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納米技術(shù)與生命科學(xué),古德祥,一、何謂“納米”,“納米”是英文namometer譯名。另一種說法，“納米”一詞源自拉丁文“NANO”，“矮小”的意思。納米是一個度量單位，是一個長度單位：1納米=10億份之1米；1納米=百萬分之1毫米；是10個氫原子并排起來的長度；1000納米=1微米；10納米相當(dāng)于1根頭發(fā)絲寬度的1‰,1982年隨著掃描隧道顯微鏡發(fā)明，人類可研究0.1～100納米長度的物體，誕生了一門納米科學(xué)。納米科學(xué)主要研究對象是納米技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)以空前的分辨率，為人類揭示了一個可見的原子、分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。1990年，世界上最小的“I-P-M”3個英文字母，共用了35原子在實驗室排成，其長寬不超過一個病毒的面積。1993年，中國科學(xué)院真空物理實驗室的科研人員，在顯微鏡下將一個個原子像下棋一樣自如地擺放，“寫”出了“中國”2字。這就是納米技術(shù)。,原子字“毛澤東”,納米技術(shù)之所以重要，是因為當(dāng)金屬或非金屬被制成相當(dāng)于100納米的物質(zhì)時，它的物理性能和化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生出乎意料的變化，主要表現(xiàn)在強度、韌度、比熱、導(dǎo)電、磁吸收等方面。光學(xué)特性：當(dāng)黃金被細分到小于光波波長的尺度時，即失去了原有富貴光澤而成黑色。事實上，所有的金屬在微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色，對光的折射率很低。利用這個特性可以作為高效率的熱能、電能等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能；又可用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。,熱學(xué)特性：當(dāng)固態(tài)物質(zhì)的顆粒小于10納米量級時，其熔點顯著下降。超細銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進行低溫?zé)Y(jié)，此時的元件基片可用塑料。又如，在鎢顆粒中附加0.1%～0.5%重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200℃～1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管基片。磁學(xué)特性：磁性超微粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤。蜜蜂腹部的微磁粒是用于導(dǎo)航的。利用磁性超微粒的特性已做成高儲存密度磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等，也可制成廣泛用途的磁性液體。,力學(xué)特性：陶瓷在通常情況下呈脆性，而由納米超微粒制成的納米陶瓷材料，卻具有良好的韌性。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗金屬硬3～5倍。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。因此，人類可以利用納米技術(shù)，選定原子構(gòu)成分子，制造出各種具有特殊功能的新材料，再添加到產(chǎn)品中，從而使產(chǎn)品表現(xiàn)出意想不到的新性能。這是納米技術(shù)帶來的奇跡。目前，納米材料已在電子、化工、通訊、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域得廣泛應(yīng)用。,導(dǎo)電螺旋的SEM照片（放大14000倍）,國際商用機器公司的科學(xué)家在世界上首次使用掃描隧道顯微鏡來移動和精確定位單個原子此圖是銅表面的鐵原子,二、納米粒子的制備方法,1、物理方法：真空冷凝法(真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等)；物理粉碎法(機械粉粹、電火花爆炸等)；球磨法。2、化學(xué)方法：氣相沉積法、沉淀法、水熱合成法、溶膠凝膠法、微乳液法、還原法。,三、納米技術(shù)對生物科學(xué)的影響1、生物電腦,電腦的性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關(guān)速度來決定的?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子作元件制成的集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的電腦稱為蛋白質(zhì)電腦，或稱為生物電腦。利用蛋白質(zhì)團已開發(fā)出的開關(guān)裝置有：蛋白質(zhì)芯片、遺傳生成芯片、血紅素芯片。,特點：用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片，在1mm2面積上可容納數(shù)億個電路，存儲量可達普通電腦的10億倍；其集成電路大小只相當(dāng)于硅片集成電路的10萬分之一，且運轉(zhuǎn)速度更快，大大超過人腦思維速度。生物芯片傳遞信息時阻抗小，耗能低且具有生物的特點，具有自我組織和自我修復(fù)的功能。它可以與人體及人腦結(jié)合，聽從人的指揮，從人體中吸收營養(yǎng)。把生物大腦植入人的體內(nèi)，可以使盲人復(fù)明，使人腦的記憶力成千上萬倍地提高；若植入血管中，則可以監(jiān)視人體內(nèi)的化學(xué)變化，使人的體質(zhì)增強，使殘疾人重新站起來。,生物集成電路的制作方法，在技術(shù)上也有所突破。目前采用的方法把聚賴氨酸分布在玻璃基底上，形成單分子層，再在上面涂一層塑料絕緣膜。然后用電子計算機控制的狹窄的一束聚焦的X光束或電子束，在該簿膜上畫出一條條互相平行的條紋。條紋的寬度幾十納米，條紋之間的距離為200～250納米。用酒精把光束照射的那部分塑料溶解掉，蝕出一條條縫隙，讓賴氨酸分子從縫隙中暴露出來，把另一種蛋白質(zhì)“嫁接”上去。如果聚賴氨酸的特性符合設(shè)計要求，就可以涂上傳輸電脈沖所需的金屬(如銀)。這就是生物集成電路，其體積在1cm3之內(nèi)，其記憶可溶納一個大型電子計算機的記憶裝置，應(yīng)用前景十分誘人。,DNA電腦更為誘人。其原理是，DNA分子中的密碼相當(dāng)于存儲的數(shù)據(jù)，DNA分子之間可以在某種酶的作用下瞬間完成生物化學(xué)反應(yīng)，從一種基因代碼變成另一種基因代碼。反應(yīng)前的基因代碼可作為輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼可以作為運算結(jié)果。如果控制得當(dāng)，那么就可利用這種過程制成一種新型電腦，具有運算速度快、存儲容量大、耗能極低的特點。生物電腦可實現(xiàn)模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算功能，是智能計算機的突破口之一。,神經(jīng)電腦：人腦有140億神經(jīng)元及10億多神經(jīng)節(jié)，每個神經(jīng)元都與數(shù)千個神經(jīng)元交叉相聯(lián)，它的作用相當(dāng)于一臺微型電腦。用許多微處理機模仿人腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，采用大量的并行分布式網(wǎng)絡(luò)，就構(gòu)成了神經(jīng)電腦。它具有聯(lián)想、記憶、視覺和聲音識別能力。日本富通研究所開發(fā)的神經(jīng)電腦，每秒更新數(shù)據(jù)速度近千億次。日本電氣公司推出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲音識別系統(tǒng)，能識別任何人的聲音，正確率達99.8%。美國研究出由左腦和右腦兩個神經(jīng)塊連接而成的神經(jīng)電腦，右腦為經(jīng)驗功能部分，有1萬多個神經(jīng)元，適用于圖像識別；左腦為識別功能部分，含有100萬個神經(jīng)元，用于存儲單詞和語法規(guī)則?，F(xiàn)在，紐約、邁阿密和倫敦的飛機場已經(jīng)用神經(jīng)電腦來檢查爆炸物，每小時可查600～700件行李，檢出率為95%，誤差率為2%。,2、納米級的生物工程產(chǎn)業(yè),以微生物技術(shù)、酶技術(shù)、細胞技術(shù)、基因技術(shù)為主導(dǎo)的新型納米農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系即將形成，微生物工業(yè)產(chǎn)業(yè)將興起。生物納米技術(shù)是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，生物體系，就是生物組裝、細胞、酶等，采用工程技術(shù)原理，向人類提供商品或提供社會服條的綜合性科學(xué)技術(shù)。將逐步出現(xiàn)以動植物工程、藥物及疫苗、蛋白質(zhì)工程、細胞融合、基因組、生物芯片及生物智能機等為基本內(nèi)涵的生物工程產(chǎn)業(yè)，使人類生產(chǎn)和生活發(fā)生巨大的變化。,3、對付害蟲的微型“殺手”,美國一家研究所正在追蹤監(jiān)視逐漸向北遷移的巴西“殺人蜂”。在捕獲的蜂的背部粘上一個微芯片和一個紅外線發(fā)射器，然后釋放，研究其習(xí)性，試圖阻止其遷移。這是最小的“間諜武器”，用于對付昆蟲。未來開發(fā)的納米級的微型裝置，是一個類似整個昆蟲形狀的微型智能機械“蟲”，不僅可以預(yù)報蟲害情況，也可以大量殺死害蟲。,4、醫(yī)用的微型機械人,小人國的童話故事聽了不少。如今用特制超細的納米材料制成的“納米機械人”，可以進入人的血管和心臟，完成醫(yī)生不能完成的血管修補，清除心臟動脈的脂肪沉積物，疏通腦血管中的血栓等“細活”。因其體積很小，對人體健康不會產(chǎn)生影響。瑞典一大學(xué)研究出一種能移動單細胞或捕捉細菌的機械人，外型似人的手臂，其肘部和腕部很靈活，有2～4個手指。這種機械人能在血液、尿液和細胞介質(zhì)中工作。如用殺菌的分子機械人與病菌“決斗”，又將無數(shù)臺分子攝像機械放入血管中，進行現(xiàn)行現(xiàn)場拍攝，其真實性則大大超過人們用電腦合成的仿生動畫片。有的科學(xué)家用磁性納米顆粒，成功地分離了動物的癌細胞和正常細胞，已在治療人骨髓癌的臨床實驗中獲得成功。還有，用納米藥物來阻斷血管餓死癌細胞等等。,5、“納米生物導(dǎo)彈”,軍事上的導(dǎo)彈，既然識別目標(biāo)，又能摧毀目標(biāo)。所謂“納米生物導(dǎo)彈”，就是具有識別腫瘤細胞和殺死腫瘤細胞雙重功能的藥物。一旦進入體內(nèi)，便隨血液流動，專門尋找癌細胞進行攻擊，而不損傷其他正常細胞。首先制備出多種抗腫瘤的單克隆抗體，再在抗體上裝上殺死腫瘤細胞的武器—藥物，如白喉毒素分子、蓖麻毒素、相思豆毒素等一類毒蛋白與抗腫瘤的單克隆抗體相聯(lián)。,我國科技工作者從1982年開始，從事生物導(dǎo)彈的研究，他們用絲裂霉毒素與抗腫瘤抗體偶聯(lián)，其藥性比原來的提高100～200倍，在動物身上進行試驗，取得了明顯的療效。治療腫瘤患者，其中75%的患者收到良好效果，有的患者經(jīng)治療后腫瘤幾乎消失。根據(jù)臨床的經(jīng)驗，此方法對肝癌、肺癌、鼻咽癌、卵巢癌、乳腺癌、腸癌、膀胱癌等都有較理想的療效。,6、人造血漿,醫(yī)療上輸血，需要大量的血液。由于獻血人數(shù)有限，血庫經(jīng)常緊缺。全球面臨的另一個大難題是血庫污染，輸血傳染上肝炎、艾滋病，累見不鮮。在美國，通過輸血傳播艾滋病的發(fā)病率，在過去的10年里至少有9000例。我國每年需血量為800噸，若按目前我國每單位新鮮血液400元計，則至少有16億元潛在市場。為了解決血漿缺乏問題，我國有關(guān)企業(yè)研制開發(fā)人造血漿。以全氟溴烷為原料，研制開發(fā)具有攜氧功能的人造血液、器官灌注和保存液等產(chǎn)品。,全氟碳化合物是一種化學(xué)隋性與生物隋性的有機化合物。一方面，它對氣體有非常高的溶解度，可以使其成為身體呼吸系統(tǒng)與細胞組織中進行氣體傳輸?shù)拿浇?；另一方面，由于對射線的不透過性，可作為造影劑。合成的全氟溴烷，可解決人造血漿、造影劑、器官灌注與保存液的需求。,四、納米科學(xué)在我國的發(fā)展,1990年7月在美國巴爾基摩召開了國際第一屆納米科學(xué)技術(shù)會議，標(biāo)志著納米科學(xué)領(lǐng)域的正式形成。1992年9月在墨西哥Cancun城召開了國際第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會議，正式把納米材料作為材料科學(xué)的一個新分支公布于世。1992年，國家科委、計委、自然基金委下達了一批國家自然科學(xué)基金重點課題、攀登計劃、國家重點攻關(guān)項目。1995年召開了“材料中的前沿問題研討”香山會議，主要內(nèi)容有：納米材料的制備、智能材料及生物材料。1997年又召開了納米化學(xué)香山會議。納米科學(xué)技術(shù)幾乎涉及現(xiàn)有的所有學(xué)科領(lǐng)域，引發(fā)了納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米材料科學(xué)、納米機械工程學(xué)、納米天文地質(zhì)等相關(guān)新領(lǐng)域。,我國對納米技術(shù)大規(guī)模有組織的研究開始于20世紀(jì)80年代末。在過去的10年，我國已使用了多種化學(xué)方法制造納米材料，研制了氣體蒸發(fā)、磁控濺射、激光誘導(dǎo)CVD、等離子加熱氣相合成等制備裝置，發(fā)展了化學(xué)共沉淀、溶膠--凝膠、微乳液溶劑。非臨界液相合成制造，包括金屬、合金、氧化物、氮化物、離子晶體和半導(dǎo)體等多種納米材料的方法，研制了性能優(yōu)良的多種納米復(fù)合材料。近年來，根據(jù)國際納米材料研究的發(fā)展趨勢，建立和發(fā)展了制造納米結(jié)構(gòu)組裝體系的多種方法。特別是自裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長、介孔內(nèi)延生長等組裝體系。10年來，我國學(xué)者在國內(nèi)外發(fā)表納米材料與結(jié)構(gòu)的論文2400篇，在國際上排名第五。到2000年為止，納米材料研究獲得國家自然科學(xué)獎三等1項，國家發(fā)明獎2項，申請專利79項，其中發(fā)明專利占50%。,廣州市“發(fā)展民生納米工程，建立南方納米中心”為戰(zhàn)略，爭取到2010年納米技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化水平達到國內(nèi)先進水平，某些方面達到國際先進水平。廣州市現(xiàn)有14所高校和科研院所從事納米研究，近10家企業(yè)正進行相關(guān)產(chǎn)品研制，形成了300多人的研究隊伍。(2001年9月28日羊城晚報A3版),近10年內(nèi)，廣州市重點發(fā)展納米技術(shù)在塑料和橡膠、建材、紡織等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用；發(fā)展納米電子、光電信息材料與器件；發(fā)展納米技術(shù)在太陽能轉(zhuǎn)化、新型綠色電池中應(yīng)用，以及在水和空氣治理中的應(yīng)用；發(fā)展納米制藥，尤其是在中藥制備中的應(yīng)用，醫(yī)用納米材料，納米診斷器件和技術(shù)。市政府采用企業(yè)、高校、科研機構(gòu)共建的方式，建立孵化園區(qū)，吸納社會資金和人才。,謝謝,