文档介绍：纳米技术与生命科学
古德祥
一、何谓“纳米”
“纳米”是英文namometer译名。另一种说法,“纳米”一词源自拉丁文“NANO”,“矮小”的意思。纳米是一个度量单位,是一个长度单位:
1纳米=10亿份之1米;
1纳米=百万分之1毫米;是10个氢原子并排起来的长度;
1000纳米=1微米;
10纳米相当于1根头发丝宽度的1‰
1982年随着扫描隧道显微镜发明,~100纳米长度的物体,诞生了一门纳米科学。纳米科学主要研究对象是纳米技术和纳米结构。
纳米技术以空前的分辨率,为人类揭示了一个可见的原子、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。1990年,世界上最小的“I-P-M”3个英文字母,共用了35原子在实验室排成,其长宽不超过一个病毒的面积。1993年,中国科学院真空物理实验室的科研人员,在显微镜下将一个个原子像下棋一样自如地摆放,“写”出了“中国”2字。这就是纳米技术。
原子字“毛泽东”
纳米技术之所以重要,是因为当金属或非金属被制成相当于100纳米的物质时,它的物理性能和化学性质会发生出乎意料的变化,主要表现在强度、韧度、比热、导电、磁吸收等方面。
光学特性:当黄金被细分到小于光波波长的尺度时,即失去了原有富贵光泽而成黑色。事实上,所有的金属在微颗粒状态都呈现为黑色,对光的折射率很低。利用这个特性可以作为高效率的热能、电能等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能;又可用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
热学特性:当固态物质的颗粒小于10 纳米量级时,其熔点显著下降。超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时的元件基片可用塑料。又如,%~%重量比的超微镍颗粒后,可使烧结温度从3 000℃降低到1 200℃~1 300℃,以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管基片。
磁学特性:磁性超微粒实质上是一个生物磁罗盘。蜜蜂腹部的微磁粒是用于导航的。利用磁性超微粒的特性已做成高储存密度磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等,也可制成广泛用途的磁性液体。
力学特性:陶瓷在通常情况下呈脆性,而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料,却具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗金属硬3~5倍。
超微颗粒的小尺寸效应还表现在超电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。因此,人类可以利用纳米技术,选定原子构成分子,制造出各种具有特殊功能的新材料,再添加到产品中,从而使产品表现出意想不到的新性能。这是纳米技术带来的奇迹。目前,纳米材料已在电子、化工、通讯、环保、医药等领域得广泛应用。
导电螺旋的SEM照片
(放大14000倍)
国际商用机器公司的科学家在世界上首次使用扫描隧道显微镜来移动和精确定位单个原子
此图是铜表面的铁原子
二、纳米粒子的制备方法
1、物理方法:真空冷凝法(真空蒸发、加热、高频感应等);
物理粉碎法(机械粉粹、电火花爆炸等);
球磨法。
2、化学方法:气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微乳液法、还原法。
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、血红素芯片。