纳米科学与工程专业介绍

一级学科简介

（一）学科概况

纳米科学与工程是20世纪80年代迅速发展起来的新兴交叉学科，是研究纳米尺度下物质的结构、组成、性质及工程化应用的学科，涉及多个一级学科（物理、化学、力学、生物、材料、信息、医学等），具有突出的多学科交叉融合特征。纳米科学与工程汇聚了现代多学科领域在纳米尺度的焦点科学问题。纳米科学的快速发展得益于不同学科在纳米尺度的创新突破和融合发展。

2021年，Elsevier《纳米科技产出与影响力报告》指出：2000-2019年，全球在材料科学、化学、化学工程、物理与天文学四个基础学科中与纳米科学与工程相关的研究成果占比超过10%；在960个研究热点中，与纳米科学与工程相关的占89%。

近二十年来，纳米科学与工程从纳米结构制造（2000）、纳米系统集成（2010），逐步迈入规模化纳米产业应用（2020），形成了“科学-技术-工程”一体化的学科发展模式，已经成为未来国际科技前沿和产业核心技术竞争的关键领域。基于纳米科学与工程的学科交叉属性，建立交叉学科专业人才培养体系，将为我国实现高质量发展提供有力支撑。

作为一门新兴交叉学科，纳米科学与工程学科正在向规范化、系统化发展。2021年QS世界大学排名前200的高校中，有70所高校开设了纳米科学和纳米工程研究生项目。我国目前已有14所高校设立“纳米材料与技术”本科专业；有26所高校以二级学科形式布局了纳米科学与工程研究生人才培养，初步建立了该学科的人才培养体系。在2009-2018年，国内涉及纳米科学与工程领域研究的硕士、博士学位论文分别占各自论文总数的2.44%（71817篇）和7.67%（24315篇）。

在产业应用方面，纳米科学与工程正成为信息技术、人工智能、新能源、新材料、健康医学、高端仪器、先进制造及国防工程等的重要支撑。例如，巨磁阻效应的发现带来了磁盘“大容量、小型化”革命；脂质体纳米载体作为核心技术之一应用于新冠疫苗，为公共卫生与健康作出重大贡献；2023年诺贝尔化学奖授予发现并合成半导体纳米晶体的三位科学家，应用半导体纳米晶体的量子点显示技术，可以显著提升显示屏的色域值，使色彩更为纯净鲜艳，表现更具张力。作为新兴的前沿交叉科技领域，纳米科学与工程是全球关注的焦点，是提升国家未来核心竞争力的重要手段之一，也是新经济增长点的支撑技术之一，正在对社会未来的发展产生重要影响。美、英、德、法、日等发达国家都把发展纳米科技作为重要的国策，希望通过纳米科学与工程学科的发展整合其基础研究、应用研究和产业化开发，引领新一轮世界科技革命和产业变革。

（二）学科内涵

纳米科学与工程以纳米尺度的低维物质作为主要研究对象，通过对原子、分子及其聚集体各种相互作用的认识、设计与操控，发展纳米材料、纳米结构以及纳米器件的制备和加工方法，探索纳米世界的新现象和新规律，为引领纳米技术革命提供理论基础和技术支撑。

纳米科学紧密围绕世界纳米技术前沿，以国家重大应用需求为导向，以经典力学、热力学、量子力学为理论基础，其核心是纳米效应及其在物理、化学、生物等系统中的传递、保持、放大和协同规律，具体包括纳米表界面效应和相关性质，纳米结构中的电子限域效应和相关的光、电、热、磁效应，纳米结构相互作用的调控及演化规律。

纳米科学与工程的主要概念包括：纳米效应（纳米尺寸效应、纳米表界面效应、纳米尺度多场耦合效应、电子限域效应、纳米光学效应、纳米生物学效应、纳米热传输等）；纳米制造（纳米合成与组装、纳米材料工程、微纳加工制造、纳米器件与系统等）。纳米效应及其与物质、生命、信息系统相互作用规律是本学科的特色理论体系；跨尺度纳米制造、集成与工程应用是本学科的特色工程技术体系。

纳米科学与工程的研究方法包括理论、实验、测量与装备、和计算模拟。理论是纳米科学研究与纳米工程应用的基础；实验是获得纳米结构、研究结构与其它系统相互作用和规模制造过程的基本方法；测量与装备是获取纳米结构、物性和关键工艺参数等定性/定量信息的基本手段；计算模拟是从理论计算角度解析纳米效应和纳米制造过程，达到预测、模拟、验证测量结果等目的的支撑平台。

（三）学科范围

根据研究对象和内容，纳米科学与工程可以分为纳米材料与化学、纳米生物医学、纳米物理与器件、纳米加工制造技术、纳米能源与环境技术、纳米表征与标准等二级学科。

1.纳米材料与化学：研究纳米结构形成机理与规律，发展精准合成和反应控制等相关化学方法，揭示纳米材料制备和结构调控中的基础原理与关键科学问题，制备原子、分子尺度可控结构的功能纳米材料。

2.纳米生物医学：在纳米尺度理解生命过程及其调控机制，研究纳米毒理学，揭示纳米结构与生物体相互作用规律，发展基于纳米技术为特征的新型检测和分析方法；发展高性能纳米药物、发展新型诊疗策略和技术，开展纳米生物技术在基础生物学、疾病诊断和治疗等领域中的应用研究。

3.纳米物理与器件：以量子力学和固体物理为理论基础，研究纳米效应产生的物理机制，发展物理性质调控方法；研究纳米电子学与光、电、磁、热器件的工作原理及调控手段，发展电子、光电、光热、热电、磁学和生物、化学传感等纳米器件。

4.纳米加工制造技术：研究纳米结构与元器件的基础材料、加工原理与技术、制造方法，以及由这些结构和元件构成的部件、系统及微纳机器人的设计、加工、组装、系统集成与应用等技术，开展大数据与人工智能在纳米制造中的应用研究。

5.纳米能源与环境技术：研究纳米材料在能量转换与环境保护中的关键科学问题与关键技术和应用，发展高效清洁能源技术与环境治理新方法，开展纳米材料在工业催化、清洁能源和环境科学与工程、和纳米农业技术中的应用研究。

6.纳米表征与标准：研究纳米尺度材料与器件的测量、表征、标准与评价方法，揭示纳米材料与器件结构和性能演变规律，开展大数据与人工智能在高通量纳米表征技术中的应用研究，发展纳米结构表征新技术与评价新方法。

（四）培养目标

1.硕士学位：根据所学专业方向，掌握较为宽广的化学、物理、生物、医药、电子、材料、信息、工程等跨学科特定方向的基础知识、理论、研究方法；掌握纳米科学、技术、工程的基本理论、主要概念、研究方法、操作技能和产业技术路线；了解其现状和发展趋势。认识本学科及其与经济、创业、法律和政策的相互作用与影响；具有良好的科学素养和从事科学研究的能力，在相关领域具有一定的国际视野和较强的创新精神和应用意识。

2.博士学位：根据所学专业方向，掌握坚实、宽广的化学、物理、生物、医药、电子、材料、信息、工程等跨学科的基础知识、理论、研究方法；掌握纳米科学、技术、工程的基本理论、主要概念、研究方法、操作技能和产业技术路线；了解其现状和发展趋势。认识本学科及其与经济、创业、法律和政策的相互作用与影响；具有良好的科学素养和独立开展科学研究的能力，并在所从事的研究领域内取得创新性成果；具备解决复杂工程问题的创新创业能力；具有国际视野，具有在跨文化背景下进行沟通、交流、竞争与合作的能力；具备适应交叉学科领域研究的能力和强烈的创新精神。

（五）相关学科

数学、物理学、化学、力学、机械工程、光学工程、仪器科学与技术、材料科学与工程、动力工程及工程热物理、电子科学与技术、信息与通信工程、化学工程与技术、船舶与海洋工程、航空宇航科学与技术、环境科学与工程、生物医学工程、能源动力、药学等。

硕士学位基本要求

（一）获本一级学科硕士学位应掌握的基本知识

硕士生应通过在本学科相关领域的课程学习和科学研究，具有坚实的理论基础，又具有较宽的知识面，较系统地掌握本学科相关领域的专门知识、技术和方法，能够解决科学研究或实际工

作中的具体问题。比较熟练地掌握一门外国语，能够进行外文文献阅读和写作。具有从事本学科相关领域的科学研究、教学、工程、技术及管理等方面的工作能力。

根据纳米科学与工程各二级学科的研究范围，建议各二级学科的硕士生掌握如下专业知识和实验技能:

1.纳米材料与化学:固体表面物理化学、材料化学、纳米结构的合成及应用、胶体与界面化学、纳米材料结构与物性、材料模拟与设计、纳米材料宏量制备方法、纳米研究实验安全等。

2.纳米生物医学:分子细胞生物学、纳米毒理学、纳米生物界面、纳米生物检测与成像技术、微流控与纳流控、生物材料、纳米生物医学工程、纳米药物设计与应用等。

3.纳米物理与器件:固体物理基础、半导体物理与器件基础、纳米电子与光电器件、纳米光子学、光化学与光物理、表面与界面、纳米热传输、纳米传感器技术等。

4.纳米加工制造技术:微纳加工与制造基础、纳米力学、纳米复合材料、微纳机械系统、纳米结构先进制造与应用、集成电路与芯片技术、超大规模集成电路制造等。

5.纳米能源与环境技术:电化学、固体化学、纳米催化、新能源纳米技术、环境纳米材料纳米技术与环境、农业纳米技术等。

6.纳米表征与标准:微束物理测量与方法、纳米表征技术原理与方法、扫描探针技术、先进电子显微学概论、同步辐射表征技术概论、人工智能技术与大数据、深度学习算法导论、纳米材料与结构高通量表征与评价等。

(二)获本一级学科硕士学位应具备的基本素质

1.学术素养

科学精神:硕士生应具备热爱科学的精神，崇尚科学，对纳米科学与工程怀有浓厚的兴趣。

学科知识和专业技能:硕士生应深刻理解与掌握纳米科学与工程的知识结构和实验方法具备从事相关研究的能力。具备广泛的学科视野，包括物理学、化学、材料科学等多学科知识以便多角度分析和解决纳米科学问题。

多学科能力:硕士生应具备多学科的视野，能够在交叉学科领域中工作，与其他学科的研究人员合作，解决相关领域的问题。

研究工具和技能:硕士生需要掌握现代科研工具和技能，包括使用计算机等现代科研手段快速获取科研信息，以及进行实验和分析的技能。

学术交流:硕士生应具备使用英语进行学术交流的能力，以便与国际同行合作和分享研究成果。

团队合作:硕士生应具备科研团队合作精神，能够与其他研究人员协作，共同解决复杂问题。

知识产权和研究伦理:硕士生需要掌握与本学科相关的知识产权和研究伦理等方面的基本知识，以保持研究的合法性和道德性。

使命感和社会责任感:硕士生应具有献身科学、服务社会和人民的使命感、社会责任感与事业心，意识到研究对社会和人民的积极影响。

2.学术道德

遵守法律法规:硕士生应严格遵守国家法律、法规以及相关规章制度，以确保科研活动的合法性和诚信性。

恪守学术诚信:硕士生应恪守学术道德、学术伦理和学术规范，确保其研究活动的诚实和正直。他们不应当参与或容忍任何形式的学术不端行为，如数据造假、剽窃他人成果或有意提供误导性信息。

尊重知识产权:硕士生应自觉维护知识产权，充分尊重他人的学术贡献和研究成果，不得以任何方式漠视、淡化、曲解乃至剽窃他人成果。合理引用和承认他人的工作是学术道德的基本要求。

保持严谨科研作风:在科学研究过程中，硕士生应具备严谨的科学作风，不弄虚作假，确保实验数据的真实性和推论的逻辑严密性。他们应当以“严肃、认真、诚实、守信”的精神进行科研活动，以维护学术事业的神圣性、纯洁性和严肃性。

尊重生命伦理:硕士生应尊重生命伦理原则，确保其研究活动在伦理框架内进行，尤其在与生物相关的研究中需要格外小心和负有责任感。

(三)获本一级学科硕士学位应具备的基本学术能力

1.获取知识的能力

学科前沿动态:硕士生应能把握纳米科学与工程学科相关领域的学术研究前沿动态，包括最新的研究成果和趋势。能通过定期阅读重要学术期刊、参加学术会议、关注网络信息等途径，不断更新自己的知识。

专业知识和研究方法:硕士生应具备获取专业知识和掌握先进研究方法的能力，包括通过课程学习、自主研究、实验实践等方式积累深刻的专业知识，并能够应用各种研究方法解决问题。

多学科视野:硕士生应具备对物理学、化学、材料科学、生命科学等多学科的了解，以便在跨学科研究中有广泛的知识面和多角度分析问题的能力。

文献检索和分析:硕士生需要掌握文献检索技能，能够高效、高质量地对科技文献进行分析和综述，会利用网络信息和重要的科技文献数据库，及时了解相关领域的最新研究成果。口外语能力:硕士生至少应学习一门外语，能够阅读本专业的文献资料，运用外语撰写学术论文，以及具备国际学术交流的能力。

2.科学研究能力

硕士生应具备一定的独立思考和创新能力，能够在纳米科学与工程领域发现并提出有价值的研究问题，深入了解前沿科研进展，理解领域内的挑战和机遇。

本学科硕士生应具有较为独立的科学研究能力，能够设计合理的研究方案，包括实验设计数据采集和分析，理论模型的构建等。在研究过程中，应具备解决问题、克服困难的能力，以推动科学知识的进一步扩展。这些能力包括:发现问题的能力;基本的实验动手能力;设计并开展重复对照实验能力;实验数据处理及结果分析能力等。

科学研究能力是硕士生最终学术培养目标之一。硕士生教育就是以培养研究生的研究能力为主要目标的教育。研究能力的本质实际是发现和提出问题、分析和解决问题的能力，是一种可迁移的、更高层次的自我提高和发展的能力。

硕士生的研究能力必须通过系统、全面的研究训练才能得到培养。包括如何发现和提出问题、如何收集和分析资料、如何进行文献综述、如何撰写学术和学位论文等。通过专业课和研讨班等课程学习在一定程度上也是培养硕士生科研能力不可或缺的手段。

3.实践能力

纳米科学与工程涵盖多个交叉学科，包括物理学、化学、生物学等。硕士生应具备一定的工程实践的能力，能够将研究成果应用于实际工程问题的解决，例如纳米材料的应用、纳米器件的制造等。应能理解工程原理并具备参与工程实践的能力。在复杂的研究项目中，能与导师和同事有效沟通，确保研究项目按计划进行，同时能够参与解决团队内部和外部的合作问题。

4.学术交流能力

硕士生应具备一定的学术交流能力，包括书面交流和口头交流。能够清晰地表达学术思想，准确传达研究成果，能与同行进行有效的学术交流,包括问题的提出、研究方法的描述、实验结果的呈现和结论的阐释。能够撰写学术论文、报告和研究计划，有效地与他人分享和传播其研究工作。能在国内学术会议上进行口头报告、提交学术论文，以及在实验室组会、学术报告会等场合分享研究成果，能够以专业和有说服力的方式呈现其研究工作。

硕士生需要具备阅读英语或其他外语的能力，能阅读相关领域的外文资料，了解国际学术前沿动态。

5.其他能力

除了上述四个方面外，本学科硕士生还应当德智体美劳全面发展，具备良好的团队合作能力和一定的教学或科研管理方面的职业发展能力。

(四)学位论文基本要求

1.规范性要求

硕士学位论文应是硕士生在导师的指导下独立完成的学术研究工作的总结。论文必须展示出硕士生的学术成果，体现一定独立从事科学研究的能力。

硕士学位论文一般使用中文撰写，需要表达准确、条理清晰、文字通顺。格式应符合学位授予单位的规范，包括题目、中英文摘要、关键词、前言或绪论、文献综述、正文部分、结论、参考文献等部分。论文的研究内容应在纳米科学与工程领域具有前沿性和学术或应用意义，要求包括对问题的独立研究和创新成果的详细描述，需要强调研究成果对领域的贡献。硕士学位论文中的数据应该是准确和可靠的，图表需要符合相关学科的规范，包括格式和图表题目与说明。论文的结论部分应对研究的主要发现和成果进行深入的分析和讨论，突出研究成果在纳米科学与工程领域的科学意义。在论文中应列出引用的文献，并符合相关的引用规范，以便读者查证和进一步阅读。

2.质量要求

对于本学科硕士生学位论文，不强制要求硕士生在学期间取得量化的创新成果，但要求通过考察学位论文是否让研究生受到全面系统的研究训练，是否具备研究能力和实践能力来考察论文质量。硕士学位论文选题须有一定的新颖性，在理论、方法、技术等某一方面有新的见解或解决方案，其中工程硕士学位论文选题特别强调研究工作与实际问题的紧密联系。鼓励本学科硕士生在取得硕士学位前将论文工作中取得的研究发现，以学术论文、专利、软件著作权、著作等多种形式呈现学术创新成果。