了解科技————纳米技术

1、纳米技术(nanotechnology),也称毫微技术，是研究结构尺寸在 1纳米至100纳米范 围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜 发明后，诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的 产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。主要内容纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米 科学与技术主要包括：纳米体系物理学、 纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、 纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米 器件、纳米尺度的检测 与表征这三个

2、研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理变和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学 是纳米技术最重要的内容。纳米技术包含下列四个主要方面 ：1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在 0.1-100纳米这个范围空间，物质的 性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统(MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种 电子设备、医疗和诊断仪器等.用的 是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，

3、刻蚀的深度往往要求数十 至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或 陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚 未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。3、纳米生物学和纳米药物学 ：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳

4、米尺度（即超微粒子），则可溶于水。纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。（上面是老钱加注）4、纳米电子学：包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米 电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更 快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有 限度。 纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。应用领域和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产 品等方面。用纳米材料制作的器

5、材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更 方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材 料和仿生材料。1、纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米二百万分之一毫米。2、纳米技术带动了技术革命。3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管,"饿死"癌细胞。4、如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。5、纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发展将 使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况，

6、可让医生对症下药。测量技术纳米级测量技术包括：纳米级精度的尺寸和 位移的测量，纳米级表面形貌的测量。纳米 级测量技术主要有两个发展方向。一是光干涉测量技术，它是利用光的干涉条纹来提高测量的分辨率，其测量方法有：双频激光干涉测量法、光外差干涉测量法、X射线干涉测量法、F P标准工具测量法等，可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。二是扫描探针显微测量技术 （STM）,其基本原理是基于量子力学的隧道效应，它的原理是用极尖的探针（或类似白方法）对被测表面进行扫描（探针和被测表面实际并不接触），借 助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。主要用于测量表面的 微观形貌

7、和尺寸。用这原理的测量方法有:扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等。加工技术纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。由于原子间的距离为 0.1 0.3nm ,纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现 原子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合 能，即所播的能量密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困 难了。截至2008年纳米加工有了很大的突破，如电子束光刻（UGA技术）加工超大规模集成电路时，可实现 0.1 线宽的加工：离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除：扫描隧道显微技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的

8、重组。粒子制备纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。应用纳米技术制成的服装纳米技术应用-计算机磁盘真空冷授法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤 冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控，但技术设备要求高。物理粉碎法：透过机械粉碎、 电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本 低，但产晶 纯度低,顺粒分布不均匀。机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒 子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。气相沉积法：利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度 分布窄。沉淀法：把沉淀剂加

9、人到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料.其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备载化物。应用纳米技术制成的服装水热合成法:高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理 得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、 溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和11 一 VI族化合物的制备。徽乳?法：两:互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在徽泡中经成核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和接口性好，11 一 VI族半导体纳米粒子多用此法制备。水热合成法-高温

10、高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得到纳米 粒子。其特点是纯度高，分散性好，粒度易控制。材料合成自1991年Gleiter等人率先制得纳米材料以来，经过 10年的发展纳米材料有了长足 的进步。如今纳米材料种类较多，按其材质分有：金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等等。纳米材料是超徽粒材料，被称为 "21世纪新材料 ”,具有许多特异性能。例如用纳米级金属微粉烧结成的材料，强度和硬度大大高于原来的金属，纳米金属居然由导电体变成 绝缘体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强 度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的

11、直径的减小而降低。例如金的熔点 为1064 C，但10nm的金粉熔点降低到 940 c , snm的金粉熔点降低到 830 C ,因而烧结 温度可以大大降低。 纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油 中。可提高内燃机的效率。加入固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。可以注射到血管内顺利进入微血管。疾病诊断当前常规的成像技术只能检测到癌症在组织上造成的可见的变化，而这个时候已经有 数千的癌细胞生成并且可能会转移。而且，即使是已经可以看到肿瘤了，由于肿瘤本身的 类别（恶性还是良性）和特征，要确定有效的治疗方法也还必须通过活组织检查。如果对癌 性细胞或者癌变前细胞以某种

12、方式进行标记，使用传统设备即可检测出来则更有利于癌症 的诊断。要实现这一目标有两个必要条件 ：某技术能够特定识别癌性细胞且能够让被识别的癌性 细胞可见。纳米技术能够满足这两点。例如，在金属氧化物表面涂覆可特异识别癌性细胞 表面超表达的受体的抗体。由于金属氧化物在核磁共振成像 （MRI）或计算机断层扫描（CT）下发出高对比度信号，因 此一旦进入体内后，这些金属氧化物纳米颗粒表面的抗体选择性地与癌性细胞结合，使检 测仪器可以有效地识别出癌性细胞。同样地，金纳米粒也可以用于增强在内窥镜技术中的 光散射。纳米技术能够将识别癌症类别及不同发展阶段的分子标记可视化，让医生能够通 过传统的成像技术看到原本检

13、测不到的细胞和分子。在人类与癌症的斗争中，有一半的胜利是得益于早期的检测。纳米技术使得癌症的诊 断更早更准确，并可用于治疗监测。纳米技术也可以增强甚至完全变革对组织和体液中生 物标志物的筛查。癌症与癌症之间，以及癌细胞与正常细胞之间由于各种分子在表达和分 布上的差异而各不相同。随着治疗技术的进步，对癌症的多个生物标志物进行同时检测是 确定治疗方案时所必须的。纳米颗粒-例如能够根据它们本身大小发出不同颜色光的量子点-可以实现同时检测多种标记物的目的。包被有抗体的量子点发出的激发光信号可用于筛查某些类型的癌症。不 同颜色的量子点可与各种癌症生物标记物抗体结合，方便肿瘤学家通过所看到的光谱区分 癌细

14、胞与健康细胞。组装技术由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术将成为纳米科技的重要手段，受到 人们很大的重视。纳米组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子聚集 体进行组装，形成有功能的 结构单元。组装技术包括分子有序组装技术，扫描探针原子、 分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装是通过分子之间的物理或化学相互作用， 形成有序的二维或三维分子体系。现在，分子有序组装技术及其应用研究方面取得的最新 进展主要是LB膜研究及有关特性的发现。生物大分子走向识别组装。蛋白质、核酸等生 物活性大分子的组装要求商密度定取向，这对于制备高性能生物微感膜、发展生物分子器 件，以及

15、研究生物大分子之间相互作用是十分重要的。在进行lgG归生物大分子的组装过程中，首次利用抗体活性片断的识别功能进行活性生物大分子的组装。这一重要的进展使 得生物分子的定向组装产生了新的突破。除以上几种组装外，在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分子薄 膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子量级加工，使加 工技术进人一个更加徽细的深度。纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米机械、纳米机 电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。中国在纳米领域的科学发现和产业化研究有一定的优势。现代同美、日、德等国位于 国际第一梯队的前列。虽然现代中国己经建立了一定数量的纳米材料生产

16、基地，纳米技术 的开发应用也已经兴起，并初步实现了产业化。纳米要实现大规模、低成本的产业化生 产，还有许多的工作要做，只有依赖大量的资金和高科技投人才能换取高额的利润回报。生物技术纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。研究细胞内部，细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中在下列方DNA研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。脑功能的研究工作目标是弄清人类的记忆、思维，语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。仿生学的研究这是纳米生物学的热门研究内容。现在取得不少成果。是纳米技术中有希望获得突破 性巨大成果的部分。世界上最小的

17、马达是一种生物马达 -鞭毛马达。能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转纳米陶瓷。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，其构造如同人工马达。由相当的定子、转子、轴承、万向接头等组成。它的直径只有 3onm ,转速可以高达15r/min ,可在1科s内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可 实现加速或减速。转动的动力源，是细菌内支撑马达的薄膜内外的氮氧离子浓度差。实验 证明。细菌体内外的电位差也可驱动鞭毛马达。现代人们正在探索设计一种能用电位差驭 动的人工鞭毛马达驱动器。日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以神化稼半导体作为片基。每个芯片内含4096个传感元。可望进一

18、步用于机器人。有人提出制作类似环和杆那样的分子机械。把它们装配起来构成计算机的线路单元， 单元尺寸仅Inm ,可组装成超小型计算机，仅有数微米大小，就能达到现代常用计算机的 同等性能。在纳米结构自组装复杂徽型 机电系统制造中，很大的难题是系统中各部件的组装。系 统愈先进、愈复杂，组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、 DNA、细胞等都是极为复杂的结构。它们的生成、组装都是自动进行的。如能了解并控制 生物大分子的自组装原理，人类对自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水 平。编辑本段 衍生产品机器人纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行

19、操 作的"功能分子器件”，也称分子机器人；而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。2005年，不少国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米机器人这种新科技 的战略高地。机器人时代月刊日前指出：纳米机器人潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能。用不了多久，个头只有分子大小的神 奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。中国著名学者周海中教授在1990年发表的论机器人一文中就预言：到21世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。雨衣伞纳米南4假t转换图纳米雨衣伞是雨伞与雨衣的结合体，纳米雨伞收伞有三折伞和直

20、杆伞的收伞形态（简单说，收伞时有长短两种选择 ）。纳米雨衣可由纳米雨伞转变而成，纳米雨衣又不同于一般的雨衣，因为纳米雨衣可以保证从头到脚绝对不湿。因为纳米材料，所以这雨伞可以一甩即干，雨伞转变为雨衣后，这雨衣也只需穿着时轻轻一跳也即可全干。防水材料2014年8月4日，澳大利亚运用新发明的布料，制成一款具有开创性的T恤衫，不管人们怎样尝试着浸湿它，此 T恤都能保持良好的防水性能。这件叫做"骑士 "（The Cavalier）的白色T恤是百分之百棉质的。虽然表面看起来平淡无奇，但是其布料运用“疏水”纳米技术应用编织而成，使得这件 T恤能够有效防止大部分液 体和污渍的浸入。这种

21、T恤可以用机器清洗，其防水功能最多可承受 80次清洗。它的布 料有天然自净功能，任何附着在上的污渍都能用水擦洗或冲干净。和其他含有化学物质的防水应用不同，T恤仿照的是荷叶的自然疏水特点。此布料的发明对于餐馆和咖啡厅来说可能具有革命性的影响。此外，这种布料还可以运用在医疗行 业或医院等地。潜在危害和生物技术一样，纳米科技也有很多环境和安全问题（比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统，还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等）。社会危害纳米颗粒的危害纳米材料（包含有纳米颗粒的材料）本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具 有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生

22、物或 环境有害，我们才面临一个真的危害。要讨论纳米材料对健康和环境的影响，我们必须区分两类纳米结构：纳米尺寸的粒子被组装在一个基体、材料或器件上的纳米合成物、纳米表面结构或纳 米组份（电子，光学传感器等），又称为固定纳米粒子。"自由"纳米粒子，不管在生产的某些步骤中存还是直接使用单独的纳米粒子。这些自由纳米粒子可能是纳米尺寸的单元素，化合物，或是复杂的混合物，比如在一 种元素上镀上另外一张物质的 “镀膜”纳米粒子或叫做"核壳"纳米粒子。现代，公认的观点是，虽然我们需要关注有固定纳米粒子的材料，自由纳米粒子是最 紧迫关心的。因为，纳米粒子同它们日常的对应物实在是区别太大了，它们的有害效应不能从已知 毒性推演而来。这样讨论自由纳米粒子的健康和环境影响具有很重要的意义。更加复杂的是，当我们讨论纳米粒子的时候，我们必须知道含有的纳米粒子的粉末或 液体几乎从来不会单分散化，而是具有一定范围内许多不同尺寸。这会使实验分析更加复 杂，因为大的纳米粒子可能和小的有不同的性质。而且，纳米粒子具有聚合的趋势，而聚 合的纳米粒子具有同单个纳米粒子不同的行为。健康问题纳米颗粒进入人体有四种途径 ：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入 （或由植入体释放）。一旦进入