近日，由美国西北大学Chad A. Mirkin教授领衔，集结全球百余位纳米领域顶尖科学家联合撰写的33 Unresolved Questions in Nanoscience and Nanotechnology在ACS Nano正式发表。

这篇文章不仅是对纳米科技过去几十年发展的总结，更是面向未来的“科学行动纲领”，系统梳理了当前纳米领域最核心、最前沿的开放性问题，涵盖从基础理论、工具技术到实际应用乃至社会伦理的方方面面。与以往一些科普性介绍不同，本文极强的科学深度和系统性分类，使其成为研究人员、产业界和政策制定者不可多得的参考指南。我们将按照原文编号，逐一解读这33个问题，带你深入纳米世界的前沿未知世界。

 

一、基础科学问题

    （Foundational Understanding） 

 

1. 何时需要在纳米结构合成中实现原子与分子级精度？

在纳米科学中，许多关键性能依赖于严格的结构—性质关系，因此原子级的控制是实现可预测功能的前提。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簇的方法。尽管如此，这些方法往往局限于特定体系，缺乏普适性。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。只有这样，才能真正实现从原子精度到器件性能的可控转化

2. 如何在极端环境下维持纳米材料的稳定性与功能？

许多应用场景，如航空航天、深海探测和核能利用，都要求材料在高温、高压和强辐射环境下保持稳定。纳米材料由于表面能高、尺寸小，更容易发生结构重组或降解。当前研究主要通过表面修饰和包覆层来提升其抗性，但仍无法满足长期服役需求。未来的发展需要引入原位表征手段，实时揭示退化机制，并以此为基础设计具有自适应或抗损伤能力的纳米结构。

3. 如何以分子精度设计纳米药物以优化疗效？

纳米药物的性能高度依赖于粒径、形貌、表面化学和组装方式，这些因素共同决定其体内分布和代谢路径。尽管已有多种纳米药物获批，但普遍面临疗效不稳定和个体差异大的问题。实现分子级别的精确设计，可以显著提高药物的靶向性和安全性。未来需要借助高通量筛选、AI驱动的分子设计以及先进的表征工具，推动这一目标的实现。这样，纳米药物才能真正实现“精准医学”的承诺。

4. 自然界的结构—功能关系如何指导人工纳米材料设计？

自然界展现了丰富的层次结构与优异的功能，例如光合作用系统或骨骼的力学特性。仿生学启示我们通过模仿这些多层次、动态化的结构来获得独特的性能。当前，部分仿生纳米结构已能实现自组装、可逆响应等特征，但离自然体系的复杂度仍有差距。关键挑战在于如何同时实现多尺度的调控和功能整合。未来的突破可能来自跨学科合作，将生物学原理与先进合成技术结合。

5. 如何在纳米尺度上精确调控电荷的生成、分离与传输？

电子和空穴在纳米结构中的行为不同于宏观体系，其寿命和迁移效率直接影响能量转化效率。近年来，异质结构的设计和界面工程已显著改善了电荷分离，但仍存在复合快、效率低的问题。要实现真正的突破，需要结合超快光谱与先进计算，捕捉瞬态动力学过程。未来，若能实现对电荷行为的精确操控，将为光电、催化等领域带来革命性提升。

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？

纳米材料往往在小规模合成中表现优异，但放大生产时会面临产率低、组装困难和稳定性差的问题。器件级应用还需要解决纳米与宏观界面的匹配，以确保性能不丢失。目前已有通过模板组装、喷涂、自组装等方法实现局部突破。未来研究应开发兼顾成本、稳定性和可控性的规模化工艺，使纳米特性能够在大规模应用中得到充分保留。

7. 如何跨尺度整合纳米元件实现分级功能？

自然界的复杂系统往往通过分级组织实现宏观功能，如肌肉纤维的收缩或神经网络的信号传递。人工体系要实现类似功能，需要在纳米、微米和宏观层面建立无缝衔接。当前的挑战是如何将自下而上的自组装与自上而下的精密制造结合。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. 如何实现纳米设备与人体的无缝结合？

植入式或可穿戴的纳米设备有望实现实时健康监测和疾病治疗，但生物相容性和免疫排斥仍是主要障碍。柔软材料和可降解纳米结构被广泛探索，以减少组织损伤和长期副作用。供能问题也是一大挑战，如何实现自供能或体内能量收集仍需突破。未来的研究需要同时考虑材料科学、免疫学与工程学，以推动这一领域的实用化。

9. 如何跨尺度实现纳米材料的建模？

纳米体系的复杂性意味着单一建模手段难以涵盖从原子到器件的全尺度行为。量子力学模型能捕捉微观细节，但计算成本极高；粗粒化模型则缺乏精确性。当前的趋势是发展多尺度耦合方法，并引入机器学习以提升效率。未来若能实现跨尺度的统一建模，将极大加速材料的发现和优化。

10. 如何控制纳米结构的耐久性，并赋予其自修复功能？

纳米材料在应用中会反复遭受应力、光照或化学腐蚀，导致性能逐渐衰退。提高稳定性的方法包括表面钝化、结构优化和添加保护层。与此同时，借鉴生物体系的自愈合机制，为纳米结构引入自修复能力，成为一个前沿方向。目前已有自修复聚合物和催化剂的尝试，但仍远未成熟。未来若能实现这一能力，将显著延长器件寿命并降低成本。

11. 纳米药物的代谢受哪些因素影响？

纳米药物在体内的分布和清除途径高度依赖于粒径、形貌、表面修饰以及与蛋白质的相互作用。不同的设计可能导致药物滞留过久或过快排泄，影响疗效与安全性。现有药代动力学模型尚不足以全面预测这些复杂过程。未来需要结合先进成像技术和体内追踪方法，构建更精确的预测体系。只有深入理解代谢机制，才能设计出既高效又安全的纳米药物。

 

 

二、工具与技术

    （Tools and Techniques）

 

12. 如何在原料、反应与制造过程中实现纳米合成的可持续？

纳米合成往往涉及高能耗、强腐蚀或有毒的试剂，因此对环境和健康存在潜在风险。可持续的设计需要从源头开始，选用可再生原料、绿色溶剂和高效催化体系。近年来，基于生物质的材料（如纤维素、木质素等）展现了在药物递送和能源转换中的应用潜力。与此同时，传统的DNA合成路线因使用有毒溶剂而饱受诟病，催生了如酶促合成等替代方案。未来研究必须建立统一的可持续评估体系，并利用AI建模加快绿色路线的开发

13. 如何在动态环境下原位研究单个纳米材料？

传统的表征方法通常依赖平均效应，难以捕捉单颗粒的异质性和动态行为。随着高时空分辨显微镜和光谱技术的发展，研究者已经可以实时追踪单个纳米颗粒的催化、发光或运动过程。然而，这些实验常受限于设备昂贵、数据量庞大以及分析算法不足。未来需要结合人工智能，实现对复杂原位数据的自动解读与预测。这样才能真正揭示单颗粒在真实条件下的结构—功能关系。

14. 如何利用纳米技术构建仿生组织与器官？

纳米材料可提供细胞外基质的物理和化学线索，为细胞增殖和分化提供合适环境。例如，纳米纤维支架已在组织再生领域显示出良好效果。尽管如此，要实现复杂器官（如带有血管系统的肝脏或心脏）的功能化仍存在巨大挑战。当前的研究重点在于多材料复合和三维打印技术，以实现更接近生理环境的仿生结构。未来跨学科合作可能使“纳米器官”成为再生医学的现实。

15. 人工智能如何通过反向设计加速纳米材料发现？

传统的材料发现依赖试错式实验，效率低下。AI的反向设计可以从目标性能出发，倒推最优结构与合成路线。这一策略在催化剂、药物载体等领域已展现出潜力，但面临数据质量不足和模型泛化能力有限的问题。未来的发展方向是构建高质量的公共数据库，并结合实验验证实现闭环优化。若能成功，AI将成为推动纳米材料快速迭代的重要驱动力。

16. AI与机器人如何推动纳米实验自动化？

实验自动化不仅可以减少人为误差，还能极大提高实验效率。近年来，智能实验室已能实现机器人合成、自动分析和实时优化。难点在于如何实现跨平台的标准化数据接口，使AI算法能够无缝对接不同实验环节。同时，实验数据的安全与可追溯性也是关键考量。随着软硬件的进一步融合，未来有望实现“无人实验室”，推动纳米科学进入全自动化探索阶段。

17. 如何提高纳米药物在人类中的早期效力预测？

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。尽管这些平台取得了初步进展，但其标准化和可扩展性仍有限。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。未来的突破将使药物筛选更高效，并减少临床试验中的风险。

18. 如何在纳米研究中推动分析与数据标准化？

不同实验室的数据差异性和缺乏统一标准严重阻碍了结果的比较与应用。近年来，已经出现一些集中数据库和共享平台，用于收集纳米材料的结构与性能信息。标准化不仅能提高学术研究的可重复性，还能加速监管审批与产业转化。美国NIST开发的统一测试材料就是一个成功案例，曾加速疫苗纳米颗粒的研发。未来应进一步拓展标准体系，涵盖更多类型的纳米材料与应用场景。

 

 

三、影响力应用

    （Impactful Applications）