纳米材料的优异物理特性

材料是人类进步的标志，材料、能源、信息曾认为是现代文明的三大支柱 纳米材料及纳米技术 1.​ 相关概念 1.​ 纳米 2.​ 纳米技术 3.​ 纳米材料 2.​ 纳米材料及技术的发展 1．​ 自然中存在及人工最早制备的纳米材料 2．​ 纳米科技的诞生 3．​ 当今世界出现的“纳米热” 3.​ 我国纳米材料及科技的研发现状 1.​  在我国召开的标志性纳米会议 2.​ 我国取得的标志性成果 3.​ 我国的研究现状 4.​ 纳米材料的优异性能及应用 1.​ 纳米材料的常见物理特性 1)​ 表面效应 2)​ 小尺寸效应 3)​ 量子效应 2.​ 在信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 和生物医学工程中的应用前景 1)​ 纳米分子开关及纳米计算机的研制 2)​ 纳米材料及技术在生物医学上的应用 五．“纳米”还不是 “大米” 1．​ 现今市场上所谓的纳米产品 2．​ “纳米”走出实验室的路还很长 一．纳米的有关概念 人类将世界划分为：宏观、介观、微观。 纳米（nanometer）是一个极小的长度单位：1nm=10-9m , 1纳米是1米的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨—个排起来的长度，人的一根头发丝的直径相当6万个纳米。物质结构的最小单元是原子，一纳米相当于五个原子并排起来的长度。那么原子有多大？打个比方，把一个原子放大一亿倍。它的大小就如一乒乓球，把一乒乓球放大一亿倍，它的大小就如月球。红血球的尺寸为6000-9000纳米，细菌为2000-3000纳米，病毒为几十纳米，纳米在物理上虽然是一长度单位，但是在纳米科技中却具有更深层次的意义，它不仅意味着空间尺度，而且提供了一种全新的认识方法和实践方法， 纳米技术的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ：在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。它的出现标志着人类认识改造自然的能力已延伸到了一个新的层次，标志着人类科技已经进入了一个新时代——纳米时代。 纳米科技是一门多学科交叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高新技术，纳米科学几乎涉及了现有所有科技领域，1993年，国际纳米科技委员会将纳米科技分为纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学和纳米计量学等6个分学科，纳米技术将成为21世纪的主导科技。 纳米材料是纳米科技的重要组成部分，由尺寸为1-100nm的超微粉组成的固态或液态材料。可分为两个层次，即纳米微粒和纳米固体或液体。 二．纳米材料及技术的发展 1.自然中存在及人工最早制备的纳米材料 ​ 在广博的自然界、生物界中早已充满了纳米科学的内涵。量子力学的奠基人薛定谔在《生命是什么》一 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 中指出：生命活动是由分子机器实现的,酶是一种分子机器，它能打断化学键而使分子重新组合，DNA可以作为存储系统，把命令转移到核糖体中，而核糖体这种分子机器可以制造蛋白质分子。在坚硬的牙齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶。广义地说 ，动植物按最微基准来定义，就是纳米机器的组合体。蜜蜂、螃蟹、海龟的体内具有纳米磁性粒子。 ​ 中国古代利用燃烧的蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料，用于着色的染料等。 ​  1861年胶体化学出现，并随之人们逐渐对直径为 1-100nm 的微粒进行研究。 ​  70年代末80年代初，人们对纳米微粒的结构、形态和特性进行了较为系统的研究。 2.纳米科技的诞生 ​  纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microsocopy)发明为先导的。该仪器是1981年由美国的IBM公司在苏黎世实验室的教授G.Binning和H. Rohrer博士发明的。这是目前为止进行表面分析最精密的仪器，可以直接观察到原子，横向分辨率为0.1nm,纵向分辨率为0.01nm。 ​  1990年7月在美国巴尔基摩召开了国际第一届纳米科学技术会议。这次会议标志着纳米科技领域的正式形成。 ​  1992年9月在墨西哥召开了国际第一届纳米结构材料会议。正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公布于世。每两年召开一次，1994年在德国召开了第二届，第三届在美国的夏威夷召开，1998年在瑞典召开第四届，2000年在日本的仙台召开第五届。 3.现今世界出现的“纳米热” 如今街谈巷议大有言必谈纳米之势，近来科学家们纷纷预测：“纳米技术将是21世纪科技革命的生力军”。“纳米技术将像微电子技术引发科技革命一样成为21世纪信息时代的核心。” 美国制定了纳米技术战略。它与21世纪信息技术战略并列为最优先研究开发的重点。 2000年1月，美国政府发布了《国家纳米技术计划》，此计划被认为是面向未来的重大战略举措。美国科学技术委员会2000年3月正式向美国政府提出报告，称纳米技术将成为21世纪前20年的主导技术，成为下一次工业革命的核心。克林顿政府迅速做出反应，于7月间在原批准的研究经费5亿美元的基础上又增加了三倍拨款。日本政府在其“2001年度科学技术振兴重点方针”中，把纳米技术列为重点，并成立了专门机构。西欧对纳米技术的投入也已达数亿美元，还将纳米技术列入欧盟2002至2006年科研框架计划。可以说德、日、英、法等国均已将纳米研究列入国家重点发展领域。美、日、欧形成了一个“纳米技术大合唱”的阵势。 三．我国纳米材料和纳米技术的发展： 1．在我国召开的标志性纳米会议 ​ 1991年11月召开了纳米科技发展战略学术研讨会。与会者统一了认识，认为纳米科技是正在兴起的跨实际的战略性科技领域，纳米科技处于重大突破时期，对有重大应用前景的实验室小试成果转化为生产力，并在会上制定了纳米科技发展战略对策，将纳米材料的制备及性能的研究列为“八五计划”重点项目。 ​  1993年8月STM‘93国际会议在北京召开。江泽民会见了与会的包括STM发明者之一H。Rohrer在内的专家 ，回国后，在给江的信中说，纳米科技现在已经具有了与150年前微米科技所具有的希望和重要意义，150年前微米成为新的精度 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，奠定了工业革命的基础。最早和最好学会使用微米科技的国家，都在工业发展中战局了巨大的优势，同样，未来的科技将属于那些明知地接受纳米作为新标准并首先学习和使用它的国家。我们应当记住，微米技术曾同样地被认为对使用牛耕地的农民是无关紧要的，的确，微米技术与牛和耕梨毫无关系，但它却改变了耕作方式，因为微米技术给我们带来了拖拉机。 ​  在1995年召开的材料科学中的前沿问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研讨香山会议中就将纳米材料的有关问题作为主要内容。 ​  1996年在中国召开了第四届纳米科技学术会议。 2．我国取得的标志性成果 ​  中科院化学所的白春礼研究员等研制出STM，并用其进行了石墨表面刻蚀，刻出线宽为10nm的“中国”字符。 ​  中科院北京真空物理实验室研究了一种新的表面原子操纵方法，在室温下，成功地在单晶硅表面上提走硅原子，形成宽度为2nm（3-4个硅原子）的线条。同时，他们还实现了原子可提，可植的有序移植原子技术。 还用扫描隧道显微镜获得了硅原子字“毛泽东” 近期的成果 ​ 去年年底，一种几乎与人的自体骨以假乱真的高科技骨置换材料——纳米人骨问世，并顺利通过了国家863项目的验收。纳米人工骨是川大生物医学工程学科博士生导师李玉宝教授历时3年研究成功的。由于纳米人工骨具有优异的生物相融性、力学相融性和生物活性，所以它不但能与自然骨形成生物性骨键合，极易与人体肌肉和血管牢牢长在一起，并可诱导软骨生成。 ​  2001年初，中国科技大学的研究人员在国际上首次直接拍摄到了能够分辨出化学键的碳—60单分子图像，这种单分子直接成像技术为解析分子内部结构提供了有效的手段，使科学家人工“组装”新物质分子成为可能。这为“切割”和重新“组装”化学键，设计和制备单分子级的纳米器件奠定了坚实的基础。 ​ 近期，中南大学湘雅医学院肝胆中心张阳德教授课题组利用纳米技术攻克肝癌的动物实验日前获得成功。一只患有肝癌的老鼠在接受了高性能磁性阿霉素纳米微粒治疗后，其大部分癌细胞被抑制、杀死，肿块消失 ​ 我国纳米研发现状细览 我国在作纳米科技规划布局时不仅重视近期、易出有显示度工作的领域，同时更重视那些带有根本性、规律性科技问题的研究。往往后者的突破会带来革命性的变革，美国总统顾问尼尔.莱恩指出：“（纳米）技术并不只是向小型化迈进了一步，而是迈入了一个崭新的微观世界，在这个世界中物质的运动受量子原理的主宰。” 从某种意义来说纳米技术就是人工造构的、具有量子效应的结构技术。从一开始它就是以量子论主宰世界为前提的科学技术。虽然21世纪不断被称为“生物工程时代”、“光时代”和“高度信息化时代”如此等等，但是无论哪种称谓，其技术关键都是量子效应，这也是纳米技术是有可能引起计算机革命、材料革命、光革命甚至生物工程革命的原因。因此，我们十分重视纳米科技在量子物理层面上的研究，具体来讲就是要重视例如纳米量子结构、量子器件及其集成技术的基础研究。 ​ 我国纳米材料研发力量分布      我国政府对纳米材料及纳米技术的研究一直给予高度重视，国家和各地方通过“国家攻关计划”、“863”计划、“973”计划的实施，积极投入力量和资金，使中国纳米的研发水平获得了很大的发展。 ​     中国纳米材料和纳米技术的研究，已初步形成以各具特色的两大纳米研发中心——北方中心和南方中心为核心，辐射四周的格局。     北方纳米研究开发中心以北京为中心，包括中国科学院的纳米科技中心、化学所、物理所、金属所、化冶所、感光所、半导体所，以及北大、清华、北京建材科研院、北京钢铁研究总院、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、天津大学、南开大学、吉林大学等；南方纳米研究开发中心以上海为中心，包括中国科学院的冶金所、硅酸盐所、原子核所、固体物理所、上海技术物理所，以及上海交大、复旦、同济、华东理工大学、华东师范大学、中科大、浙江大学、南京大学、山东大学等单位。除上述两大中心外，西北的西安、兰州，西南的成都以及中南的武汉等也在该领域有所建树。     北方中心的主要研究领域包括碳纳米管、纳米磁性液体材料、纳米半导体、纳米隐身材料、高聚物纳米复合材料、纳米界面材料、纳米功能涂层、纳米材料的制备技术、纳米功能薄膜；南方中心则在纳米医学、纳米电子、纳米微机械、纳米生物、纳米材料、纳米材料制备与应用及产业化等领域具有较强的优势。         从系统分布上分析，纳米研发的主要力量集中在高等院校和中科院系统，这两部分的科研力量占整个中国纳米研发力量的90％以上；另外，也有部分企业介入了纳米材料及技术的研发领域，但力量薄弱(约占5％)，而且层次不高。     从人员结构上分析，中国现有纳米材料及纳米技术的研究人员有4500余人，其年龄结构比较合理，学历背景也非常过硬，70％以上的纳米科研人员拥有硕士以上学位，拥有博士、高级职称的约占30％，拥有硕士、中级职称的约占40％。     从研究的领域分析，现有纳米材料的研究，主要以金属和无机物非金属纳米材料为主，占80％左右，高分子和化学合成材料也是一个重要方面。但在较低层次的纳米材料领域，集中了一半以上的研发力量，而在纳米电子、纳米生物医药方面，则力量薄弱。 四．纳米材料的优异特性及应用 1．纳米材料的几种物理特性 纳米结构材料的优异特性是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。当宏观大的物体细分成超微粒子的时候，在一定的尺寸下，它显示出许多奇异的特性。即它的力、热、光、磁，化学性质与传统固体相比显著不同。通过研究发现超微粒子的特殊性质主要取决于它的表面效应，小尺寸效应和量子效应。 1)​ 表面效应：表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度地增加，比表面积（表面积/体积）增大，粒子的表面能和表面张力也会随之增加，从而引起纳米粒子性质的变化。纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键并具有不饱和性，因而极易与其它原子相结合趋于稳定，具有很高的化学活性。刚做出来的金属超微粒子如果不经过钝化在空气中可能自燃。 ​ 由于表面活性高，利用它的表面活性特点，金属超微粒子可以做成新一代的高效环境友好催化剂和储氢材料。在火箭发射的固体燃料推进剂中添加约1%（质量）的超微铝或镍，燃料燃烧热增加约1倍。 ​ 纳米ZnO、TiO2等半导体纳米粒子的光催化作用在环保健康方面有广泛的应用。利用这些化合物半导体在紫外线和可见光的辐照下产生光生电子和光生空穴来参与氧化-还原反应，从而达到净化空气和降解污水中多种有机物的目的。 ​ 利用它的大表面比作成敏感材料，如气、湿、光敏器件。这种传感器的优点是敏感度比体材料好得多，体积小，用量也少。 2)​ 小尺寸效应 当超微颗粒尺寸不断减少，在一定的条件下会引起材料的宏观物理化学性质的变化，称为小尺寸效应。 A.​ 对力学性质的影响：传统陶瓷呈现出脆性，由纳米超微粉制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。由于超微粉具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。 B.​ 特殊的热学性质：由于在纳米尺寸下，可以说材料的空间维数减少，表面能增大，金属纳米材料的熔点减少。块状金的熔点为1064 ℃，当变成10nm时，为1037℃ ，2 nm 时为327℃。银的熔点可由690℃ 降到100℃ 。因此，银超细粉制成的导电浆料可在低温下烧结。这样元件基片不必采用耐高温的陶瓷，而可采用塑料。这种浆料做成膜既均匀、覆盖面大，又省料、质量好。 C.​ 特殊的光学性质：金属超微粉对光的反射率很低，一般低于1%，几乎所有的金属材料在细到小于光波的波长时（几千个埃）会失去原有的金属光泽，呈现黑色。尺寸越小，颜色越黑。利用此特性可以做高效的光热，光电转换材料，同时，还可以做防红外，防雷达的隐身材料，例如，用纳米铁氧体微粒制成的吸收波材料在国防军事上有很大的应用，美国已在这方面将此实用化了，1991年海湾战争中，美国的隐身战斗攻击机F-117A共执行任务1270次，无一损伤， D.​ 特别的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大块材料强许多倍。 20nm 的磁性氧化物的矫顽力是大块铁的1000倍，但当尺寸再减少的时候，其矫顽力反而又降低了成为超顺磁性。利用超微粒子具有的高的矫顽力的性质，已做成了高储存密度的磁记录粉，用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等。如果磁光盘一旦进入纳米级，它的信息储存量将为现有光盘的10 6倍。 量子磁盘 　　计算机中具有存储功能的磁盘的发展总趋势是尺寸不断减小，存储密度快速提高。一般磁盘存储密度为106 ～107比特/英寸2。光盘问世以后，把存储密度提高到了109比特/英寸2。由于受到材料的限制，一度认为1011比特/英寸2是磁盘存储密度的极限。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，磁盘尺寸为100纳米，它是由直径为100纳米，长度为40纳米的钴棒按周期为40纳米排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而人们把这种磁盘称为量子磁盘。它的存贮密度达到了4 *1011比特/英寸2。这种量子磁盘预计将在2005年进入实用化阶段。　高密度记忆存储元件发展趋势是降低元件尺寸，提高存储密度。铁电材料，特别是铁电薄膜是设计制造记忆存储元件的首选材料。目前，国际上实用记忆存储元件的存储密度最高水平是4兆比特/英寸2。日本NEC公司已经把记忆元件的尺寸缩小到700纳米 ,但是仍然不能满足下一世纪信息产业的要求。1998年，德国微结构物理研究所利用自组织生长技术在铁电薄膜中合成了纳米氧化铋有序平面阵列，记忆元件尺寸比NEC公司的产品小了50倍，达到了14纳米，芯片的存储密度达到了10兆比特/英寸2。纳米结构有序平面阵列体系已经成为设计下一代超小型、高密度记忆元件的重要途径。 3）量子效应：孤立原子的能级是分立的，能量是量子化的。当原子形成固体之后，由于晶体周期场的影响，分离的能级形成能带。后来日本科学家在研究金属粒子理论时发现由于超微粒子中原子数的减少，电子能级类似孤立原子中的能级, 变为不连续,能带中能级间隔加大。当能隙大于它具有的热能、电磁能时，超微粒子就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的性质，称之为量子尺寸效应。 金属导体可能变成半导体甚至绝缘体。对半导体材料来说，由于尺寸的减少，价带和导带之间的能隙增大，光吸收或者发光带的特征波长也不同于传统材料。尺寸减少，发光带的波长向短波移动，这种现象称为“蓝移”。 4）量子隧道效应：电子具有粒子性也具有波动性，因此存在隧道效应。近年来科学家发现纳米颗粒也具有隧道效应，属于宏观量子隧道效应。 这两个量子效应将是未来微电子、光电子器件的基础。 ​ 目前，最精细的电子线路宽约为1微米，为头发丝的1%，经典电路的极限尺寸约为0.25um，要将电路进一步微型化就很困难，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就会通过隧道效应而溢出器件。 ​ 利用量子效应开发新技术和新装置。电路依靠单个分子改变位置或形状，就能储存信息。或者做成分子开关。 分子开关的研制及单电子和单分子晶体管的研制 1995年日本科学家率先在实验市里研制成功单电子晶体管，其使用硅和二氧化钛的纳米尺寸达到了几个纳米。，近一两年，美国的大学也制造了在室温下就具有单电子隧道效应的单电子晶体管。美国IBM公司在美国时间2001年4月27日就宣布用炭纳米管加工出了晶体管阵列。与硅晶体管相比，其尺寸只有硅的1/500大小。IBM的新技术使得原来认为不可能实现的批量生产纳米管晶体管成为可能。该公司于美国时间8月26日宣布，其研究小组采用碳纳米管成功地开发出了计算机逻辑电路（NOT门）。单分子（single-molecule）逻辑电路“在世界上尚无先例。 ​  以色列科学家近日宣布，他们成功研制出一种纳米级DNA计算机。一根试管可容纳一万亿个此类计算机，运算速度达到每秒10亿次，精确度高达99.8%。据《自然》介绍，该计算机是世界上第一种由DNA分子构成全部输入输出部件和软件的可编程独立计算机器。数据以一条DNA链中的分子对表达，负责代码读取、复制和操作的则是作为硬件的两种天然酶。当软硬件混合在试管中时，可对“输入分子”进行操作，然后生成“输出分子”。DNA计算机耗能极小，非常适合植入细胞运行。这种计算机将有很广阔的应用范围。例如作为监视装置植入人体细胞，当检测到潜在的病变时自动合成有针对性的药物予以治疗；DNA计算机还能以并行而非顺序的方式筛选DNA资料库，从而大大提高检索效率。 生物计算机的主要材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此做为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的方式传播，运算速度要比当今最快的一代计算机快10万倍左右，能量消耗仅为普通计算机的几亿分之一，而存贮信息空间仅占百亿分之一。制造生物计算机，纳米技术扮演着很重要的角色。世界上第一台生物计算机是美国于1994年11月在实验室研制成功的。可以预见，不久的将来，生物计算机一定能进入实用化阶段，将对未来世界产生巨大的影响。而生物计算机和纳米机器人的结合将是科研工作者更高层次上的追求，是人类改造自然、改造宇宙的一个新的目标。 　　　　 2.在医学和生物方面的应用 纳米医学对于医学的发展具有深刻的含义,对于研究疾病的诊断和治疗具有重大的意义。         疾病诊断上的初试         1.影像学诊断         一种新型的纳米影像学诊断工具“光学相干层析术(OCT)”于1997年12月由清华大学研制成功,OCT的分辨率可达1个微米级,较CT和核磁共振的精密度高出上千倍。它不会像X线、CT、磁共振那样杀死活细胞。         有了如此准确的依据,人们或许有办法把疾病“扼杀在萌芽状态”,而不必等到生命的尾声才被CT或磁共振检查出癌组织病变。         2.实验室诊断         一种具有超高灵敏性激光单原子分子探测术问世了,它可通过人的唾液、血液、粪便以及呼出的气体,及时发现人体中哪怕只有亿万分之一的各种致病或带病游离分子。        3.植入传感器诊断         利用纳米级微小探针技术,可向人体内植入传感器,根据不同的诊断和监测目的,可定位于体内的不同部位,也可随血液在体内运行,随时将体内的各种生物信息反馈于体外记录装置。此项技术有可能成为21世纪医学界常用的手段。         4.病理诊断方面         目前肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法,但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力显微镜可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常纳米结构改变,以解决肿瘤诊断的难题。如:红细胞、巨噬细胞、食管上皮细胞、骨母细胞、精细胞、血管内皮细胞、腹膜巨噬细胞、神经母细胞、纤维母细胞、肝内皮细胞、单核细胞、神经细胞、脊椎细胞、胶质细胞、淋巴母细胞、肾上皮细胞等,以及牙龈组织、骨组织、角膜组织、巩膜组织、胃腺体的表面结构等。         5.遗传病诊断方面         为判断胎儿是否具有遗传缺陷,以往常采用价格昂贵并对人体有损害的羊水诊断技术。如今应用纳米技术,可简便安全地达到目的。妇女怀孕8周左右,在血液中开始出现非常少量的胎儿细胞,用纳米微粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。         6.癌症的早期诊断         中国医科大学第二临床学院把纳米级微粒应用于医学研究,完成了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究。运用这项研究成果,可以发现直径3毫米以下的肝肿瘤。这对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。         治疗疾病显身手         1.在基因治疗方面         基因治疗所面临的最大挑战是,首先要找到病变细胞的DNA链,并进一步明确有病的DNA片段,然后,利用纳米技术,将用于治疗的DNA片段送到病变细胞内,替换有病的DNA片段。这就需要将DNA浓缩至50-200nm大小且带上负电荷,才能进入细胞核内。用于治疗的DNA插入细胞核内有病的DNA的准确位点取决于纳米粒子的大小和结构。         2.在器官移植方面         纳米所要做的是寻找生物兼容物质。在器官移植领域,只要在人工器官外面涂上纳米粒子,就可预防人工器官移植的排异反应。生物兼容物质的开发,是纳米材料在医学领域中的一个重要应用。         3.在开发新药方面         纳米级粒子可使药物在人体内的传输更为方便。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。       美国麻省理工学院的研究人员最近研制出“微型药店”:一个微型芯片(可植入或吞服)中包含了多达一千个微型药库——每个如针尖般大小,可容纳25毫微升药物。这种“微型药店”可“出售”止痛药、抗生素等多种药物。         不久前,我国已成功地研制出纳米级的新一代抗菌药物。这种粉末状的纳米颗粒直径只有25纳米,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物有强烈的抑制和杀灭作用,还具有广谱、亲水、环保等多种性能,并因使用天然矿物质而不会产生耐药性。         科学家目前正在研制一种糖尿病患者专用的超微型传感器,这种传感器会模拟健康人的葡萄糖检测系统。它可植入患者皮下,监控血糖水平,然后按需要释放胰岛素。         4.在肿瘤治疗方面         研究人员将极其细小的氧化铁纳米颗粒,注入患者的癌瘤里,然后将患者置于可变的磁场中,使患者癌瘤里的氧化铁纳米颗粒升温到45～47摄氏度,这温度足以烧毁癌瘤细胞,而周围健康组织不会受到伤害。另外,将磁性纳米颗粒与药物结合,注入到人体内,在外磁场作用下,药物向病变部位集中,从而达到定向治疗的目的,将大大提高肿瘤的药物治疗效果。         有科学家设计了一种“聪明”的炸弹,它通过认读癌细胞的化学“签字”,把癌细胞做为靶细胞,该炮弹小到约20纳米,能进入单个细胞并把它炸得片甲不留。         5.纳米机器人的开发与治疗疾病，纳米级机器人可遨游于人体微观世界,随时清除人体中的一切有害物质,激活细胞能量,使人不仅仅保持健康,而且延长寿命。         1)动脉粥样硬化的治疗机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物。  这不仅会提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的血液流动状况得到改善。         2)血栓和栓塞的治疗 血栓会在人体的要害部位阻塞血流,导致重要脏器的损伤。纳米机器人可以在这些血凝块尚处在流动中时,把它们打成小碎片,使对机体的损伤大大降低。         3)肾结石的治疗 将纳米机器人以插入导管的方式引入到尿道内,直接到达肾结石所在的部位,并且直接把结石击碎。这可以通过直接应用超声波的方法来完成,也可以应用激光或者其他高强度的局部加热的方法来击碎结石。         4)肝结石的治疗 上述类型的纳米机器人也可以进入胆管,同样可以用来击碎肝结石。         5)痛风的治疗 血液中的纳米机器人可以在血流中把痛风结晶物击碎,再让血流把碎片清除。当然,这并不会阻止疾病的复发,但是它会在一定的时间内减轻症状。         6)烧伤和创伤的清除 纳米机器人还可以用来清除创伤和烧伤。它们的大小使它们在清除切割伤和刺伤的垃圾和异物时变得很有用,在烧伤时也是这样。它们可以从事比常规技术更复杂、损伤更小的工作。         7)清除寄生虫 纳米机器人可以用来清除人体内的其他微生物。它们很适宜清除这样的寄生虫,如:心脏蠕虫(在宠物体内要比人体内多)、肝脏血吸虫(只存在于人体内)等。         8)清除或者摧毁肺脏等处的焦油 纳米机器人对于治疗肮脏的肺脏十分有用。这项工作是从肺泡表面清除焦油颗粒及其他的污染物。这就要求纳米机器人能够在肺脏内、肺泡表面、黏液层上和肺内的纤毛上移动。         9)自身组织的构建和修复 纳米机器人从组织水平的修复进展到细胞内部水平,细胞修复仪比一个细胞小得多,工作起来像“纳米医生”,到达细胞,感受到损伤部位,修复它们,关闭细胞。它可以重建和加强血管的结构、修复关节、加强骨组织、去除瘢痕组织、用天然牙本质和牙釉质填充牙齿。         虽然纳米医学刚刚问世,但其发展的巨大潜力已经明示在我们的面前。对人体疾病的探索从肉眼观察的器官水平,到光学显微镜观察的细胞水平,再到电子显微镜观察的超微结构水平的发展过程中,每一步前进虽然都带来过一次飞跃,但疾病对人类的威胁依然存在,我们对疾病的征服还远远未能达到理想的水平。应用“纳米”这把微观世界的钥匙,打开疾病奥秘大门的日子已经离我们不远了。 五．纳米还不是“大米” 1．对现今市场上的纳米产品的冷静认识 纳米冰箱、纳米空调、纳米洗衣机、纳米热水器……现今的产品广告以及大商场的家电市场悄然流行起一种“纳米保健”的新概念。继信息技术、基因重组等之后，纳米一时间成了商家点石成金的法宝。纳米时代似乎正随着高科技的浪潮汹涌而来。此间的纳米专家不无忧虑地指出，商家盲目炒作纳米概念不仅不会加速纳米时代的到来，相反只会阻碍钠米技术的发展。据资料显示，到2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业，拥有14400亿美元的市场份额。美好的市场前景确实令人鼓舞。几乎与此同时，国内精明的厂家应声而动，相继推出了新款的纳米家电、纳米纺织品、纳米卫生洁具等，纷纷把纳米技术作为新的卖点。在经历了较长时间的价格竞争、市场份额竞争之后，纳米技术再次成为众商家手中一个诱人的金苹果。  目前国内巳有200多家企业高举“纳米”大旗，家电行业的反应尤其迅速。据了解纳米 洗衣机目前已批量投放市场。有资料显示，国内一个知名品牌的“纳米”洗衣机已生产出四种款型．价位在2700元至3900多元，均比普通滚筒洗衣机价格要高。这种纳米洗衣机问世不过几个月，就以其净水无污染的新科技概念占据了近10%的市场份额。山东省纳米材料工程技术研究中心主任崔作林教授从科学的角度指出，目前社会上已出现对纳米商业炒作的不良倾向：一是趁大众对纳米的内涵还不太清楚，给自己的产品挂上“纳米技术”的牌子，以眩人耳目；二是厂家只做了一点点皮毛的工作就随意夸大。当前大部分产品是微米级的，比纳米扩大了1000倍。厂家为了寻找新的卖点，给产品帖上“纳米”的标签，摇身一变就成为具有纳米优质特性的新概念产品。 真正的纳米家电产品确实存在，但目前都只限于实验室阶段。有些厂家做了一点点皮毛的工作（例如涂料里加些细粒、织物里加点微粉等），就自称对纳米技术的发展有“突破”；有的还进行虚假预测，企图使股民买其股票。 “纳米洗衣机”只能说是添加了纳米材料的洗衣机，纳米材料还只是应用在了滚筒洗衣机外桶的内壁上，而对于最容易产生污垢的内桶的外壁还没有很好的解决办法，因为纳米材料不能单独附着在金属的表面，它需要用二氧化硅作为载体并用三氧化二铝作为稳定剂，才能保证银离子持续、稳定地向外释放。如果硬要在光滑如镜的不锈钢内胆外壁挂上纳米材料，还需要克服甩干时产生的巨大离心力以及材料表面的张力才有可能办到，这在经济上是很不划算的事情。另外，如果在全自动滚筒洗衣机的塑料桶上使用纳米材料，在技术上也存在着诸多困难。所谓“纳米冰箱”，也只不过是添加了氧化钛的纳米无机物，产生了一定的抗菌性能。纳米技术在护肤品的应用 主要是通过透皮吸收速率实现护肤物质的充分利用，对于化妆品来说透皮吸收是一个技术关键点，北京中阳德安医药科技有限公司的纳米化改性技术革命性的解决了这一技术难题。成功的开发了纳米改性技术在外用药物制剂中的应用，并成功地在纳米改性维生素E的基础上开发出了纳米化妆品的基础系列产品（Vn纳米基础护肤系列化妆品）。 如何鉴别纳米技术呢？真正的纳米技术必须具备两个条件，二者缺一不可：一是纳米尺寸，二是自然界里所没有的新物性。“伪纳米”一般来说都沾了第一条的边，但是它的纳米尺寸没有表现出自然界里所没有的新物性——既不同于微观分子、原子，又不同于宏观物体的物理性质。例如所谓的“纳米粉”就是借纳米的炒作，因为它没有新的物性，不具备上述两个条件中的第二条。 2.“纳米”走出实验的路还很长 1)​ 超越微电子的困难，尽管科学家已经研制成了纳米电阻和纳米导线，但现在却还有一个重要的任务就是怎样把它们连接起来。即宏观世界与纳米世界之间的信息传达问题是一个关键技术：纳米电子机械系统很微小，而它们的动作更微小，那它怎样向宏观世界传递信息呢？信息的读取需要更高的精确度，所以必须建立高效的传感器。 2)​ 理论上的研究还待进一步完善 纳米确实很小，但是比单个分子还是大得多，对这种尺度物质通常很难进行研究，它包含了太多的原子，因此难以简单地运用量子力学来解释（尽管基本法则是适用），然而又没大到足以完全摆脱量子的影响。也就是说不再完全遵守支配宏观世界的经典物理学的规律，所以，先行的理论还只是刚刚起步。 3)​ 完美的纳米机器人的研制还是一个很美好的梦想 这里完美的纳米机器人就是能按照人的意志运行并用于大批量生产的机器人。我们清醒下来想想，原子很小 ，而且是以限定的轨道运动的，把一个原子结合在一起的电子“粘合剂”并不属于某个化学键，而是很容易受到所有临近原子的位置和特性的影响。因此当纳米机器人的微型操纵臂要拿起一个原子把它安放到指定的地点时，它会面临一个根本性的问题：在某种程度上它需要控制的不仅是这个原子，还有这个区域的所有原子，当然，我们可以给它足够的操纵臂来控制每个原子，但是这样会出现两个问题：一是操纵臂太粗，二是操纵臂太粘 3．​ 纳米科技不拘一格地需要凝聚态物理学，工程学、材料学、分子生物学和大量的化学知识，各个学科的专家只有坐在一起，并且广通各个学科成为纳米技术学家时，这样才能为纳米引起新一轮的工业革命奠定基础，这种广而专的人才的培养需要时间。 全面理解纳米科技内涵 促进纳米科技健康发展      纳米科技在我国骤然变热，说明纳米科技本身所蕴涵的巨大发展潜力得到了社会各界的广泛关注，尤其是企业界的热情参与，应给予充分肯定。这使纳米科技在我国的快速发展具备了比较有利的外部环境。     也应该看到，最近一个时期以来，对纳米科技概念的某些误解以及伪纳米产品的出现，使得有些人开始怀疑纳米科技本身正在发生的作用。因此从事纳米科技的科技工作者和企业界人士，应该对当前的“热”有清醒的认识，尤其需要对纳米的内涵和纳米科技的发展趋势做进一步的思考，防止一些概念上的谬误和炒作损害这一新兴的前沿科技在我国的健康发展。     纳米科技是在上世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域，由于它具有创造新的生产工艺、新的物质和新的产品的巨大潜能，因而它有可能在新世纪掀起一场新的产业革命。但是，目前社会对纳米科技在认识上存在偏差，主要体现在对纳米科技内涵理解上模糊，大多认识都只从纳米科技一个方面，甚至一个次要的方面看待纳米科技，缺乏全面性和系统性。     纳米科技不仅仅是纳米科技的问题。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。而若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括3个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是我们是否进入纳米时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。     现在国内公众对纳米科技的理解，似乎仅仅是讲纳米材料，其实这是不全面的。主要原因是过去国内科研经费的资助以及有影响的成果的获得，主要集中在纳米材料领域，而且我国目前纳米科技在实际生活中的应用也最先在纳米材料这一领域表现出来。我们必须重视纳米器件的研制和纳米尺度的检测与表征的研究工作。如果现在不在这方面加强部署，给予重点支持，将会使我国在世界这一前沿领域的竞争，处于十分被动的局面。     纳米时代应是纳米技术产生像当今信息技术那样对人类生活和生产方式产生广泛而深刻影响的时代。纳米器件的研制水平和应用是人类进入纳米科技时代的重要标志。纳米技术现在的发展水平只相当于计算机和信息技术在50年代的发展水平。人们研究基本的纳米尺度现象的工具和对这些现象的理解水平还只是初步的。纳米科技将有可能引发下一场工业革命，成为21世纪经济的新增长点。纳米科技的兴起，对我国提出了严峻挑战，也为我国跨越式发展提供了难得的机遇。为此，我们应避免对纳米科技的一些认识误区，杜绝炒作，抓住机遇，坚持“有所为，有所不为”的方针，发挥优势，突出特色，在重视基础和应用研究的同时，重视与产业化的结合。 □中国科学院院士 白春礼     纳米医学怎样诊治疾病      我曾向几位医学专家提出请求:让我们的读者也了解一下纳米医学,“纳米”和人的生老病死到底有没有关系,“纳米”怎样诊治疾病。         让我们顺着医学发展的脉络,层层攀上医学发展的阶梯,来看一看“纳米”的精彩世界。          人类对客观世界的认识一直没有止境,一是向无限大的空间去探索,一是向无限小的微观世界去开拓。医学的每一步前进必然建立在科技发展的基础上,在这种巨大驱动力的背景下,一种新的认识微观世界的工具——纳米技术(Nanotechnology)诞生了。         纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术。它是在0.10至100纳米(即十亿分之一米)尺度的空间内,研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。纳米技术被认为是对21世纪一系列高新技术的产生和发展有极为重要影响的一门热点学科,被世界各国列为21世纪的关键技术之一。目前,纳米科技主要包括纳米生物学、纳米机械学、纳米电子学、纳米材料学以及原子、分子操纵和纳米制造等很多领域。专家预测,到2020年将出现一个全新的领域——纳米医学。纳米医学对于医学的发展具有深刻的含义,对于研究疾病的诊断和治疗具有重大的意义。                         “纳米热”访旅美纳米科学家王中林教授 材料是人类进化史的里柱碑，现代文明的重要支柱，发展高新技术的基础和先导。随着科学技术的进步，人类生活水平的提高，特别是由于世界人口的迅速憎加，资源的加速枯竭，生态环境的不断恶化，21世纪对材料科学技术提出更高的要求。知识经济的蓬勃发展与信息的网络化将促进材料科学技术的突飞猛进，因而本文仅对21世纪初的情况做一粗略的预测，谨供参考。     信息功能材料仍是最活跃的领域      信息功能材料是指信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需材料，种类繁多，涉及面广。     导体材料      以硅为基础的微电子技术仍占重要位置。由于量子效应、磁场及热效应，再加制作困难、投资过大，芯片特征尺寸到2010年可能达到极限0.07mm）。但不同档次的硅芯片在21世纪仍将大量存在，并将有新的发展，如在硅绝缘衬底上的硅（SOI）及单个芯片上的系统（IS），单晶硅的直径不断增加，从目前的8英寸（200mm）到2010年要达到18英寸（450mm），而且对晶片质量要求愈来愈高，因此，硅单晶生产技术必须不断提高。     Ⅲ-V族化合物是第二代半导体材料，如GaAs以其电子迁移率快：禁带宽而用于高速、高温、高频、大功率，是移动电话的主要材料，又是光纤通讯所必需。现已广泛得到应用。     第三代半导体材料是禁带更宽的SiC及金刚石，它们可用于高温。     硅集成电路以后的可能途径：一是光集成（光子材料），一是原子操纵（纳米技术）。 光电子材料在21世纪将得到更大发展      光子运动速度高，容量大，不受电磁干扰，无电阻热。光电子材料包括激光材料，变频晶体、（非线性光学晶体）、红外探测材料、半导体光电子材料、显示材料、记录材料，敏感材料及光纤，特别光导纤维是信息高速公路的关键，其发展速度比芯片还要快。已进入第四代。     能源功能材料将取得突破性进展     由于人口的迅速增长，生活水平的提高，能源需求量大幅度增加，而化石能源日益枯竭，且环境污染难以解决，21世纪能源材料重点有以下几个方面。     可再生能源将加速开发 太阳能的利用与材料密切相关。太阳辐射于地球的能量，但密度低（1kWh／m2），气候影响大。目前常用的光伏转换材料效率太低，如非晶硅薄膜一般在10%以下，转换率较高的硅单晶或GaAs也下到30%，且成本高，难以大规模推广，因此，开发高效、价廉、长寿命的光伏转换材料是当务之急。这对我国西部大开发至关重要，那里日照时间长，可供光伏发电的面积大，而且居民分散，有可能成为以太阳能为主的地区。     太阳能射向地球时，30%被大气反射，23％为大气吸收，因此，有人设想在太空建立空间太阳能电站，以微波传回地面；由此所得电能可能有竞争力，风能也是不可忽视的再生能源，因太阳能有2%变为风能．在某些多风地区，如新疆，也可得到充分利用。此外，潮汐能、海水温差与地热在21世纪都将会得到不同程度的利用，这些都存在材料问题.     核能在21世纪也将会有新的发展     首先是铀资源的有效利用。目前热中子反应堆只用了铀矿中占0.71%的235U；而占99.28％的238U要通过快中子增殖堆。这种堆型虽已运行多年，但所用冷却剂液钠腐蚀性太强，容易造成泄漏，难以大量推广，这是有待解决的问题。当然还存在239Pr的污染，最近提出的加速器驱动的核电站，用嬗变原理可望解决这一问题。     21世纪大力开发的是可控热核聚变反应堆，它是利用海水中氢同位素氚的聚合反应所产生的能量，据估计，一吨海水所含氚相当于300吨汽油，而海水中氚的含量为1013吨，所以说，这可视为人类的永久能源。惟技术问题难以解决，对材料来说，要求耐高温、抗辐射和抗氦脆。据目前估计，要到2050年或更长的时间才能进入实用化。 超导材料足最重要的节能材料 低温（液氦温度，－269℃）超导材料产业化已几十年，但因冷却剂氦的价格昂贵而受到限制。高温（液氮温度－196℃）超导体已发现多种，只有YBaCuO（薄膜、块体）和BiSrCaCuO（带、线材）接近实用状态，但稳定性和均匀性有待解决，估计2010年可望产业化。21世纪的另一任务是探索室温超导材料和现有高温超导的机理。众所周知，目前的信息产业是由硅半导体技术和集成电路的小型化带动起来的。这一场技术革命最初只是来自一个想法：把器件做小、密度提高就可以提高运算速度减小能耗。然而，由此带来的技术革命可以说不亚于17世纪蒸汽机带来的工业革命。如果未来材料的制造可以控制到一个原子到下一个原子的精度，那我们将迎来一场更高更深层次、史无前例的技术革命和科学新纪元。然而，前途光明，道路曲折。一个极其重要的问题是纳米技术产业化什么时候可以实现？这个问题是一非常难回答的问题，因为纳米技术概活之广，回答这个问题需要根据领域的不同而有所区别。      纳米材料是纳米科学技术的基本组成部分。纳米材料在晶粒尺寸、表面与体内原子数比和晶粒形状等方面与一般材料有很大的不同。这些材料的奇异性能是由其本身原子尺度上的结构、特殊的界面和表面结构所决定的。制造纳米尺度上的材料和器件在电子。光学、催化工程、陶瓷工程、磁存储和纳米复合技术上都有着重要的意义。但纳米技术的研究无论是在基础科学还是在应用技术上都面临着许多新的挑战，任重道远。纳米科学枝术的发展主要有以下六大领域：纳米结构的性能；材料合成、制备和控制；表征和操纵；计算机模拟；纳米、器件；系统组装和界面匹配。绝大多数有关纳米技术的研究是集中在前五个领域，仍处于基础科学探讨和概念性发展阶段。然而实现产业化决定于系统组装和界面匹配。科学家可以利用一根碳纳米管做成单电子器件，但根本是能否制造出上亿个性能稳定的元件，而且可以把它们组装成逻辑电路。只有达到这种程度才能谈得上产业化。目前微电子在一块硅芯片上可以做出上亿个逻辑电路。未来的纳米电子学有可能是把纳米器件和材料同硅集成电路有机地结合起来。众所周知，从半导体晶体首的发明到集成电路的工业化，科学和技术经历了几十年的发展。那么纳米电子学的发展也需要很长的时间。     对于磁记录，纳米材料已经得到重大的应用。应用于平板显示的纳米材料有可能在近年内形成产业化。有些纳米材料的合成有可能在短期内实现产业化。 有些纳米材料可以应用于已经成熟的工业产品，但这并不一定称得上是纳米科技，除非在性能上有大幅度的提高。例如，纳米洗衣机只有在节能和节水方面有大幅度改进的前提下才有可能列如纳米技术的范畴。     在生物工程领域，纳米技术的发展也将是一段漫长的过程。生物体系的复杂性和多变性决定了该领域的缓慢发展。新药的研制一般需要十年以上的时间。任何医药技术都要经过长时间的临床检验和论证才能投入产业化。但从另一角度，其它纳米技术的发展可以带动生物工程的发展，例如新的生物标本验证技术，新的探测和临床诊断技术等。新的生物材料有可能在近期内应用于医学，例如骨胳的修复、心 血管的支承和扩张技术等。     综上所述，纳米科学和技术的发展将会直接推动信息、生命和环境科学的发展。发展纳米科技应该是我们的长远国策，未来高科技之命脉。目前纳米技术的研究还只是处于初级阶段，而且大量的工作还是基础研究，实现大幅度产业化任重道远。要取得未来重大的经济效益，坚持长期、持久的投资和研究是关键。研究要重点突出，适合国情。抓长远利益，但不要搞“全民会战”，面面俱到。纳米技术目前是高科技领域内极其严肃的科学问题，来不得半点虚夸。只有不断的追求才会有持久的发展。正确地引导广大消费者对纳米技术的认识有利于未来的发展和推广。我相信我们勤劳而有智慧的中国科学家和工程师们，一定会在纳米科技领域中做出举世瞩目的贡献。                                   科学时报       附：今年刚40岁的王中林博士是美国佐治亚理工学院材料科学系教授，佐治亚理工学纳米科学和技术中心主任，电子显微学中心主任。他来自中国内地一个偏僻的小城镇——陕西省蒲城县。1978年以第一志愿考上了西北电讯工程学院，学物理。1982年参加面试CUSPEA，最后通过考试，赴美深造至今。