍を実現した。中国人の学者は、抵抗変化型メモリ(RRAM)/相変化メモリ(PCRAM)/ナノ結晶メモリ部品を開発し、中 国のメモリ分野の核心競争力を効果的に高めた。45nmに続き、22nmのICチップの生産もすでに開始され、中国半導体産業の発展が促進されている。

 中国人学者はこのほか、蛍光ポリマーナノ膜センサー技術を編み出し、蛍光ポリマーナノ膜微量爆発物検出器の開発を実現した。この検出器では、トリニトロトルエン(TNT)やトリメチレントリニトロアミン( RDX)、オクトーゲン(HMX)、硝酸アンモニウム、火薬などのよく見られる重要な爆薬を検出できる。検出限界は0.1ppt(1ppt=10–15g/mL)に達し、分析時間は6.5秒、誤報率は1%未 満を実現し、すでに市場化の認可を受け、産業化を実現している。製品は、北京五輪大会や上海万博などの会場で使用された。

その2へつづく)

参考文献

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2  Roco M C. The long view of nanotechnology development: The national nanotechnology initiative at 10 years. J Nanopart Res, 2011, 13: 427–445

3  The State Council of the People's Republic of China. National Outline for Medium and Long Term S&T Development (2006–2020)(inChinese), 2006 [中華人民共和国国務院(2006)「 国家中長期科学和技発展規劃綱要(2006~2020年)」]

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※本稿は閻金定「中国納米科学技術発展現状及戦略思考」(『科学通報』, 第60巻, 2015年)を『科学通報』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技 術有限公司


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