納米技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

1、納米技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)一、納米的基本知識(shí) 1 .納米的概念 納米”是英文nanometer的譯名，是一種度量單位，1納米為百萬(wàn)分之一毫米，即1毫微米，也就是十億分之一米，約相當(dāng)于45個(gè)原子串起來(lái)那么長(zhǎng)。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。 納米研究的范圍是1到100納米，01納米是單個(gè)氫原子的尺寸，因此所謂01納米層面的“納米技術(shù)”是不存在的。 2納米科技概念的提出與發(fā)展最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題的是著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德費(fèi)恩曼。納米科技的迅速發(fā)展是在80年代末、90年代初。80年代初發(fā)明了費(fèi)恩曼所期望的納米科技研究的重要儀器掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AF

2、M)等微觀表征和操縱技術(shù)，它們對(duì)納米科技的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。與此同時(shí)，納米尺度上的多學(xué)科交叉展現(xiàn)了巨大的生命力，迅速形成為一個(gè)有廣泛學(xué)科內(nèi)容和潛在應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。 二、納米科技的研究領(lǐng)域 1納米材料 納米材料是納米科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)。納米材料是指材料的幾何尺寸達(dá)到納米級(jí)尺度，并且具有特殊性能的材料。其主要類型為：納米顆粒與粉體、納米碳管和一維納米材料、納米薄膜、納米塊材。納米材料結(jié)構(gòu)的特殊性如大的比表面以及一系列新的效應(yīng)(小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)和量子隧道效應(yīng))決定了納米材料出現(xiàn)許多不同于傳統(tǒng)材料的獨(dú)特性能，進(jìn)一步優(yōu)化了材料的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)性能。對(duì)于納米材料的研究包括兩個(gè)方

3、面：一是系統(tǒng)地研究納米材料的性能、微結(jié)構(gòu)和譜學(xué)特征，通過(guò)和常規(guī)材料對(duì)比，找出納米材料特殊的規(guī)律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論；二是發(fā)展新型納米材料。目前納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是在大規(guī)模制備的質(zhì)量控制中，如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化 。2 .納米器件納米科技的最終目的是以原子、分子為起點(diǎn)，去制造具有特殊功能的產(chǎn)品。因此，納米器件的研制和應(yīng)用水平是進(jìn)入納米時(shí)代的重要標(biāo)志。如前所述，納米技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要推動(dòng)力來(lái)自于信息產(chǎn)業(yè)。 納米電子學(xué)的目標(biāo)是將集成電路的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小，超越目前發(fā)展中遇到的極限，因而使得功能密度和數(shù)據(jù)通過(guò)量達(dá)到新的水平。在納米尺度下，現(xiàn)有的電子器件把電子視為粒

4、子的前提不復(fù)存在，因而會(huì)出現(xiàn)種種新的現(xiàn)象，產(chǎn)生新的效應(yīng)，如量子效應(yīng)。利用量子效應(yīng)而工作的電子器件稱為量子器件，像共振隧道二級(jí)管、量子阱激光器和量子干涉部件等。與電子器件相比，量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降低1000倍)、高效、高集成度、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn)。為制造具有特定功能的納米產(chǎn)品，其技術(shù)路線可分為“自上而下”(top down)和“自下而上”(bottom up)兩種方式。 “自上而下”是指通過(guò)微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化；而“自下而上，是指以原子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品。這種技術(shù)路線將減少

5、對(duì)原材料的需求，降低環(huán)境污染。 科學(xué)家希望通過(guò)納米生物學(xué)的研究，進(jìn)一步掌握在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理制造生物分子器件，目前，在納米化工、生物傳感器、生物分子計(jì)算機(jī)、納米分子馬達(dá)等方面，科學(xué)家都做了重要的嘗試。3納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與表征為在納米尺度上研究材料和器件的結(jié)構(gòu)及性能，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，發(fā)展新方法，創(chuàng)造新技術(shù)，必須建立納米尺度的檢測(cè)與表征手段。這包括在納米尺度上原位研究各種納米結(jié)構(gòu)的電、力、磁、光學(xué)特性，納米空間的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，物理傳輸過(guò)程，以及研究原子、分子的排列、組裝與奇異物性的關(guān)系。掃描探針顯微鏡(SPM)的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在對(duì)微觀尺度的探索方面進(jìn)入到一個(gè)全新的領(lǐng)域。作為納米科技重要研究手段

6、的SPM也被形象地稱為納米科技的“眼”和“手”。 所謂“眼睛”，即可利用SPM直接觀察原子、分子以及納米粒子的相互作用與特性。所謂“手”，是指SPM可用于移動(dòng)原子、構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)為科學(xué)家提供在納米尺度下研究新現(xiàn)象、提出新理論的微小實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，與納米材料和結(jié)構(gòu)制備過(guò)程相結(jié)合，以及與納米器件性能檢測(cè)相結(jié)合的多種新型納米檢測(cè)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)也受到廣泛重視。如激光鑷子技術(shù)可用于操縱單個(gè)生物大分子。 三、納米科技前景的展望 納米技術(shù)在現(xiàn)代科技和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。比如，在信息技術(shù)領(lǐng)域，據(jù)估計(jì)，再有10年左右的時(shí)間，現(xiàn)在普遍使用的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)技術(shù)將達(dá)到最終極限。為獲得更強(qiáng)大的信息處理能力，

7、人們正在開(kāi)發(fā)DNA計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)，而制造這兩種計(jì)算機(jī)都需要有控制單個(gè)分子和原子的技術(shù)能力。 傳感器是納米技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，造價(jià)更低、功能更強(qiáng)的微型傳感器將廣泛應(yīng)用在社會(huì)生活的各個(gè)方面。比如，將微型傳感器裝在包裝箱內(nèi)，可通過(guò)全球定位系統(tǒng)，可對(duì)貴重物品的運(yùn)輸過(guò)程實(shí)施跟蹤監(jiān)督；將微型傳感器裝在汽車輪胎中，可制造出智能輪胎，這種輪胎會(huì)告訴司機(jī)輪胎何時(shí)需要更換或充氣；還有些可承受惡劣環(huán)境的微型傳感器可放在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能進(jìn)行監(jiān)視。在食品工業(yè)領(lǐng)域，這種微型傳感器可用來(lái)監(jiān)測(cè)食物是否變質(zhì)，比如把它安裝在酒瓶蓋上就可判斷酒的狀況等。1材料和制備 在納米尺度上，通過(guò)精

8、確地控制尺寸和成分來(lái)合成材料單元，制備更輕、更強(qiáng)和可設(shè)計(jì)的材料，同時(shí)具有長(zhǎng)壽命和低維修費(fèi)用的特點(diǎn)；以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料。實(shí)現(xiàn)材料破壞過(guò)程中納米級(jí)損傷的診斷和修復(fù)。在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用 隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來(lái)克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)題，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等優(yōu)點(diǎn)。 用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑

9、料。 2微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù) 可以從閱讀硬盤(pán)上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。 納米結(jié)構(gòu)的微處理器的效率提高1兆倍，并實(shí)現(xiàn)太比特的存儲(chǔ)器(提高1000倍)； 納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高，將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察。最近，麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個(gè)一個(gè)地送入激光器中，每個(gè)原子發(fā)射一個(gè)有用的光子，其效率之

10、高，令人驚訝。 3環(huán)境和能源 環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過(guò)濾，從而消除污染。制備孔徑lnm的納孔材料作為催化劑的載體，納米孔材料和納米膜材料(孔徑l0l00nm)用來(lái)消除水和空氣中的污染；成倍的提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。 4醫(yī)學(xué)與健康 納米技術(shù)將給醫(yī)學(xué)帶來(lái)變革：納米級(jí)粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織，科研人員已經(jīng)成功利用納米微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用等。；在人工器官外面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排斥反

11、應(yīng)；研究耐用的與人體友好的人工組織、器官?gòu)?fù)明和復(fù)聰器件；疾病早期診斷的納米傳感器系統(tǒng)。 研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè)。診斷，并實(shí)施特殊治療。 5生物技術(shù) 雖然分子計(jì)算機(jī)目前只是處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲(chǔ)存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用，它將使單位物質(zhì)的儲(chǔ)存和信息處理能力提

12、高上百萬(wàn)倍。 在納米尺度上按照預(yù)定的對(duì)稱性和排列制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖核酸等，在納米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能，生物仿生化學(xué)藥品和生物可降解材料；動(dòng)植物的基因改善和治療，測(cè)定DNA的基因芯片等。 6航天和航空 納米器件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅是增加有效載荷，更重要的是使耗能指標(biāo)成指數(shù)倍的降低。這方面的研究?jī)?nèi)容還包括：研制低能耗、抗輻照、高性能計(jì)算機(jī)；微型航天器用納米集成的測(cè)試、控制電子設(shè)備；抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料。 采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命 7國(guó)家安全 由于納米技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)

13、的廣泛滲透性，擁有納米技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和廣泛應(yīng)用這些技術(shù)的國(guó)家，將在國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)防安全方面處于有利地位。通過(guò)先進(jìn)的納米電子器件在信息控制方面的應(yīng)用，將使軍隊(duì)在預(yù)警、導(dǎo)彈攔截等領(lǐng)域快速反應(yīng)；通過(guò)納米機(jī)械學(xué)，微小機(jī)器人的應(yīng)用，將提高部隊(duì)的靈活性和增加戰(zhàn)斗的有效性；用納米和微米機(jī)械設(shè)備控制，國(guó)家核防衛(wèi)系統(tǒng)的性能將大幅度提高；通過(guò)納米材料技術(shù)的應(yīng)用，可使武器裝備的耐腐蝕、吸波性和隱蔽性大大提高，可用于艦船、潛艇和戰(zhàn)斗機(jī)等。 四、各國(guó)對(duì)納米技術(shù)的積極應(yīng)對(duì) 因此，發(fā)達(dá)國(guó)家的政府和企業(yè)紛紛投入大量人力、物力和財(cái)力進(jìn)行納米科技的研究和產(chǎn)業(yè)化。 目前，美國(guó)已在納米結(jié)構(gòu)組裝體系、高比表面納米顆粒制備與合成，以及納

14、米生物學(xué)方面處于領(lǐng)先地位，在納米器件、納米儀器、超精度工程、陶瓷和其他結(jié)構(gòu)材料方面略遜于歐共體。 日本在納米器件和復(fù)合納米結(jié)構(gòu)方面有優(yōu)勢(shì)，在分子電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域也有很強(qiáng)的實(shí)力，緊隨德國(guó)之后。德國(guó)在納米材料、納米測(cè)量技術(shù)、超薄膜的研發(fā)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。 美國(guó)于2000年2月宣布啟動(dòng)“國(guó)家納米科技計(jì)劃(NNI)”，在2001年財(cái)政年度撥款4.95億美元以加強(qiáng)研究實(shí)力。政府認(rèn)為納米技術(shù)就像20世紀(jì)50年代的晶體管一樣，其科研和工業(yè)化的應(yīng)用將進(jìn)一步促進(jìn)美國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；為美國(guó)培養(yǎng)新世紀(jì)的技術(shù)人才；增強(qiáng)美國(guó)國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)力的需要；節(jié)約資源能源，保證美國(guó)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展；納米技術(shù)是開(kāi)發(fā)未來(lái)微型武器的技術(shù)基礎(chǔ)，

15、是國(guó)防工業(yè)的未來(lái)。 德國(guó)擬建立或改組六個(gè)政府與企業(yè)聯(lián)合的研發(fā)中心，并啟動(dòng)國(guó)家級(jí)的研究計(jì)劃。法國(guó)最近決定投資8億法郎建立一個(gè)占地8公頃、建筑面積為6萬(wàn)平方米、擁有3500人的微米納米技術(shù)發(fā)明中心，配備最先進(jìn)的儀器設(shè)備和超凈室，并成立微米納米技術(shù)之家，專門(mén)負(fù)責(zé)申請(qǐng)專利和幫助研究人員建立創(chuàng)新企業(yè)。 日本除繼續(xù)推動(dòng)早已開(kāi)始的納米科技計(jì)劃外，每年投資2億美元推動(dòng)新的國(guó)家計(jì)劃和新的研究中心建設(shè)。五、納米的奇異特性 表面效應(yīng) 球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說(shuō)明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加，假

16、如原子間距為3X10-4微米，表面原子僅占一層，粗略地估算表面原子所占的百分?jǐn)?shù)見(jiàn)下表。 超微顆粒表面原子百分?jǐn)?shù)與顆粒直徑的關(guān)系 直徑（10-4微米）10 50 100 1000 質(zhì)子總數(shù)30 4103 3104 3106 表面質(zhì)子百分?jǐn)?shù)100 4020 2 由上表可見(jiàn)，對(duì)直徑大于 0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于 0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長(zhǎng)，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100米2，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對(duì)金超微顆粒（直徑為 210-3微米）進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒(méi)有固定的形態(tài)，隨著時(shí)

17、間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體多李晶等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了沸騰狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 小尺寸效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。 （1） 特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色

18、。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見(jiàn)，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。 （2） 特殊的熱學(xué)性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064C，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327C左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670C，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100。因此，超

19、細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。日本川崎制鐵公司采用011微米的銅、鎳超微顆粒制成導(dǎo)電漿料可代替鈀與銀等貴金屬。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.10.5重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到12001300，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。 （3） 特殊的磁學(xué)性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁

20、性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤(pán)，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。通過(guò)電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為 210-2微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到 210-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 610-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤(pán)、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。 （4）特殊的力學(xué)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情

21、況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。 宏觀量子隧道效應(yīng) 各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學(xué)已用能級(jí)的概念進(jìn)

22、行了合理的解釋，由無(wú)數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。 電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、

23、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無(wú)法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。 六、納米材料應(yīng)用熱點(diǎn)評(píng)述 納米技術(shù)涉及的范圍很廣，納米材料只是其中的一部分，但它卻是納米技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。如超細(xì)薄膜的厚度通常只有1納米5納米，甚至?xí)龀?個(gè)分

24、子或1個(gè)原子的厚度。超細(xì)薄膜可以是有機(jī)物也可以是無(wú)機(jī)物，具有廣泛的用途。如沉淀在半導(dǎo)體上的納米單層，可用來(lái)制造太陽(yáng)能電池，對(duì)開(kāi)發(fā)新型清潔能源有重要意義；將幾層薄膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多層薄膜，是制造高密度磁盤(pán)的基本材料。碳納米管是由碳60分子經(jīng)加工形成的一種直徑只有幾納米的微型管，是納米材料研究的重點(diǎn)之一。 與其它材料相比，碳納米管具有特殊的機(jī)械、電子和化學(xué)性能，可制成具有導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體特性的高強(qiáng)度纖維，在傳感器、鋰離子電池、場(chǎng)發(fā)射顯示、增強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，因而受到工業(yè)界的普遍重視。目前，碳納米管雖仍處于研究階段，但許多研究成果已顯示出良好的應(yīng)用前景。陶

25、瓷材料在通常情況下具有堅(jiān)硬、易碎的特點(diǎn)，但由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，有的可大幅度彎曲而不斷裂，表現(xiàn)出金屬般的柔韌性和可加工性。 七、幾種典型的納米材料 在長(zhǎng)期的晶體材料研究中，人們視具有完整空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)體為晶體，是晶體材料的主體；而把空間點(diǎn)陣中的空位、替位原子、間隙原子、相界、位錯(cuò)和晶界看作晶體材料中的缺陷。 如果從逆方向思考問(wèn)題，把“缺陷”作為主體，研制出一種晶界占有相當(dāng)大體積比的材料，那么世界將會(huì)是怎樣?格蘭特教授經(jīng)過(guò)4年的不懈努力，他領(lǐng)導(dǎo)的研究組終于在1984年研制成功了黑色金屬粉末。實(shí)驗(yàn)表明，任何金屬顆粒，當(dāng)其尺寸在納米量級(jí)時(shí)都呈黑色。納米固體材料(nan

26、ometer sized materials)就這樣誕生了。 效應(yīng)顏料 這是納米材料最重要最有前途的用途之一，特別是在汽車的涂裝業(yè)中，因?yàn)榧{米材料具有隨角變統(tǒng)汽車面漆大增光輝，深受配受專家的喜愛(ài)。 防護(hù)材料 由于某些納米材料透明性好和具有優(yōu)異的紫外線屏蔽作用。在產(chǎn)品和材料中添加少量(一般不超過(guò)含量的2%)的納米材料，就會(huì)大大減弱紫外線對(duì)這些產(chǎn)品和材料的損傷作用，使之更加具有耐久性和透明性。因而被廣泛用于護(hù)膚產(chǎn)品、所裝材料、外用面漆、木器保護(hù)、天然和人造纖維以及農(nóng)用塑料薄膜等方面。 精細(xì)陶瓷材料 使用納米材料可以在低溫、低壓下生產(chǎn)質(zhì)地致密且性能優(yōu)異的陶瓷。因?yàn)檫@些納米粒子非常小，很容易壓實(shí)在一起

27、。此外，這些粒子陶瓷組成的新材料是一種極薄的透明涂料，噴涂在諸如玻璃、塑料、金屬、漆器甚至磨光的大理石上，具有防污、防塵、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有這種陶瓷的塑料眼鏡片既輕又耐磨，還不易破碎。 催化劑 納米粒子表面積大、表面活性中心多，為做催化劑提供了必要的條件。目前用納米粉材如鉑黑、銀、氧化鋁和氧化鐵等直接用于高分子聚合物氧化、還原及合成反應(yīng)的催化劑，可大大提高反應(yīng)效率。利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑，燃燒效率可提高100倍，如用硅載體鎳催化劑對(duì)丙醛的氧化反應(yīng)表明，鎳粒徑在5nm以下，反應(yīng)選擇性發(fā)生急劇變化，醛分解反應(yīng)得到有效控制，生成酒精的轉(zhuǎn)化率急劇增大。 磁性材料 納米粒子屬單

28、磁疇區(qū)結(jié)構(gòu)的粒子，它的磁化過(guò)程完全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行，即使不磁化也是永久性磁體，因此用它可作永久性磁性材料。磁性納料粒具有單磁疇結(jié)構(gòu)及矯頑力很高的特征，用它來(lái)做磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖象質(zhì)量。當(dāng)磁性材料的粒徑小于臨界半徑時(shí)，粒子就變得有順磁性，稱之為超順磁性，這時(shí)磁相互作用弱。利用這種超強(qiáng)磁性可作磁流體，磁流體具有液體的流動(dòng)性和磁體的磁性，它在工業(yè)廢液處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 傳感材料 納米粒子具有高比表面積、高活性、特殊的物理性質(zhì)及超微小性等特征，是適合用作傳感器材料的最有前途的材料。外界環(huán)境的改變會(huì)迅速引起納料粒子表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子運(yùn)輸?shù)淖兓?，利用其電阻的顯著變化可做成傳感器

29、，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性優(yōu)良。 光電材料與光學(xué)材料 納米材料由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能作為非線性光學(xué)材料、特異吸光材料、軍事航空中用的吸波隱身材料，以及包括太陽(yáng)能電池在內(nèi)的儲(chǔ)能及能量轉(zhuǎn)換材料等具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 增強(qiáng)材料 納米結(jié)構(gòu)的合金具有很高的延展性等，在航空航天工業(yè)與汽車工業(yè)中是一類很有應(yīng)用前景的材料；納米硅作為水泥的添加劑可大大提高其強(qiáng)度；納米纖維作硫化橡膠的添加劑可增強(qiáng)橡膠并提高其回彈性，納米管在作纖維增強(qiáng)材料方面也有潛在的應(yīng)用前景。 納米濾膜 采用納米材料發(fā)展出分離僅在分子結(jié)構(gòu)上有微小差別的多組分混合物，實(shí)現(xiàn)高能分離操全的納米濾膜。其它還有將納米材料用作火箭燃料推

30、進(jìn)劑、H2分離膜、顏料穩(wěn)定劑及智能涂料、復(fù)合磁性材料等。納料材料由于具有特異的光、電、磁、熱、聲、力、化學(xué)和生物學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于宇航、國(guó)防工業(yè)、磁記錄設(shè)備、計(jì)算機(jī)工程、環(huán)境保護(hù)、化工、醫(yī)藥、生物工程和核工業(yè)等領(lǐng)域。不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用，也為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)生機(jī)和活力。可以預(yù)言，納米材料制備技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)及應(yīng)用范圍的拓展，必將對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)重大影響。 超雙親性界面物性材料(同時(shí)具有超親水性及超親油性的表面) 研究表明，光的照射可引起TiO2表面在納米區(qū)域形成親水性及親油性兩相共存的二元協(xié)同納米界面結(jié)構(gòu)。這樣在宏觀的TiO2表面將表現(xiàn)出奇妙的超雙親性。利用這種原理制作的新材料

31、，可修飾玻璃表面及建筑材料表面，使之具有自清潔及防霧等效果。這種雙親二元協(xié)同原理，同樣可以用來(lái)指導(dǎo)我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)和創(chuàng)成在其他基材上使用的超雙親性修飾劑。例如，在纖維及衣物上使用修飾劑，將使它們具有超雙親性。可以設(shè)想洗滌衣物可以僅用清水沖洗，不再使用傳統(tǒng)的洗潔劑；同樣也可以應(yīng)用到人造血管和人造人體的形成，并且改善同活體組織的兼容性，來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命。 超雙疏性界面物性材料超雙疏性界面物性材料 利用由下到上、由原子到分子、由分子到聚集體的外延生長(zhǎng)納米化學(xué)方法，可以在特定的表面上建造納米尺寸同何形狀互補(bǔ)的(如凸與凹相間)界面結(jié)構(gòu)。由于在納米尺寸低凹的表面可使吸附氣體分子穩(wěn)定存存，所以在宏觀表面

32、上相當(dāng)于有一層穩(wěn)定的氣體薄膜，使油或水無(wú)法與材料的表面直接接觸，從而使材料的表面呈現(xiàn)超常的雙疏性。這時(shí)水滴或油滴與界面的接觸角趨于最大值。如果在輸油管的管道內(nèi)壁采用帶有防靜電功能的材料建造這種表面修飾涂層，則可實(shí)施石油與管壁的無(wú)接觸運(yùn)輸。這對(duì)于輸油管道的安全運(yùn)行有重要價(jià)值。 納米尺度光陽(yáng)極、光陰極兩相共存的納米尺度光陽(yáng)極、光陰極兩相共存的高效光催化界面材料高效光催化界面材料 借助光化學(xué)和光電化學(xué)的研究思想，利用納米化學(xué)方法，計(jì)劃研制多種具有光化學(xué)活性的納米雜化的界面材料。例如，在TiO2表面的納米區(qū)域內(nèi)可以構(gòu)建光陽(yáng)極與光陰極共存的二元協(xié)同界面結(jié)構(gòu)，在紫外光的照射下具有高效的光催化效果?？梢杂脕?lái)

33、分解有毒氣體(如：甲，苯，氧化氮等)，殺死其表面接觸的細(xì)菌。該材料將在空氣凈化和殺菌抑菌方面有重要的應(yīng)用。 八、在化工領(lǐng)域的應(yīng)用 納米二氧化鈦（TiO2）作為一種新型光催化劑、抗紫外線劑、光電效應(yīng)劑等，以其神奇的功能，將在抗菌防霉、排氣凈化、脫臭、水處理、防污、耐候抗老化、汽車面漆等領(lǐng)域顯示廣闊的應(yīng)用前景。隨著其產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)和功能性應(yīng)用發(fā)展的日趨成熟，它在環(huán)境、信息、材料、能源、醫(yī)療與衛(wèi)生等領(lǐng)域的技術(shù)革命中將起到不可低估的作用。 將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。 納米TiO2抗菌防霉機(jī)理由于TiO2電子結(jié)構(gòu)所具有的特點(diǎn)，使其受光時(shí)生成化學(xué)活潑性很強(qiáng)的超氧化

34、物陰離子自由基和氫氧自由基，攻擊有機(jī)物，達(dá)到降解有機(jī)污染物的作用。當(dāng)遇到細(xì)菌時(shí)，直接攻擊細(xì)菌的細(xì)胞，致使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物降解，以此殺滅細(xì)菌，并使之分解。一般常用的殺菌劑銀、銅等能使細(xì)菌細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌殺死后，尸體釋放出內(nèi)毒素等有害的組分。納米TiO2不僅能影響細(xì)菌繁殖力，而且能破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，達(dá)到徹底降解細(xì)菌，防止內(nèi)毒素引起的二次污染。納米TiO2屬于非溶出型材料，在降解有機(jī)污染物和殺滅細(xì)菌的同時(shí)，自身不分解、不溶出，光催化作用持久，并具有持久的殺菌、降解污染物效果。 將金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中，可以大大降低靜電作用。利用納米微粒構(gòu)成的海綿體狀的輕燒結(jié)體，可用于氣體同位素

35、?；旌舷∮袣怏w及有機(jī)化合物等的分離和濃縮，納米微粒還可用作導(dǎo)電涂料，用作印刷油墨，制作固體潤(rùn)滑劑等納米TiO2應(yīng)用領(lǐng)域在人們的居住環(huán)境中存在著各種有害細(xì)菌，對(duì)人類生活產(chǎn)生不良影響。居室內(nèi)各種建筑裝飾材料，如人造板、木質(zhì)復(fù)合地板、層壓木質(zhì)板家具和膠粘劑等會(huì)揮發(fā)出甲醛、苯、鹵代烴、芳香烴等有毒污染物，危害人體健康。如果在建筑內(nèi)墻涂料、地面覆蓋材料、墻面裝飾材料、家具面漆等材料中添入納米TiO2，既可殺菌防霉，又可降解有機(jī)污染物，使人們生活在衛(wèi)生健康的環(huán)境中。 此外，添加約1納米TiO2的抗菌塑料，可廣泛應(yīng)用于食品包裝、電器、家具、餐具、公共設(shè)施等，以防止病菌的繁殖和交叉感染?？咕w維可制作醫(yī)療用品

36、等，還可生產(chǎn)抑菌除臭的保健紡織品、衛(wèi)生紡織品等，以提供安全有效的保健功能。 TiO2光催化技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，利用自然光、常溫常壓即可催化分解病菌和污染物，具有高活性、無(wú)二次污染、無(wú)刺激性、安全無(wú)毒、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是最具開(kāi)發(fā)前景的綠色環(huán)保催化劑之一。采用納米TiO2光催化劑處理有機(jī)廢水，能有效地將水中的鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、硝基芳烴、多環(huán)芳烴、酚類、染料、農(nóng)藥等進(jìn)行除毒、脫色、礦化，最終降解為二氧化碳和水，目前這方面的研究已取得進(jìn)展，光催化降解污水將成為有效的處理手段。利用金紅石型納米TiO2的紫外線屏蔽優(yōu)異性和高耐候性，以及光催化效應(yīng)來(lái)降解氮氧化物（NOx）、硫氧化物（S

37、Ox）等，還可以有效地治理工業(yè)廢氣、汽車尾氣排放所造成的大氣污染，其原理是將有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，生成水、二氧化碳、鹽等，從而凈化空氣。研究結(jié)果顯示，納米TiO2光催化空氣凈化涂料、陶瓷等材料在消除氮氧化物等方面的應(yīng)用具有良好的前景。 此外，納米TiO2在磁性材料、淺色導(dǎo)電材料、氣體傳感器、濕度傳感器等領(lǐng)域已得到很好的應(yīng)用。隨著應(yīng)用研究的深入，它的應(yīng)用領(lǐng)域必將越來(lái)越廣泛。目前，國(guó)內(nèi)納米TiO2的生產(chǎn)和應(yīng)用尚處于初級(jí)發(fā)展階段。筆者認(rèn)為，這一領(lǐng)域的研究應(yīng)從扎實(shí)的基礎(chǔ)理論研究開(kāi)始，提倡多學(xué)科聯(lián)合，向縱深高層次發(fā)展，使之具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 納米技術(shù)引領(lǐng)納米技術(shù)引領(lǐng)2121世紀(jì)畜牧業(yè)革命

38、世紀(jì)畜牧業(yè)革命 飼料 飼料制造采用納米添加劑，可以提高畜禽腸胃吸收能力、吸收速度和吸收率。如果料肉比正常情況下是3比1，通過(guò)采用納米技術(shù)，料肉比可達(dá)到2比1的話，你可以算算多增效益是多少呢！在納米時(shí)代是可以做到的。 微量元素添加劑 第一代是無(wú)機(jī)，第二代是有機(jī)，第三代是氨基酸螯合物，第四代微量元素會(huì)是納米微量元素嗎？無(wú)機(jī)微量元素的利用率較低，在30左右，納米微量元素的利用率可以達(dá)到多少呢？結(jié)果是肯定的，納米微量元素可以不通過(guò)離子交換，直接滲透，從而大大提高了吸收的速度和利用率。 獸藥 獸藥采用納米技術(shù)后，藥效能夠大幅度提高，從而可以降低使用劑量，可以在不換藥的前提下解決藥物殘留問(wèn)題。由于納米技術(shù)

39、的出現(xiàn)，已禁用的抗生素是否可回來(lái)效勞呢？目前，醫(yī)藥與獸藥中有使用上的交叉耐藥性矛盾。畜禽使用了醫(yī)藥產(chǎn)品之后，產(chǎn)生耐藥性和殘留，導(dǎo)致人體對(duì)藥物的敏感性降低，這些問(wèn)題是否可以通過(guò)納米技術(shù)來(lái)改變呢？醫(yī)藥上已經(jīng)在應(yīng)用納米材料了，如消毒劑藥物藥效提高200倍。醫(yī)藥產(chǎn)品采用納米技術(shù)后，藥效大幅度提高。在美軍猶他州的基地，美國(guó)科學(xué)家?guī)?lái)了一些只有分子那么大納米炸彈，是專門(mén)用來(lái)消滅人體中的敵人，包括一些致命的生物武器的。只要在水中加入適量炸彈，就可以殺死導(dǎo)致流行性感冒和皰疹的臭蟲(chóng)。在展示過(guò)程中，這些微粒的成功率達(dá)到100?？茖W(xué)家還介紹，這些微粒在民用方面同樣高效。 把納米材料添加到傳統(tǒng)畜牧業(yè)產(chǎn)品中，可改進(jìn)或獲

40、得一系列的功能，這種改進(jìn)并不見(jiàn)得昂貴，但卻使產(chǎn)品更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。利用納米技術(shù)將制造出各種各樣具有特異功能的新材料，將會(huì)引起畜牧行業(yè)的重大變革。 納米電子學(xué)納米電子學(xué) 包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光/電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。如現(xiàn)有的硅和砷化鎵器件的響應(yīng)速度最高只能達(dá)到1012秒，功耗最低只能降至1微瓦。而量子器件在響應(yīng)速度和功耗方面可以比這個(gè)數(shù)據(jù)優(yōu)化100010000倍。由于器件尺度為納米級(jí)，集成度大幅度提高，同時(shí)還具有器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，納米電子學(xué)的發(fā)展，可能會(huì)在電子學(xué)領(lǐng)域中引起一次新的電子技術(shù)革命，從而把電子工業(yè)技術(shù)推向

41、更高的發(fā)展階段。 迄今為止，作為電子器件只利用了電子波粒二象性的粒子性，其次，各種傳統(tǒng)電子元器件都是通過(guò)控制電子數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的。隨著集成度的提高，功耗、速度成為嚴(yán)重的問(wèn)題?，F(xiàn)有的硅和砷化鎵器件無(wú)論怎樣改進(jìn)，其響應(yīng)速度最高只能達(dá)到秒，功耗最低只能降低到。 利用電子的量子效應(yīng)原理制作的器件稱為量子器件或納米器件也叫單電子晶體管。在量子器件中，只要控制一個(gè)電子的行為即可完成特定的功能，即量子器件不單純通過(guò)控制電子數(shù)目的多少，主要是通過(guò)控制電子波動(dòng)的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)某種功能的。因此，量子器件具有更高的響應(yīng)速度和更低的功耗，從根本上解決日益嚴(yán)重的功耗問(wèn)題。 由于器件尺度為納米級(jí)，集成度大幅度提高，同時(shí)還

42、具有器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，有理由相信納米電子學(xué)的發(fā)展，必將在電子學(xué)領(lǐng)域中引起一次新的電子技術(shù)革命，從而把電子工業(yè)技術(shù)推向一個(gè)更高的發(fā)展階段。納米生物技術(shù)納米生物技術(shù) 納米生物技術(shù)是納米技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它即可以用于生物醫(yī)學(xué)， 如用納米技術(shù)制造的微型機(jī)器人，可讓它安全地進(jìn)入人體內(nèi)對(duì)健康狀況進(jìn)行檢測(cè)，必要時(shí)還可用它直接進(jìn)行治療；用納米技術(shù)制造的“芯片實(shí)驗(yàn)室”可對(duì)血液和病毒進(jìn)行檢測(cè)，幾分鐘即可獲得檢測(cè)結(jié)果；科學(xué)家還可以用納米材料開(kāi)發(fā)出一種新型藥物輸送系統(tǒng)，這種輸送系統(tǒng)是由一種內(nèi)含藥物的納米球組成的，這種納米球外面有一種保護(hù)性涂層，可在血液中循環(huán)而不會(huì)受到人體免疫系

43、統(tǒng)的攻擊，如果使其具備識(shí)別癌細(xì)胞的能力，它就可直接將藥物送到癌變部位，而不會(huì)對(duì)健康組織造成損害。也可以服務(wù)于其它社會(huì)需求。所包含的內(nèi)容非常豐富，并以極快的速度增加和發(fā)展，難以概述。在此僅舉一些研究結(jié)果為例。 (1) 生物芯片技術(shù) 生物芯片是不同于半導(dǎo)體電子芯片的另一類芯片。半導(dǎo)體電子芯片是集成具有特定電子學(xué)功能的微單元，所形成的電子集成電路；而生物芯片則是在很小幾何尺度的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性，僅用微量生理或生物采樣，即可以同時(shí)檢測(cè)和研究不同的生物細(xì)胞、生物分子和DNA的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動(dòng)的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片

44、)和基因芯片(即DNA芯片)等幾類，都有集成、并行和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已成為二十一世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技。 近兩年，已經(jīng)通過(guò)微制作(MEMS)技術(shù)，制成了微米量級(jí)的機(jī)械手，能夠在細(xì)胞溶液中捕捉到單個(gè)細(xì)胞，進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)，功能和通訊等特性研究。美國(guó)哈佛大學(xué)的Whitesides教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并研制出效果更好的軟光刻方法(soft lithography)。以此，制出了可以捕捉和固定單個(gè)細(xì)胞的生物芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞間距等，研究細(xì)胞分泌和胞間通訊。此類細(xì)胞芯片還可以作細(xì)胞分類和純化等。它的功能原理非常簡(jiǎn)單，僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表

45、面改性，即可達(dá)到選擇和固定細(xì)胞，及細(xì)胞面密度控制。 蛋白質(zhì)芯片的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了約十年的時(shí)間，現(xiàn)已出現(xiàn)了相對(duì)成熟的技術(shù)，如瑞典的BIACORE的單元芯片，中科院力學(xué)所的多元蛋白質(zhì)光學(xué)芯片和美國(guó)的SELDI質(zhì)譜芯片等。它們的共同特點(diǎn)都是將生物分子作為配基，固定在固體芯片表面或表面微單元上，以單一、或面陣、或序列式。利用生物分子間的特異結(jié)合的自然屬性，待測(cè)分子與配基分子在芯片表面會(huì)形成生物分子復(fù)合物。然后，檢測(cè)此復(fù)合物的存在與否，達(dá)到對(duì)蛋白質(zhì)的探測(cè)、識(shí)別和純化的目的。以上不同技術(shù)的差異僅在探測(cè)方法的不同。BIACORE技術(shù)利用表面等離子體共振技術(shù)檢測(cè)芯片，進(jìn)行單一蛋白質(zhì)檢測(cè)；多元蛋白質(zhì)光學(xué)芯片是光學(xué)

46、成象法，可以同時(shí)檢測(cè)多種混合的蛋白質(zhì)；SELDI技術(shù)則采用質(zhì)譜法，以時(shí)間順序檢測(cè)序列蛋白質(zhì)。 隨著人類基因工程的發(fā)展，基因芯片(即DNA芯片)得到迅速的發(fā)展。DNA 芯片又稱為寡核苷酸陣列或雜交陣列分析，它是根據(jù)DNA雙螺旋原理而發(fā)展的核酸鏈間分子雜交的技術(shù)。DNA芯片技術(shù)可以快速分析大量的基因信息，從而使生物醫(yī)學(xué)工作者可以研究并收集基因表達(dá)和變異信息?？梢杂糜谌祟惢蚪M中遺傳信息的分析。具特殊用途的DNA探針陣列可以在人類基因組中快速篩選已知的DNA序列。 DNA芯片還可用于監(jiān)測(cè)不同的人體細(xì)胞和組織基因表達(dá)，以檢測(cè)癌癥或其它疾病所對(duì)應(yīng)的基因的變化。隨著DNA芯片及雜交技術(shù)的發(fā)展，DNA芯片將

47、有可能直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開(kāi)發(fā)和人類遺傳診斷。 （2）分子馬達(dá) 分子馬達(dá)是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)械做功的納米系統(tǒng)。天然的分子馬達(dá)，如：驅(qū)動(dòng)蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內(nèi)參與了胞質(zhì)運(yùn)輸、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等一系列重要生命活動(dòng)。以微管蛋白為軌道，沿微管的負(fù)極向正極運(yùn)動(dòng)，并由此完成各種細(xì)胞內(nèi)外傳質(zhì)功能。 美國(guó)康納爾大學(xué)的科學(xué)家利用ATP酶作為分子馬達(dá)，研制出了一種可以進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機(jī)電設(shè)備-納米直升機(jī)。該設(shè)備共包括三個(gè)組件，兩個(gè)金屬推進(jìn)器和一個(gè)附屬于與金屬推進(jìn)器相連的金屬桿的生物分子組件。其中的生物分子組件將人體的生物燃料ATP轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，使得金屬推進(jìn)

48、器的運(yùn)轉(zhuǎn)速率達(dá)到每秒8圈。這種技術(shù)仍處于研制初期，它的控制和如何應(yīng)用仍是未知數(shù)。將來(lái)有可能完成在人體細(xì)胞內(nèi)發(fā)放藥物等醫(yī)療任務(wù) （3） 硅蟲(chóng)晶體管 美國(guó)和北愛(ài)爾蘭的研究者偶然發(fā)現(xiàn)了一種活的半導(dǎo)體(half bacterium, half microchip)，它能夠嗅出生物戰(zhàn)所用的毒氣。這一發(fā)現(xiàn)竟來(lái)自科學(xué)家為消除計(jì)算機(jī)芯片生產(chǎn)線上的某些特殊細(xì)菌的屢屢失敗。為消除這些微生物，研究者試用了從紫外線到強(qiáng)氧化劑，但是，細(xì)菌仍可幸存。亞利桑納大學(xué)的物理學(xué)家OHanlon 和 Baier認(rèn)為外面包上硬殼的細(xì)菌可以用于制造生物晶體管。這種細(xì)菌半導(dǎo)體晶體恰好可以用作生物晶體管的門(mén)極。當(dāng)在呼吸和光合作用等產(chǎn)生電子

49、轉(zhuǎn)移的生物過(guò)程中，光照或者器官的水汽能誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生電子，猶如打開(kāi)了這個(gè)生物晶體管。這種精巧的靈敏裝置能夠探測(cè)到生物戰(zhàn)毒氣。 （4） 納米探針 一種探測(cè)單個(gè)活細(xì)胞的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米量級(jí)，當(dāng)它插入活細(xì)胞時(shí)，可探知會(huì)導(dǎo)致腫瘤的早期DNA損傷。 納米探針是一支直徑50納米，外面包銀的光纖，并傳導(dǎo)一束氦-鎘激光。它的尖部貼有可識(shí)別和結(jié)合BPT的單克隆抗體。325納米波長(zhǎng)的激光將激發(fā)抗體和BPT所形成的分子復(fù)合物產(chǎn)生熒光。此熒光進(jìn)入探針光纖后，由光探測(cè)器接收?？梢杂糜谔綔y(cè)很多細(xì)胞化學(xué)物質(zhì)，可以監(jiān)控活細(xì)胞的蛋白質(zhì)和其它所感興趣的生物化學(xué)物質(zhì)。 納米生物學(xué)納米生物學(xué) 納米生物學(xué)主要包含兩個(gè)方面：

50、一，利用新興的納米技術(shù)來(lái)解決研究和生物學(xué)問(wèn)題； 二，利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的分子機(jī)器。 納米科技的最終目的是制造分子機(jī)器，而分子機(jī)器的啟發(fā)來(lái)源于生物體系中存在的大量的生物大分子，它們被費(fèi)曼等人看作是自然界的分子機(jī)器。從這個(gè)意義上說(shuō)，納米生物學(xué)應(yīng)該是納米科技中的一個(gè)核心領(lǐng)域。 利用DNA和某些特殊的蛋白質(zhì)的特殊性質(zhì)，有可能制造出分子器件。目前研究的熱點(diǎn)在分子馬達(dá)、硅神經(jīng)細(xì)胞體系和DNA相關(guān)的納米體系與器件。利用納米技術(shù)，人們已經(jīng)可以操縱單個(gè)的生物大分子。操縱生物大分子，被認(rèn)為是有可能引發(fā)第二次生物學(xué)革命的重要技術(shù)之一 。納米醫(yī)學(xué)納米醫(yī)學(xué) 我們知道人體是由多種器官組成

51、的，如：大腦、心臟，肝，脾，胃，腸，肺，骨骼，肌肉和皮膚；器官又是由各種細(xì)胞組成的，細(xì)胞是器官的組織單元，細(xì)胞的組合作用才顯示出器官的功能。那么細(xì)胞又是由什么組成的呢？按現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)，細(xì)胞的主要成份是各種各樣的蛋白質(zhì)、核酸、脂類和其它生物分子，可以統(tǒng)稱生物分子，它的種類在數(shù)十萬(wàn)種。生物分子是構(gòu)成人體的基本成分，它們各自具有獨(dú)特的生物活性的，正是它們不同的生物活性決定了它們?cè)谌梭w內(nèi)的分工和作用。由于人體是由分子構(gòu)成的。當(dāng)人體的分子機(jī)器，如合成蛋白質(zhì)的核糖體，DNA復(fù)制所需的酶等，出現(xiàn)故障或工作失常時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡或異常。 從分子的微觀角度來(lái)看，目前的醫(yī)療技術(shù)尚無(wú)法達(dá)到分子修復(fù)的水平。而納米醫(yī)學(xué)

52、則是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識(shí)，所從事的診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等科學(xué)技術(shù)，廣義地講都屬于納米醫(yī)學(xué)的范疇。換句話講，人們將從分子水平上認(rèn)識(shí)自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來(lái)防病治病，改善人類的整個(gè)生命系統(tǒng)。首先需要認(rèn)識(shí)生命的分子基礎(chǔ)，然后從科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展到工程技術(shù)，設(shè)計(jì)制造大量的具有令人難以置信的奇特功效的納米裝置，這些微小的納米裝置的幾何尺度僅有頭發(fā)絲的千分之一左右，是由一個(gè)個(gè)分子裝配起來(lái)的，能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能，并且更準(zhǔn)確和更有效地發(fā)揮作用。他們可以在人體的各處暢游，甚至出入細(xì)胞，在人體的微觀世界里完成特殊使命。 例如：修復(fù)畸變的基

53、因、扼殺剛剛萌芽的癌細(xì)胞、捕捉侵入人體的細(xì)菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們；探測(cè)機(jī)體內(nèi)化學(xué)或生物化學(xué)成分的變化，適時(shí)地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì)，及時(shí)改善人的健康狀況。最終實(shí)現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)，使人類擁有持續(xù)的健康。未來(lái)的納米醫(yī)學(xué)將是強(qiáng)大的，它又會(huì)是令人驚訝得小，因?yàn)樵谄渲兴l(fā)揮作用的藥物和醫(yī)療裝置都是肉眼所無(wú)法看到的。但是它的功能會(huì)令世人驚嘆。 (1) 智能藥物 這是納米醫(yī)學(xué)中的一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，適時(shí)準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一?？茖W(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的，模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測(cè)系統(tǒng)。它能夠被植入皮下，監(jiān)測(cè)血糖水平，在必要的時(shí)候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正

54、常狀態(tài)。目前這個(gè)芯片的尺寸還相當(dāng)于一個(gè)小硬幣，可以把它做得更小，并計(jì)劃裝上一個(gè)智能化的傳感器，使它可以適時(shí)和適量地釋放藥物。能否在形成致命的腫瘤之前，早期殺滅癌細(xì)胞？美國(guó)密西根大學(xué)的James R. Baker Jr.博士正在設(shè)計(jì)一種納米智能炸彈，它可以識(shí)別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征(chemical signatures)。這種智能炸彈很小，僅有20納米左右，能夠進(jìn)入并摧毀單個(gè)的癌細(xì)胞。此裝置的研制剛剛開(kāi)始，而初步的人體實(shí)驗(yàn)至少要五年以后才能進(jìn)行。 (2) 人工紅血球 納米醫(yī)學(xué)不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強(qiáng)人體功能的能力。我們知道，腦細(xì)胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會(huì)呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當(dāng)人的心臟因意外，突然停止跳動(dòng)的時(shí)候，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個(gè)機(jī)體的正常生理活動(dòng)。血球是個(gè)一微米大小的金剛石的氧氣容器，內(nèi)部有1000個(gè)大氣壓，泵浦動(dòng)力來(lái)自血清葡萄糖。它輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍，并維持生物炭活性。 它可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運(yùn)動(dòng)需要的額外耗氧等。(3)納米藥物輸運(yùn)