纳米技术学习.pptx

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1、一、纳米科技的诞生二、纳米技术与纳米材料的概念三、纳米材料的特性四、几种典型的纳米材料1第1页/共79页一、纳米科技诞生一、纳米科技诞生19591959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。原子排成的“原子”字样2第2页/共79页19741974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。19821982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的

2、原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。19901990年7 7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生3第3页/共79页1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。4第4页/共79页19931993年，继19891989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、19901990年美国国际商用机器公司在镍表面用3636个氙原子排出“IBMIBM”之后，中国

3、科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。5第5页/共79页1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。6第6页/共79页2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌

4、细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。7第7页/共79页 到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础

5、研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。8第8页/共79页纳米算盘C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。硅表面9第9页/共79页纳米皇冠10第10页/共79页二、纳米技术与纳米材料的概念二、纳米技术与纳米材料的概念1.纳米技术纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在1-100nm尺度空内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。离子注入三维图像11第11页/共79页2.纳米材料纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗

6、粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。12第12页/共79页三、纳米材料的特性1.表面效应2.小尺寸效应3.量子尺寸效应4.宏观量子隧道效应13第13页/共79页1.1.表面效应表面效应14第14页/共79页2.小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下

7、会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1 1）特殊的光学性质（2 2）特殊的热学性质（3 3）特殊的磁学性质（4 4）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。15第15页/共79页3.量子尺寸效应微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。16第16页/共79页4.宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高

8、度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。17第17页/共79页四、几种典型的纳米材料纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米膜材料纳米磁性液体材料碳纳米管18第18页/共79页纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。19第19页/共79页用途：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材

9、料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。20第20页/共79页纳米固体材料纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。Fe-B纳米棒21第21页/共79页纳米膜材料纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。22第22页/共79页纳米磁性液体材料磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁

10、控特性。23第23页/共79页碳纳米管，是碳纳米管，是1991年由日本年由日本电镜学家饭岛教授通过高分电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。微米甚至数毫米。碳纳米管24第24页/共79页碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超

11、过钢丝强度，性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。能、导热性能和电性能。25第25页/共79页碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。26第26页/共79页正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领

12、域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。27第27页/共79页如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管

13、的细尖极易发射电子。用于就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。电视制造业的发展方向。28第28页/共79页把碳纳米管用作转子的纳米马达图像29第29页/共79页然而，碳纳米管作为一种新型材料然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场应用。超高的成本使国际市场9090高纯高纯度的碳纳米管价格高达度的碳纳米管价格高达1000100020002000美元美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在克，一般纯度的碳纳

14、米管价格也在6060美元克，美元克，远远高出黄金的价格。远远高出黄金的价格。30第30页/共79页纳米材料的制备技术“纳米材料”这一概念在20世纪80年代初正式形成4，它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点，而其制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。31第31页/共79页1963年，RyoziUyeda等人用气体蒸发（或“冷凝”）法获得了较干净的超微粒，并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。1984年，Gleiter等人用同样的方法制备出了纳米相材料TiO2。32第32页/共79页一、物理方法1

15、 1真空冷凝法真空冷凝法 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、粒度可控，但技术设备要求高。2 2物理粉碎法物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。3 3机械球磨法机械球磨法 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。33第33页/共79页二、化学方法1 1 化学沉淀法化学沉淀法共沉淀法共沉淀法均匀沉淀法均匀沉淀法多元醇沉淀法多元醇沉淀法沉淀转化法沉淀转化法34第34页/共79页2.化学还原法

16、水溶液还原法水溶液还原法多元醇还原法多元醇还原法气相还原法气相还原法碳热还原法碳热还原法35第35页/共79页微乳液法制备微乳液法制备Fe2O3示意图示意图36第36页/共79页纳米技术及纳米材料的应用由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。37第37页/共79页一、陶瓷增韧陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，

17、原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。纳米陶瓷38第38页/共79页二、磁性材料方面的应用巨磁电阻材料2新型的磁性液体和磁记录材料39第39页/共79页三、纳米材料在催化领域的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而

18、且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高高10101515倍。倍。40第40页/共79页1金属纳米粒子的催化作用贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双

19、键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为lnm的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。41第41页/共79页2半导体纳米粒子的光催化半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、醇、醛、酸、CO2，完成了对有机物的降解。42第42页/共79页常用的光催化半导体纳米粒子有常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相锐铁矿相)、Fe2

20、O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处：将这类材料做成等。主要用处：将这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳米纤维。锐钛矿白色纳米TiO2粒子表

21、面用粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的TiO2纳米粒子的纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；铂化的丙烷；铂化的TiO2纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。还有一个重要的应用是，纳米。还有一个重要的应用是，纳米TiO2光催化效应可以用来光催化效应可以用来从甲醇水溶液中

22、提取从甲醇水溶液中提取H2。43第43页/共79页3纳米金属、半导体粒子的热催化金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。44第44页/共79页四、纳米材料在光学方面的应用纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明，利用纳米微粒

23、的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。45第45页/共79页1红外反射材料高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的强照明，但是电能的6969转化为红外线，这就表明转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，增加照明

24、度一直是具的寿命。如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。问题提供了一个新的途径。2020世纪世纪8080年代以来，人年代以来，人们用纳米们用纳米SiO2SiO2和纳米和纳米TiO2TiO2微粒制成了多层干涉膜，微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时

25、，可节省约节省约1515的电的电46第46页/共79页2优异的光吸收材料纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：3040nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器47第47页/共79页3

26、.隐身材料由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。48第48页/共79页美国F117隐形轰炸机机49第49页/共79页美国B2隐形轰炸机50第50页/共79页五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用随着纳米技术的悄然崛起，纳米环随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保

27、也会迅速来临，拓展人类利用资保也会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善源和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。生创造了条件。51第51页/共79页1纳米技术在治理有害气体方面的应用纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01。因而，在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。52第52页/共79页2纳米技术在污水处

28、理方面的应用污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的1020倍。53第53页/共79页3纳米TiO2与环境保护由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外，还具有光催化性能，使

29、得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。54第54页/共79页（1）降解空气中的有害有机物对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等的研究结果表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米TiO2的降解效率最好，将近达到100。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。（2）降解有机磷农药有机磷农药是70年代发展起来的农药品种，占我国农药产量的80，它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题，使用纳米TiO2来催化降解可以得到根本解决。55第55页/共79页（3）处理毛纺染整废水用纳米T

30、iO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。（4）解决石油污染问题在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面，用纳米TiO2可以降解石油，解决海洋的石油污染问题。（5）处理城市生活垃圾用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2的10倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。56第56页/共79页（6）高效的杀菌剂一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。

31、利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。57第57页/共79页58第58页/共79页被称之为被称之为2121世纪前沿科学的纳米技术将世纪前沿科学的纳米技术将对环境保护产生深远的影响，有着广泛对环境保护产生深远的影响，有着广泛的应用前景，甚至会改变人们的传统环的应用前景，甚至会改变人们的传统环保观念，利用纳米技术解决污染问题将保观念，利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。成为未来环境保护发展的必然趋势。59第59页/共79页六、纳米技术在生物工

32、程上的应用众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的计量子计算机。美国南加州大学的AdelmanAdelman博士等应用基于博士等应用基于DNADNA分子计算技

33、术的生物实分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题“哈密顿路径问题哈密顿路径问题”，使人们对生物，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。60第60页/共79页三、纳米技术对生物科学的影响1、生物电脑电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。科学家发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的电脑称为蛋白质电脑，或称为生物电脑。利用蛋白质团已开发出的开关装置有：蛋白质芯片、遗传生成芯片、血红

34、素芯片。61第61页/共79页特点：用蛋白质制造的电脑芯片，在1mm2面积上可容纳数亿个电路，存储量可达普通电脑的10亿倍；其集成电路大小只相当于硅片集成电路的10万分之一，且运转速度更快，大大超过人脑思维速度。生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低且具有生物的特点，具有自我组织和自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合，听从人的指挥，从人体中吸收营养。把生物大脑植入人的体内，可以使盲人复明，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体质增强，使残疾人重新站起来。62第62页/共79页生物集成电路的制作方法，在技术上也有所突破。目前采用的方法把聚赖氨酸分布在玻璃基

35、底上，形成单分子层，再在上面涂一层塑料绝缘膜。然后用电子计算机控制的狭窄的一束聚焦的X光束或电子束，在该簿膜上画出一条条互相平行的条纹。条纹的宽度几十纳米，条纹之间的距离为200250纳米。用酒精把光束照射的那部分塑料溶解掉，蚀出一条条缝隙，让赖氨酸分子从缝隙中暴露出来，把另一种蛋白质“嫁接”上去。如果聚赖氨酸的特性符合设计要求，就可以涂上传输电脉冲所需的金属(如银)。这就是生物集成电路，其体积在1cm3之内，其记忆可溶纳一个大型电子计算机的记忆装置，应用前景十分诱人。63第63页/共79页DNA电脑更为诱人。其原理是，DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子之间可以在某种酶的作用下瞬间

36、完成生物化学反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。如果控制得当，那么就可利用这种过程制成一种新型电脑，具有运算速度快、存储容量大、耗能极低的特点。生物电脑可实现模糊推理和神经网络运算功能，是智能计算机的突破口之一。64第64页/共79页神经电脑：人脑有140亿神经元及10亿多神经节，每个神经元都与数千个神经元交叉相联，它的作用相当于一台微型电脑。用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络，就构成了神经电脑。它具有联想、记忆、视觉和声音识别能力。日本富通研究所开发的神经电脑，每秒更新数据速度近千亿次。日本电气公

37、司推出一种神经网络声音识别系统，能识别任何人的声音，正确率达99.8%。美国研究出由左脑和右脑两个神经块连接而成的神经电脑，右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适用于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。现在，纽约、迈阿密和伦敦的飞机场已经用神经电脑来检查爆炸物，每小时可查600700件行李，检出率为95%，误差率为2%。65第65页/共79页2、纳米级的生物工程产业以微生物技术、酶技术、细胞技术、基因技术为主导的新型纳米农业生产体系即将形成，微生物工业产业将兴起。生物纳米技术是以生命科学为基础，生物体系，就是生物组装、细胞、酶等，采用工程技术原理，向人

38、类提供商品或提供社会服条的综合性科学技术。将逐步出现以动植物工程、药物及疫苗、蛋白质工程、细胞融合、基因组、生物芯片及生物智能机等为基本内涵的生物工程产业，使人类生产和生活发生巨大的变化。66第66页/共79页3、对付害虫的微型“杀手”美国一家研究所正在追踪监视逐渐向北迁移的巴西“杀人蜂”。在捕获的蜂的背部粘上一个微芯片和一个红外线发射器，然后释放，研究其习性，试图阻止其迁移。这是最小的“间谍武器”，用于对付昆虫。未来开发的纳米级的微型装置，是一个类似整个昆虫形状的微型智能机械“虫”，不仅可以预报虫害情况，也可以大量杀死害虫。67第67页/共79页4、医用的微型机械人小人国的童话故事听了不少。

39、如今用特制超细的纳米材料制成的“纳米机械人”，可以进入人的血管和心脏，完成医生不能完成的血管修补，清除心脏动脉的脂肪沉积物，疏通脑血管中的血栓等“细活”。因其体积很小，对人体健康不会产生影响。瑞典一大学研究出一种能移动单细胞或捕捉细菌的机械人，外型似人的手臂，其肘部和腕部很灵活，有24个手指。这种机械人能在血液、尿液和细胞介质中工作。如用杀菌的分子机械人与病菌“决斗”，又将无数台分子摄像机械放入血管中，进行现行现场拍摄，其真实性则大大超过人们用电脑合成的仿生动画片。有的科学家用磁性纳米颗粒，成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞，已在治疗人骨髓癌的临床实验中获得成功。还有，用纳米药物来阻断血管饿死

40、癌细胞等等。68第68页/共79页5、“纳米生物导弹”军事上的导弹，既然识别目标，又能摧毁目标。所谓“纳米生物导弹”，就是具有识别肿瘤细胞和杀死肿瘤细胞双重功能的药物。一旦进入体内，便随血液流动，专门寻找癌细胞进行攻击，而不损伤其他正常细胞。首先制备出多种抗肿瘤的单克隆抗体，再在抗体上装上杀死肿瘤细胞的武器药物，如白喉毒素分子、蓖麻毒素、相思豆毒素等一类毒蛋白与抗肿瘤的单克隆抗体相联。69第69页/共79页我国科技工作者从1982年开始，从事生物导弹的研究，他们用丝裂霉毒素与抗肿瘤抗体偶联，其药性比原来的提高100200倍，在动物身上进行试验，取得了明显的疗效。治疗肿瘤患者，其中75%的患者收

41、到良好效果，有的患者经治疗后肿瘤几乎消失。根据临床的经验，此方法对肝癌、肺癌、鼻咽癌、卵巢癌、乳腺癌、肠癌、膀胱癌等都有较理想的疗效。70第70页/共79页6、人造血浆医疗上输血，需要大量的血液。由于献血人数有限，血库经常紧缺。全球面临的另一个大难题是血库污染，输血传染上肝炎、艾滋病，累见不鲜。在美国，通过输血传播艾滋病的发病率，在过去的10年里至少有9000例。我国每年需血量为800吨，若按目前我国每单位新鲜血液400元计，则至少有16亿元潜在市场。为了解决血浆缺乏问题，我国有关企业研制开发人造血浆。以全氟溴烷为原料，研制开发具有携氧功能的人造血液、器官灌注和保存液等产品。71第71页/共7

42、9页全氟碳化合物是一种化学隋性与生物隋性的有机化合物。一方面，它对气体有非常高的溶解度，可以使其成为身体呼吸系统与细胞组织中进行气体传输的媒介；另一方面，由于对射线的不透过性，可作为造影剂。合成的全氟溴烷，可解决人造血浆、造影剂、器官灌注与保存液的需求。72第72页/共79页纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。现电子学上的又一次革命。73第73页/共79页如

43、果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家在在10日出版的英国日出版的英国自然自然杂志上报告说，他们用杂志上报告说，他们用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为为“燃料燃料”控制这种镊子反复开合。控制这种镊子反复开合。74第74页/共79页七、纳米科技在其他方面的应用1.医学使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度

44、上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。75第75页/共79页纳米机器人纳米机器人 采用纳米大分子：“生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。76第76页/共79页总总 结结纳米科学是一门将基础科学和

45、应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代，纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。77第77页/共79页纳米材料是近几年来最受关注的新材料之一，其重要意义越来越为人所认识。已有人预言“本世纪五十年代重视微米技术的国家，现在都取得了很大的发展，同样，现在重视纳米科技的国家，将在二十一世纪获得高速发展。”IBM的首席科学家Amotrong也曾十分肯定的指出：“正像七十年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下世纪信息时代的核心。”78第78页/共79页79感谢您的观看！第79页/共79页