先進(jìn)制造之納米科技

1、掌握基本概念介觀領(lǐng)域、納米科學(xué)技術(shù)、納米材料、納米器件、量子器件、蓮花效應(yīng)、納米組裝體系、自上而下、自下而上。2、納米材料與傳統(tǒng)材料的差別。3、納米科技的分類。4、納米科技的前沿動(dòng)態(tài)。

第一頁(yè)，共79頁(yè)。難點(diǎn)內(nèi)容：納米科技的前沿動(dòng)態(tài)中的部分內(nèi)容。熟悉內(nèi)容:了解納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展史。了解發(fā)展納米科技的意義。

納米技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究情況及取得的成果。主要英文詞匯:Mesostructure,Macrostructure,Nanostructure,Nanotechnology;nanomaterial,Nanostructure,Nanodevice，Top-down,Bottom-up.第二頁(yè)，共79頁(yè)。3.3發(fā)展納米科技的意義費(fèi)曼：1959年，著名理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾預(yù)言：“毫無(wú)疑問(wèn)，當(dāng)我們得以對(duì)納微尺度的事物加以操縱的話，將大大的擴(kuò)充我們可能獲得物性的范圍”。還設(shè)想“如果有朝一日人們能把百科全書儲(chǔ)存在一個(gè)針尖大小的空間并能移動(dòng)原子，那么這將給科學(xué)帶來(lái)什么？”這正是對(duì)納米科技的預(yù)言—小尺寸大世界。量子動(dòng)力學(xué)1965諾貝爾獎(jiǎng)。第三頁(yè)，共79頁(yè)。1991年：IBM的首席科學(xué)家Armstrong曾預(yù)言：“我們相信納米科技將在信息時(shí)代的下一個(gè)階段占中心地位，并發(fā)揮革命的作用，正如20世紀(jì)70年代初以來(lái)微米技術(shù)已經(jīng)起的作用那樣。”克林頓：納米技術(shù)可能是下個(gè)世紀(jì)前二十年最重要的技術(shù)。

第四頁(yè)，共79頁(yè)。錢學(xué)森預(yù)言：“納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一個(gè)階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將使21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！?993年，因發(fā)明STM而獲得Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家?！ち_雷爾：微米技術(shù)曾同樣被認(rèn)為對(duì)使用牛耕地的農(nóng)民無(wú)關(guān)緊要。的確，微米與牛毫無(wú)關(guān)系，但它卻改變了耕作方式，帶來(lái)了拖拉機(jī)。第五頁(yè)，共79頁(yè)。第六頁(yè)，共79頁(yè)。1993年，Rohrer博士寫信給江澤民主席。他寫道：“我確信納米科技已經(jīng)具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標(biāo)準(zhǔn)，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學(xué)會(huì)并使用微米技術(shù)的國(guó)家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢(shì)。同樣，未來(lái)的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn)、并首先學(xué)習(xí)和使用它的國(guó)家。”

這些預(yù)言十分精辟的指出了納米體系的地位和作用。第七頁(yè)，共79頁(yè)。納米技術(shù)的應(yīng)用及其前景納米科技的重要進(jìn)展表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：[1]直接操縱原子方面：日本科學(xué)家成功將硅原子堆成一個(gè)“金字塔”，首次實(shí)現(xiàn)原子三維空間的立體搬遷。1991年，IBM的科學(xué)家制造了超快的氙原子開(kāi)關(guān)?？赡軐⒚绹?guó)國(guó)會(huì)圖書館的全部藏書存儲(chǔ)在一個(gè)直徑為0.3cm的硅片上。第八頁(yè)，共79頁(yè)。納米刻蝕：目前微電子技術(shù)中最細(xì)刻度為幾分之一微米，即激光光列。如果把搬遷原子的位置按照電路的方式搬遷，便可以用STM進(jìn)行納米級(jí)的刻蝕。我國(guó)已能用STM刻出10nm的細(xì)線。一是可制備高密度的存儲(chǔ)器。日本NEC公司研制出高密度記錄技術(shù)，在一張郵票大小的襯底上可以記錄下400萬(wàn)頁(yè)報(bào)紙的內(nèi)容。二是可用分子束外延技術(shù)制造出三維納米量子器件。第九頁(yè)，共79頁(yè)。[2]新材料的出現(xiàn)傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，其應(yīng)用受到限制。納米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性(會(huì)嗎？理想)。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料。也就是說(shuō)，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)的水平上。第十頁(yè)，共79頁(yè)。要制備納米陶瓷，關(guān)鍵需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團(tuán)聚體的控制和分散，塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個(gè)納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?，能夠發(fā)生100%的韌性形變。并發(fā)現(xiàn)納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。第十一頁(yè)，共79頁(yè)。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，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)。英國(guó)著名科學(xué)家萊恩Cahn在Nature雜志上撰文說(shuō)：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑?！奔{米陶瓷的應(yīng)用：摔不碎的陶瓷，防彈玻璃。第十二頁(yè)，共79頁(yè)。設(shè)計(jì)新型復(fù)合材料碳納米管/高分子復(fù)合材料----高強(qiáng)度材料第十三頁(yè)，共79頁(yè)。模擬生物功能設(shè)計(jì)新型材料鮑魚殼鮑魚殼牙質(zhì)腱第十四頁(yè)，共79頁(yè)。大多數(shù)材料在朝一個(gè)方向拉伸時(shí)，另一個(gè)方向就會(huì)變細(xì)變窄，如橡皮筋?？梢杂貌此杀?Poisson’sratio，側(cè)向收縮比例與實(shí)際伸長(zhǎng)比例的比值)來(lái)定量描述。2008年4月美國(guó)Baughman等利用古老的造紙方法—烘干纖維漿來(lái)制造納米管薄層。實(shí)驗(yàn)用的“漿”是單壁碳管和多壁碳管的混合物。Science，Vol.320,pp.504第十五頁(yè)，共79頁(yè)。碳納米管薄層(也稱巴克紙)能夠在均勻壓縮時(shí)，長(zhǎng)度和寬度同時(shí)增加。隨著多壁碳管在薄層中的增加，薄層的泊松比會(huì)從0.06突然躍變?yōu)?0.20，即這種材料具有負(fù)的泊松比。新的研究成果具有重要的應(yīng)用價(jià)值，比如設(shè)計(jì)源自碳納米薄層的復(fù)合物，制造人工肌肉、墊圈、壓力傳感器和化學(xué)傳感器等。第十六頁(yè)，共79頁(yè)。碳納米管薄膜基人工肌肉致動(dòng)器第十七頁(yè)，共79頁(yè)。寂寞時(shí)抱抱這個(gè)枕頭第十八頁(yè)，共79頁(yè)。2008年3月，美國(guó)哈佛—麻省理工羅伯特·蘭格和杰弗里·卡普教授開(kāi)發(fā)出一種具有彈性的、可生物降解的膠貼。該膠貼的靈感來(lái)自壁虎的足部，這種膠貼，也是依靠納米尺度的柱體和化學(xué)膠水制成的，它是第一個(gè)能呈現(xiàn)出良好黏性強(qiáng)度和動(dòng)物安全性的膠貼。第十九頁(yè)，共79頁(yè)。第二十頁(yè)，共79頁(yè)。這種膠貼由一種能嵌藥物的可生物降解彈性體制成。為制作這種膠貼，將液態(tài)聚合物注入遍布200nm-500nm寬凹孔的微型硅模，然后再用具有生物相容性的葡聚糖膠水對(duì)?；冇驳木酆衔镞M(jìn)行旋涂。當(dāng)膠貼被使用時(shí)，毛細(xì)管的力量將組織拉入柱體間的空間，這些柱體具有一些微弱的電荷引力，這樣葡聚糖膠就黏附在組織蛋白上。這種膠貼能取代外科手術(shù)的縫線及縫釘，也可制成藥物控釋貼片直接安放在包括心臟在內(nèi)的器官上。第二十一頁(yè)，共79頁(yè)。第二十二頁(yè)，共79頁(yè)。[3]納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用

納米電子學(xué)是基于納米粒子的量子效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)并制備納米量子器件。它包括納米有序(無(wú)序)陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)：是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。第二十三頁(yè)，共79頁(yè)。美國(guó)威斯康星大學(xué)馬克斯·拉加利等人已制造出可容納單個(gè)電子的量子點(diǎn)，在一個(gè)針尖上可容納這樣的量子點(diǎn)幾十億個(gè)。利用量子點(diǎn)可制成體積小、耗能少的單電子器件。此外，若能將幾十億個(gè)量子點(diǎn)連結(jié)起來(lái)，每個(gè)量子點(diǎn)的功能相當(dāng)于大腦中的神經(jīng)細(xì)胞，再結(jié)合微電子機(jī)械系統(tǒng)方法，它將為研制智能型微型電腦帶來(lái)希望。第二十四頁(yè)，共79頁(yè)。量子點(diǎn)發(fā)光二極管：不足10nm；不同顏色；電或光激發(fā)第二十五頁(yè)，共79頁(yè)。量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池第二十六頁(yè)，共79頁(yè)。量子點(diǎn)醫(yī)療應(yīng)用-治療癌癥:第二十七頁(yè)，共79頁(yè)。美國(guó)普林斯頓NEC研究所和賴斯頓大學(xué)的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，納米管的強(qiáng)度比鋼高100倍，重量只有其1/6，納米管很細(xì)，5萬(wàn)個(gè)納米管排列起來(lái)才只有一根頭發(fā)絲那么粗，輕而柔軟，結(jié)實(shí)的材料用作防彈背心。它是理想的導(dǎo)體，導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銅，是最佳超微導(dǎo)線和超微開(kāi)關(guān)的首選新材料。納米管最終可以用于納米級(jí)的電子線路。

第二十八頁(yè)，共79頁(yè)。英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來(lái)芯片設(shè)計(jì)2006年，芯片廠商英特爾用碳納米管取代半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的銅連線。芯片連線已經(jīng)成為半導(dǎo)體廠商面臨的一個(gè)頭疼的問(wèn)題。根據(jù)摩爾定律，芯片廠商每?jī)赡昃鸵s小一次半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的元件。然而，縮小連線會(huì)增加電阻，降低芯片的性能。90年代把連線從鋁線轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線從而繞過(guò)了這個(gè)問(wèn)題。遺憾的是，隨著芯片尺寸的縮小，這個(gè)電阻問(wèn)題將成為英特爾等芯片廠商遇到的大問(wèn)題。碳納米管導(dǎo)電性比金屬要好，有可能成為替代金屬連線的解決方案。第二十九頁(yè)，共79頁(yè)。2008年2月1日亞利桑那州立大學(xué)DavidK.Ferry提出利用納米線連接電路建立三維堆砌芯片的構(gòu)想，將大大提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。第三十頁(yè)，共79頁(yè)。碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩在航天事業(yè)中，利用碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩，不僅可以為衛(wèi)星供電，還可以耐受很高的溫度而不會(huì)燒毀。用碳納米管做繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球—月球的電梯，人們?cè)谠虑蚨ň泳秃苋菀琢?。第三十一?yè)，共79頁(yè)。利用納米磁學(xué)中顯著的巨磁電阻效應(yīng)和很大的隧道磁電阻現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍。2007年，明尼蘇達(dá)大學(xué)電子工程系納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室采用納米平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)磁盤，長(zhǎng)度為40nm的Co棒按周期性排列成的量子棒陣列。由于納米磁性單元是彼此分離的，因而稱為量子磁盤。利用磁納米線陣列的存儲(chǔ)特性，存貯密度可達(dá)400Gb×in-2。

第三十二頁(yè)，共79頁(yè)。[4]納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用

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，使光電器件的性能大大提高。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個(gè)狀態(tài)上，而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過(guò)此結(jié)構(gòu)。激光器達(dá)到極高的工作效率，而能量閾則很低。納米激光器工作時(shí)只需約100微安的電流。第三十三頁(yè)，共79頁(yè)。單晶納米線的受激發(fā)射行為第三十四頁(yè)，共79頁(yè)。最近科學(xué)家們把光子導(dǎo)線縮小到只有五分之一立方微米體積內(nèi)。在這一尺度上，此結(jié)構(gòu)的光子狀態(tài)數(shù)少于10個(gè)，接近了無(wú)能量運(yùn)行所要求的條件。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，其效率之高，令人驚訝。第三十五頁(yè)，共79頁(yè)。碳納米管場(chǎng)發(fā)射顯示器1999年韓國(guó)，2000年日本制成顯示器樣管第三十六頁(yè)，共79頁(yè)。2003年5月1日，IBM宣布成功開(kāi)發(fā)出了由單分子碳納米管構(gòu)成的最小發(fā)光元件?！禨cience》IBM開(kāi)發(fā)的發(fā)光元件為直徑1.4nm的納米管狀單分子，可發(fā)出波長(zhǎng)1.5μm的光。這一波長(zhǎng)的光廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。直徑不同的納米管會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)不同的光。將該發(fā)光元件嵌入3引腳晶體管內(nèi)部，并在晶體管柵極部分施加低電壓后，在納米管的兩端(源極和漏極之間)產(chǎn)生了電流。第三十七頁(yè)，共79頁(yè)。光子糾纏態(tài)理論潘建偉：在量子物理學(xué)及量子信息學(xué)的交叉實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域做出了一系列研究成果，并成為首個(gè)被歐、美兩大物理學(xué)會(huì)同年評(píng)入2003年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展的中國(guó)科學(xué)家。2008,《自然》雜志發(fā)表評(píng)論時(shí)說(shuō)，“盡管五粒子糾纏以及終端開(kāi)放的量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)非常困難，但是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉，他們的實(shí)驗(yàn)方法將在量子計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)化的量子通信中有重要的應(yīng)用”。第三十八頁(yè)，共79頁(yè)。[5]納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用納米粒子作為光催化劑的優(yōu)點(diǎn)。首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會(huì)重新結(jié)合。因此，化學(xué)反應(yīng)活性高。其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法來(lái)觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。第三十九頁(yè)，共79頁(yè)。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。一般認(rèn)為，其體系中只需含納米二氧化鈦0.5~1%，即可充分屏蔽紫外線。如用添加0.1~0.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝材料包裝食品，既可以防止紫外線對(duì)食品的破壞作用，還可以使食品保持新鮮。TiO2納米粒子具有光催化作用，用于污水處理、空氣凈化等。TiO2薄膜具有超親水和自清潔功能，可以用作防霧涂層和自清潔陶瓷。第四十頁(yè)，共79頁(yè)。分子篩(納米)反應(yīng)器分子篩具有獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面、較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反應(yīng)器。該反應(yīng)器能夠使化學(xué)反應(yīng)局限于一個(gè)很小的范圍內(nèi)進(jìn)行。在納米反應(yīng)器中，反應(yīng)物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同時(shí)限制了反應(yīng)物分子和反應(yīng)中間體的運(yùn)動(dòng)，這種取向、排列和限制作用將影響和決定反應(yīng)的方向和速度。第四十一頁(yè)，共79頁(yè)。1992年，Kresge等首次采用介孔氧化硅MCM-41材料為基，在納米尺度上實(shí)現(xiàn)有機(jī)/無(wú)機(jī)離子的自組裝反應(yīng)。其特點(diǎn)是孔道大小均勻，孔徑可以在5~10nm內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具有很高的比表面積和較好的熱穩(wěn)定性，使其在分子催化、吸附與分離等過(guò)程，展示了廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，這類材料在較大范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)其納米孔道結(jié)構(gòu)，可以作為納米粒子的微型反應(yīng)容器。第四十二頁(yè)，共79頁(yè)。第四十三頁(yè)，共79頁(yè)。碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運(yùn)動(dòng)在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制。---納米反應(yīng)器第四十四頁(yè)，共79頁(yè)。清華大學(xué)的范守善教授利用SiO2氣體與N2在碳納米管中反應(yīng)生長(zhǎng)出

Si3N4納米線，其徑向尺寸為4~40nm。還制備出了GaN納米線。1998年與美國(guó)斯坦福大學(xué)合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長(zhǎng)，大大推進(jìn)碳納米管在場(chǎng)發(fā)射平面顯示方面的應(yīng)用。其獨(dú)特的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導(dǎo)線材等領(lǐng)域。第四十五頁(yè)，共79頁(yè)。2007年7月美國(guó)Grimes在(NanoLetters)上發(fā)文稱，由自動(dòng)排列、垂直定向的鈦鐵氧化物納米管陣列組成的薄膜，可在太陽(yáng)光的照射下將水分解為氫氣和氧氣。photographshowingthecolorvariationinthesamplesasafunctionofironcontent.第四十六頁(yè)，共79頁(yè)。2009年2月，Grimes在Nature報(bào)道了“水變油”實(shí)驗(yàn)：向鋼管內(nèi)通入二氧化碳和水蒸氣，用納米管薄膜覆蓋住儀器的后部，然后在容器頂部安裝石英窗戶使陽(yáng)光進(jìn)入。“當(dāng)陽(yáng)光照射在納米管上時(shí)，納米管釋放出高能量的載荷子，使得水分子分解為氫氧自由基和氫離子。二氧化碳分解后的產(chǎn)物—氧氣、一氧化碳和氫氣后，就反應(yīng)生成了甲烷和水?！痹谡麄€(gè)反應(yīng)后期，銅和鉑催化作用明顯，但由于鉑的價(jià)格昂貴，如何減少鉑含量而使得催化效果不變，仍值得研究。第四十七頁(yè)，共79頁(yè)。第四十八頁(yè)，共79頁(yè)。[6]納米技術(shù)在生物學(xué)上的應(yīng)用

每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器，分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以可預(yù)測(cè)方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類似于計(jì)算機(jī)的邏輯開(kāi)關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來(lái)設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)。美國(guó)南加州大學(xué)的Adelman博士等應(yīng)用DNA分子計(jì)算技術(shù)有效地解決了目前計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題—“哈密頓路徑問(wèn)題”。第四十九頁(yè)，共79頁(yè)。DNA不僅是生命遺傳信息的承載者，未來(lái)還可能充當(dāng)納米級(jí)“電線”，用于制造超微電子設(shè)備。2007年6月日本大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)電流可以通過(guò)DNA流動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)：電流通過(guò)橫跨DNA雙鏈之間的堿基流動(dòng)，而不是像人們想象的那樣沿雙螺旋鏈流動(dòng)。美國(guó)科學(xué)院學(xué)報(bào)-2007NatureNanotechnology-2008第五十頁(yè)，共79頁(yè)。驗(yàn)證過(guò)程：用人工方法合成含10個(gè)至100個(gè)堿基的一些DNA片斷，將它們分別固定在玻璃基板上。在DNA的一端添加光增感劑，而另一端添加熒光色素。用紫外線從玻璃基板的相反一側(cè)照射DNA，可以觀察到光增感劑產(chǎn)生正電荷，正電荷通過(guò)堿基移動(dòng)到附著有熒光色素的一端，正電荷和熒光色素反應(yīng)后，熒光消失。此外，如果4種堿基排列的順序被改變，電流的速度也有所變化。第五十一頁(yè)，共79頁(yè)。[7]納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內(nèi)的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動(dòng)。將超微粒子注入到血液中，可以作為監(jiān)測(cè)和診斷疾病的手段。磁性導(dǎo)航藥物、分子識(shí)別藥物，熒光標(biāo)識(shí)等。例如利用納米SiO2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。但也有缺點(diǎn)。(納米粒子的毒性)第五十二頁(yè)，共79頁(yè)。生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的前沿科技。植入人體后可使人們隨時(shí)隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動(dòng)態(tài)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)防成為可能。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，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。小型攝像機(jī)：用于檢測(cè)消化系統(tǒng)疾病。第五十三頁(yè)，共79頁(yè)。Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|第五十四頁(yè)，共79頁(yè)。2007年11月英國(guó)劍橋大學(xué)的A.Porter研究證明，碳納米管能夠進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)、特定的細(xì)胞器和細(xì)胞核。利用兩種類型的顯微設(shè)備—透射電子顯微鏡(TEM)和共聚焦顯微鏡，對(duì)單壁碳納米管入侵人類巨噬細(xì)胞的過(guò)程進(jìn)行了直接成像觀測(cè)。之所以選擇巨噬細(xì)胞(一種人體免疫細(xì)胞)，是由于它們是人體許多組織(尤其是肺部)抵御外來(lái)物質(zhì)入侵的第一道防線。人們吸入的納米顆粒會(huì)被巨噬細(xì)胞截留下來(lái)，防止對(duì)血液和淋巴等身體系統(tǒng)的進(jìn)一步入侵。

第五十五頁(yè)，共79頁(yè)。研究發(fā)現(xiàn)：將巨噬細(xì)胞浸入不同濃度的碳納米管溶液中，從零到每毫升10微克。兩天后，單壁碳納米管進(jìn)入了細(xì)胞的溶酶體，4天后，碳納米管會(huì)熔合到一起，其中一些進(jìn)入了細(xì)胞質(zhì)甚至細(xì)胞核。研究人員還檢測(cè)了巨噬細(xì)胞在有碳納米管條件下的生存活力，并與正常細(xì)胞進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，即使是浸入最高碳納米管濃度溶液中的巨噬細(xì)胞，在兩天后依然比較健康，與未處理的正常巨噬細(xì)胞相差無(wú)幾。不過(guò)在4天后，即使是浸入濃度較低溶液中的巨噬細(xì)胞，生存能力和活性也會(huì)顯著降低。第五十六頁(yè)，共79頁(yè)。A2天后，溶酶體c-f4天后，細(xì)胞質(zhì)膜、溶酶體、核膜、細(xì)胞核第五十七頁(yè)，共79頁(yè)。目前的癌癥活組織檢查有時(shí)不準(zhǔn)確，例如檢查所取的組織樣本中恰好癌細(xì)胞太少，于是檢查得出陰性的結(jié)果，但實(shí)際上患者體內(nèi)有癌細(xì)胞存在。2007年7月新墨西哥大學(xué)和一家名叫“高級(jí)科學(xué)”的公司的研究人員利用磁性吸引力研究出一種解決方法。他們用生物相容物質(zhì)(在生物體內(nèi)引起正確反應(yīng)、與天然生物物質(zhì)類似的物質(zhì))包裹帶磁性的氧化鐵納米粒子，然后在外層涂上特定的抗體，這些抗體能且僅能與癌細(xì)胞產(chǎn)生的特殊物質(zhì)相結(jié)合。

第五十八頁(yè)，共79頁(yè)。經(jīng)過(guò)這樣處理的納米粒子注射到人體中后，數(shù)以千計(jì)的粒子因抗體作用而附著在癌細(xì)胞上，使癌細(xì)胞變成微小“磁鐵”。此時(shí)用帶有磁性的探針進(jìn)行檢查，癌細(xì)胞就會(huì)在磁性吸引力作用下游向探針。利用這種方法，在兩到三分鐘之內(nèi)就會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的癌細(xì)胞被吸引到探針上。癌癥患者需要經(jīng)常檢查以確定病情，其中一些檢查非常痛苦，例如血癌患者的骨髓穿刺，這項(xiàng)技術(shù)可以減少檢查次數(shù)。它還可用于檢查癌細(xì)胞是否有擴(kuò)散跡象，癌細(xì)胞擴(kuò)散數(shù)量有時(shí)極為微小，普通方法難以檢查出來(lái)。第五十九頁(yè)，共79頁(yè)。2007年8月美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)的文斯·羅泰洛等報(bào)道了一組涂層各不相同的黃金微粒能通過(guò)模擬人類鼻子辨別氣味的方式鑒別蛋白質(zhì)，正在利用它們檢測(cè)體液中呈現(xiàn)的疾病跡象。這套新的“納米鼻”系統(tǒng)有6個(gè)感受器，每個(gè)感受器由包含黃金微粒的溶液組成，這些黃金微粒直徑約2nm，有不同的涂層。這些涂層由含有氮原子的有細(xì)微差別的有機(jī)分子構(gòu)成。不同的蛋白質(zhì)將黏附在上述多種感受器上，但是同一感受器黏住不同蛋白質(zhì)的難易程度不同。通過(guò)熒光分子測(cè)量被黏住蛋白質(zhì)的多少，這些熒光分子原本黏附在感受器的微粒上，但蛋白質(zhì)被感受器黏住時(shí)將它置換了出來(lái)。第六十頁(yè)，共79頁(yè)。2007年12月美國(guó)Gimzewski等從疑似腫瘤患者身上提取樣本，將它們放在納米級(jí)的顯微鏡下檢驗(yàn)。用探針向樣本中的每一個(gè)細(xì)胞施以微弱電壓，探針的另一頭與一個(gè)機(jī)械臂相連。通過(guò)對(duì)比癌變細(xì)胞與正常細(xì)胞的彈性差別診斷癌癥。研究發(fā)現(xiàn)，癌變細(xì)胞表面彈性比正常細(xì)胞柔軟70％。這一發(fā)現(xiàn)可用來(lái)幫助醫(yī)生提高癌癥診斷準(zhǔn)確率。第六十一頁(yè)，共79頁(yè)。Gimzewski指出正常細(xì)胞發(fā)生癌變后，形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)隨之發(fā)生改變，癌變細(xì)胞因此變得更軟。但這一特征無(wú)法通過(guò)對(duì)比細(xì)胞外形發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)階段，醫(yī)學(xué)界診斷癌癥主要有兩種方法：一種是活體切片，將切下的組織放在顯微鏡下，觀察是否有癌變跡象；另一種是利用抗體檢驗(yàn)蛋白質(zhì)，分辨癌變細(xì)胞和正常細(xì)胞。但利用這兩種方法檢驗(yàn)肺癌的平均誤差率達(dá)到15％。第六十二頁(yè)，共79頁(yè)。[8]納米技術(shù)在分子組裝方面的應(yīng)用

納米技術(shù)以往的研究主要集中在：A在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種納米微粒，合成塊體。B研究評(píng)估表征的方法，并探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。C利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料。第六十三頁(yè)，共79頁(yè)。1996年，IBM公司利用分子組裝技術(shù)，研制出了世界上最小的“納米算盤”，算盤架是蝕刻而成的銅槽和銅脊，算珠由球狀的C60分子構(gòu)成，槽脊柱只有一個(gè)原子高，每個(gè)槽內(nèi)可容納任意個(gè)巴基球，巴基球由掃描隧道顯微鏡操縱在銅槽內(nèi)滑動(dòng)。理論上金澤夫斯基的算盤儲(chǔ)存信息的容量是常規(guī)電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的10億倍。第六十四頁(yè)，共79頁(yè)。1999年，(王中林)美國(guó)、中國(guó)、法國(guó)和巴西科學(xué)家用精密的電子顯微鏡測(cè)量納米管在電流中出現(xiàn)的擺頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以測(cè)出納米管上極小微粒引起的變化，從而發(fā)明了能稱量?jī)|億分之二百克的單個(gè)病毒的“納米秤”。該成果在《Science》發(fā)表，這種世界上最小的秤，為科學(xué)家區(qū)分病毒種類，發(fā)現(xiàn)新病毒作出了貢獻(xiàn)。(10-15g)第六十五頁(yè)，共79頁(yè)。1999年美國(guó)波士頓大學(xué)的化學(xué)家Kelly在《自然》報(bào)道世界上最小的馬達(dá)，該分子馬達(dá)由78個(gè)原子構(gòu)成。ThechemicallydrivenrotarymolecularmotorbyKellyandco-workers.120°rotation第六十六頁(yè)，共79頁(yè)?！蹲匀弧冯s志還報(bào)道了另一個(gè)由荷蘭和日本科學(xué)家研究的另一種由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的分子馬達(dá)，其在光照作用下，能夠連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。Rotarycycleofthelight-drivenrotarymolecularmotorbyFeringaandco-workers.360°第六十七頁(yè)，共79頁(yè)。1999年，美國(guó)哈佛大學(xué)的Philip

Kim

和Charles

Lieber研制出納米鑷子,能抓住直徑約500納米的聚苯乙烯原子團(tuán)納米鑷子是在一個(gè)圓錐形的直徑約100納米的微型滴管的內(nèi)外壁沉積金電極制成的，鑷子的每個(gè)臂則是用一束像蔥一樣的同心層碳納米管制作，而這些同心層中的一層用導(dǎo)電的膠粘在每根電極上。

NanotubeNanotweezersCharlesM.Lieber，納米鑷子第六十八頁(yè)，共79頁(yè)。

納米鑷子用電操縱，使用它時(shí)，在兩根電極上加電壓，使一根納米管臂帶正電，另一根納米管臂帶負(fù)電通過(guò)改變所加電壓的大小，可增加或減少鑷子之間的吸力(即夾東西的力量)。試驗(yàn)表明，鑷子的兩臂在電壓達(dá)到8.5伏時(shí)可完全合攏，