光電功能材料課程-11、12、13實用教案

1、3. 3. 光功能材料光功能材料(cilio)(cilio) 3.1. 3.1. 激光材料激光材料(cilio)(cilio) 3.2 3.2非線性光學(xué)材料非線性光學(xué)材料(cilio)(cilio) 3.3. 3.3. 光纖材料光纖材料(cilio)(cilio) 3.4 3.4 光電顯示材料光電顯示材料(cilio)(cilio) 3.5. 3.5. 光伏材料光伏材料(cilio)(cilio)及太陽能電及太陽能電池池 3.6. 3.6. 納米材料納米材料(cilio)(cilio) 3.7. 3.7. 液晶材料液晶材料(cilio)(cilio)與與LCDLCD目錄目錄(ml)第1頁/共6

2、4頁第一頁，共65頁。一、納米一、納米(n m)(n m)的基的基本知識本知識 1 .納米的概念 納米是英文nanometer的譯名，是一種度量單位，1納米為百萬分之一毫米，即1毫微米，也就是十億分之一米（1nm為10-9m） ，約相當(dāng)于45個原子串起來那么長。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。 納米研究的范圍是1到100納米，凡是至少在一維方向上的線度在1-100nm之間的單元和由這種納米單元作結(jié)構(gòu)單元的材料均成為納米材料(n m ci lio)。線度為1-100nm的顆粒稱為納米顆粒，又稱為超微?；蛘叱?xì)粉第2頁/共64頁第二頁，共65頁。2 2納米納米(n m)(n m)科

3、技概念的提出科技概念的提出與發(fā)展與發(fā)展最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題的是著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德費恩曼。納米科技的迅速發(fā)展是在80年代末、90年代初。80年代初發(fā)明了費恩曼所期望的納米科技研究的重要儀器掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等微觀表征和操縱技術(shù)，它們(t men)對納米科技的發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。與此同時，納米尺度上的多學(xué)科交叉展現(xiàn)了巨大的生命力，迅速形成為一個有廣泛學(xué)科內(nèi)容和潛在應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(STM)：利用量子隧道效應(yīng)產(chǎn)生隧道電流的原理制作的顯微鏡。其分辨率可達(dá)原：利用量子隧道效應(yīng)產(chǎn)生隧道電流的原理制作的顯微鏡。

4、其分辨率可達(dá)原子子(yunz)水平，即觀察到原子水平，即觀察到原子(yunz)級的圖像。在生物學(xué)中，可觀察大分子和生物膜的分子級的圖像。在生物學(xué)中，可觀察大分子和生物膜的分子結(jié)構(gòu)。原子結(jié)構(gòu)。原子(yunz)力顯微鏡是根據(jù)掃描隧道顯微鏡的原理設(shè)計的高速拍攝三維圖像的顯微鏡。力顯微鏡是根據(jù)掃描隧道顯微鏡的原理設(shè)計的高速拍攝三維圖像的顯微鏡。可觀察大分子在體內(nèi)的活動變化?？捎^察大分子在體內(nèi)的活動變化。 第3頁/共64頁第三頁，共65頁。二、納米科技二、納米科技(kj)(kj)的研究領(lǐng)的研究領(lǐng)域域 1納米材料 納米材料是納米科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)。納米材料是指材料的幾何尺寸達(dá)到納米級尺度，并且具有特殊性能

5、的材料。其主要類型為：納米顆粒與粉體、納米碳管和一維納米材料、納米薄膜、納米塊體等。納米材料結(jié)構(gòu)的特殊性如大的比表面以及一系列新的效應(yīng)(小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)和量子隧道效應(yīng))決定了納米材料出現(xiàn)許多不同于傳統(tǒng)材料的獨特性能，進(jìn)一步優(yōu)化了材料的電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)性能。對于納米材料的研究包括兩個方面：一是系統(tǒng)地研究納米材料的性能、微結(jié)構(gòu)和譜學(xué)特征，通過和常規(guī)材料對比，找出納米材料特殊的規(guī)律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論；二是發(fā)展新型納米材料。目前納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題(wnt)是在大規(guī)模制備的質(zhì)量控制中，如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化 。第4頁/共64頁第四頁，共65頁。2 .納

6、米器件 納米科技的最終目的是以原子、分子為起點，去制造具有特殊功能的產(chǎn)品。因此，納米器件的研制(ynzh)和應(yīng)用水平是進(jìn)入納米時代的重要標(biāo)志。如前所述，納米技術(shù)發(fā)展的一個主要推動力來自于信息產(chǎn)業(yè)。 第5頁/共64頁第五頁，共65頁。 納米電子學(xué)的目標(biāo)是將集成電路的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小，超越目前發(fā)展中遇到的極限，因而使得功能密度和數(shù)據(jù)(shj)通過量達(dá)到新的水平。在納米尺度下，現(xiàn)有的電子器件把電子視為粒子的前提不復(fù)存在，因而會出現(xiàn)種種新的現(xiàn)象，產(chǎn)生新的效應(yīng)，如量子效應(yīng)。利用量子效應(yīng)而工作的電子器件稱為量子器件，像共振隧道二級管、量子阱激光器和量子干涉部件等。與電子器件相比，量子器件具有高速(速度可

7、提高1000倍)、低耗(能耗降低1000倍)、高效、高集成度、經(jīng)濟(jì)可靠等優(yōu)點。為制造具有特定功能的納米產(chǎn)品，其技術(shù)路線可分為“自上而下”(top down)和“自下而上”(bottom up)兩種方式。 第6頁/共64頁第六頁，共65頁。 “自上而下”是指通過微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化；而“自下而上”是指以原子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進(jìn)行設(shè)計和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品。這種技術(shù)路線將減少對原材料的需求，降低環(huán)境污染。 科學(xué)家希望通過納米生物(shngw)學(xué)的研究，進(jìn)一步掌握在納米尺度上應(yīng)用生物(shngw)學(xué)原理制造生物(shngw)分子器件，目

8、前，在納米化工、生物(shngw)傳感器、生物(shngw)分子計算機、納米分子馬達(dá)等方面，科學(xué)家都做了重要的嘗試。第7頁/共64頁第七頁，共65頁。3 3納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)的檢的檢測與表征測與表征 為在納米尺度上研究材料和器件的結(jié)構(gòu)及性能，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，發(fā)展新方法，創(chuàng)造(chungzo)新技術(shù)，必須建立納米尺度的檢測與表征手段。這包括在納米尺度上原位研究各種納米結(jié)構(gòu)的電、力、磁、光學(xué)特性，納米空間的化學(xué)反應(yīng)過程，物理傳輸過程，以及研究原子、分子的排列、組裝與奇異物性的關(guān)系。掃描探針顯微鏡(SPM)的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在對微觀尺度的探索方面進(jìn)入到一個全新的領(lǐng)域。作為納米科技重

9、要研究手段的SPM也被形象地稱為納米科技的“眼”和“手”。 第8頁/共64頁第八頁，共65頁。 所謂“眼睛”，即可利用SPM直接觀察原子(yunz)、分子以及納米粒子的相互作用與特性。所謂“手”，是指SPM可用于移動原子(yunz)、構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)，同時為科學(xué)家提供在納米尺度下研究新現(xiàn)象、提出新理論的微小實驗室。同時，與納米材料和結(jié)構(gòu)制備過程相結(jié)合，以及與納米器件性能檢測相結(jié)合的多種新型納米檢測技術(shù)的研究和開發(fā)也受到廣泛重視。如激光鑷子技術(shù)可用于操縱單個生物大分子。 第9頁/共64頁第九頁，共65頁。三、納米的奇異三、納米的奇異(qy)特性特性 納米顆粒的線度是1-100nm， 它可以是單個顆粒

10、，也可以是微粒的集合體。構(gòu)成它的物質(zhì)可以是元素，也可以是化合物。由于納米顆粒的線度介于微觀的原子，分子，和宏觀物體之間，其結(jié)構(gòu)和特性既不同于微觀的原子核分子，也不同于宏觀物體，具有獨特的特性。表面效應(yīng) 球形顆粒的表面積與直徑(zhjng)的平方成正比，其體積與直徑(zhjng)的立方成正比，故其比表面積（表面積體積）與直徑(zhjng)成反比。隨著顆粒直徑(zhjng)變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會顯著地增加，假如原子間距為310-4微米，表面原子僅占一層，粗略地估算表面原子所占的百分?jǐn)?shù)見表17-1。第10頁/共64頁第十頁，共65頁。 超微顆粒的表面與大塊物體的表面

11、是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒（直徑為 210-3微米）進(jìn)行電視攝像，實時觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有(mi yu)固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種形狀（如立方八面體，十面體等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了沸騰狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 第11頁/共64頁第十一頁，共65頁。小尺寸小尺寸(ch cun)(ch cun)效應(yīng)效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變(lingbin)，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效

12、應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。 第12頁/共64頁第十二頁，共65頁。（1 1） 特殊特殊(tsh)(tsh)的光學(xué)性的光學(xué)性質(zhì)質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性(txng)可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。

13、第13頁/共64頁第十三頁，共65頁。（2 2） 特殊的熱學(xué)特殊的熱學(xué)(rxu)(rxu)性質(zhì)性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)(xngti)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點為1064C，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時，則降低27，2納米尺寸時的熔點僅為327C左右；銀的常規(guī)熔點為670C，而超微銀顆粒的熔點可低于100。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。日本川崎制鐵公司采用011微米的銅、鎳超微顆

14、粒制成導(dǎo)電漿料可代替鈀與銀等貴金屬。超微顆粒熔點下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.10.5重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到12001300，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。 第14頁/共64頁第十四頁，共65頁。（3 3） 特殊特殊(tsh)(tsh)的磁學(xué)的磁學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通

15、常含有直徑約為 210-2微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到 210-2微米以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 610-3微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶(cdi)、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。 第15頁/共64頁第十五頁，共65頁。（4 4）特殊的力學(xué)）特殊的力學(xué)(l (l xu)xu)性質(zhì)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒

16、壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性(rn xn)。因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性(rn xn)與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。 第16頁/共64頁第十六頁，共65頁。(5) (5) 宏觀量子宏觀量子(lingz)(lingz)隧道效應(yīng)隧道效

17、應(yīng) 各種元素的原子(yunz)具有特定的光譜線，如鈉原子(yunz)具有黃色的光譜線。原子(yunz)模型與量子力學(xué)已用能級的概念進(jìn)行了合理的解釋，由無數(shù)的原子(yunz)構(gòu)成固體時，單獨原子(yunz)的能級就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對介于原子(yunz)、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。因

18、此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。 第17頁/共64頁第十七頁，共65頁。四四/ /納米材料納米材料(cilio)(cilio)的應(yīng)用的應(yīng)用1 1材料材料(cilio)(cilio)和制和制備備 在納米尺度(chd)上，通過精確地控制尺寸和成分來合成材料單元，制備更輕、更強和可設(shè)計的材料，同時具有長壽命和低維修費用的特點；以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料。實現(xiàn)材料破壞過程中納米級損傷的診斷和修復(fù)。 用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗

19、菌除味塑料。 第18頁/共64頁第十八頁，共65頁。 效應(yīng)顏料：這是納米材料最重要最有前途的用途之一，特別是在汽車的涂裝業(yè)中，因為納米材料具有隨角度變色特性而使汽車面漆大增光輝，深受配受專家的喜愛。 防護(hù)材料：由于某些(mu xi)納米材料透明性好和具有優(yōu)異的紫外線屏蔽作用。在產(chǎn)品和材料中添加少量(一般不超過含量的2%)的納米材料，就會大大減弱紫外線對這些產(chǎn)品和材料的損傷作用，使之更加具有耐久性和透明性。因而被廣泛用于護(hù)膚產(chǎn)品、所裝材料、外用面漆、木器保護(hù)、天然和人造纖維以及農(nóng)用塑料薄膜等方面。幾種典型(dinxng)的納米材料 第19頁/共64頁第十九頁，共65頁。 精細(xì)陶瓷材料：使用納米材

20、料可以在低溫、低壓下生產(chǎn)質(zhì)地致密且性能優(yōu)異的陶瓷。因為這些納米粒子非常小，很容易壓實在一起。此外，這些粒子陶瓷組成的新材料是一種極薄的透明涂料，噴涂在諸如玻璃、塑料、金屬、漆器甚至磨光的大理石上，具有防污、防塵、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有這種陶瓷的塑料眼鏡片既輕又耐磨，還不易破碎。 催化劑 納米粒子表面積大、表面活性中心多，為做催化劑提供了必要的條件。目前用納米粉材如鉑黑、銀、氧化鋁和氧化鐵等直接用于高分子聚合物氧化、還原及合成反應(yīng)的催化劑，可大大提高反應(yīng)效率。利用(lyng)納米鎳粉作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑，燃燒效率可提高100倍，如用硅載體鎳催化劑對丙醛的氧化反應(yīng)表明，鎳粒徑在5nm以

21、下，反應(yīng)選擇性發(fā)生急劇變化，醛分解反應(yīng)得到有效控制，生成酒精的轉(zhuǎn)化率急劇增大。 第20頁/共64頁第二十頁，共65頁。 磁性材料(cilio)：納米粒子可作永久性磁性材料(cilio)。磁性納料粒具有單磁疇結(jié)構(gòu)及矯頑力很高的特征，用它來做磁記錄材料(cilio)可以提高信噪比，改善圖象質(zhì)量。當(dāng)磁性材料(cilio)的粒徑小于臨界半徑時，粒子就變得有順磁性，稱之為超順磁性，這時磁相互作用弱。利用這種超強磁性可作磁流體，磁流體具有液體的流動性和磁體的磁性，它在工業(yè)廢液處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 第21頁/共64頁第二十一頁，共65頁。 磁流體，又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，

22、它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性。是由直徑為納米量級（10納米以下）的磁性固體顆粒、基載液(也叫媒體)以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。該流體在靜態(tài)時無磁性吸引力，當(dāng)外加磁場作用時，才表現(xiàn)出磁性，正因如此，它才在實際中有著廣泛的應(yīng)用，在理論上具有很高的學(xué)術(shù)價值。用納米金屬及合金(hjn)粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示、磁流體選礦等領(lǐng)域。第22頁/共64頁第二十二頁，共65頁。 傳感材料 納米粒子具有高比表面積、高活性、特殊的物理性質(zhì)及超微小性等特征，是適合用作傳感器材料的最有前途的材料。外界環(huán)境的改變

23、會迅速引起納料粒子表面或界面離子(lz)價態(tài)和電子運輸?shù)淖兓?，利用其電阻的顯著變化可做成傳感器，其特點是響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性優(yōu)良。 第23頁/共64頁第二十三頁，共65頁。 光電材料與光學(xué)材料：納米材料由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能作為非線性光學(xué)材料、特異吸光材料、軍事航空中用的吸波隱身材料，以及(yj)包括太陽能電池在內(nèi)的儲能及能量轉(zhuǎn)換材料等具有很高的應(yīng)用價值。 第24頁/共64頁第二十四頁，共65頁。 增強材料：納米結(jié)構(gòu)的合金具有很高的延展性等，在航空航天工業(yè)與汽車工業(yè)中是一類很有應(yīng)用前景的材料；納米硅作為水泥的添加劑可大大提高其強度；納米纖維作硫化橡膠(xingjio)的添加劑可

24、增強橡膠(xingjio)并提高其回彈性，納米管在作纖維增強材料方面也有潛在的應(yīng)用前景。 第25頁/共64頁第二十五頁，共65頁。 還有將納米材料用作火箭燃料推進(jìn)劑、H2分離膜、顏料穩(wěn)定劑及智能涂料、復(fù)合磁性材料等。納料材料由于具有特異的光、電、磁、熱、聲、力、化學(xué)和生物學(xué)性能(xngnng)，廣泛應(yīng)用于宇航、國防工業(yè)、磁記錄設(shè)備、計算機工程、環(huán)境保護(hù)、化工、醫(yī)藥、生物工程和核工業(yè)等領(lǐng)域。不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用，也為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來生機和活力?？梢灶A(yù)言，納米材料制備技術(shù)的不斷開發(fā)及應(yīng)用范圍的拓展，必將對傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)重大影響。 第26頁/共64頁第二十六頁，共65頁。 納米二氧

25、化鈦（TiO2）作為一種新型光催化劑、抗紫外線劑、光電效應(yīng)劑等，以其神奇的功能，將在抗菌防霉、排氣凈化、脫臭、水處理、防污、耐候抗老化、汽車面漆等領(lǐng)域顯示廣闊的應(yīng)用前景。隨著(su zhe)其產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)和功能性應(yīng)用發(fā)展的日趨成熟，它在環(huán)境、信息、材料、能源、醫(yī)療與衛(wèi)生等領(lǐng)域的技術(shù)革命中將起到不可低估的作用。將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。第27頁/共64頁第二十七頁，共65頁。納米TiO2應(yīng)用領(lǐng)域：在人們的居住環(huán)境中存在著各種有害細(xì)菌，對人類生活產(chǎn)生不良影響。居室內(nèi)各種建筑裝飾材料，如人造板、木質(zhì)復(fù)合地板、層壓木質(zhì)板家具和膠粘劑等會揮發(fā)出甲醛、苯、鹵代烴

26、、芳香烴等有毒污染物，危害人體健康。如果在建筑內(nèi)墻涂料、地面覆蓋(fgi)材料、墻面裝飾材料、家具面漆等材料中添入納米TiO2，既可殺菌防霉，又可降解有機污染物，使人們生活在衛(wèi)生健康的環(huán)境中。 此外，添加約1納米TiO2的抗菌塑料，可廣泛應(yīng)用于食品包裝、電器、家具、餐具、公共設(shè)施等，以防止病菌的繁殖和交叉感染。抗菌纖維可制作醫(yī)療用品等，還可生產(chǎn)抑菌除臭的保健紡織品、衛(wèi)生紡織品等，以提供安全有效的保健功能。第28頁/共64頁第二十八頁，共65頁。 納米TiO2抗菌防霉機理由于TiO2電子結(jié)構(gòu)所具有的特點，使其受光時生成化學(xué)活潑性很強的超氧化物陰離子自由基和氫氧自由基，攻擊有機物，達(dá)到降解有機污染

27、物的作用(zuyng)。當(dāng)遇到細(xì)菌時，直接攻擊細(xì)菌的細(xì)胞，致使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的有機物降解，以此殺滅細(xì)菌，并使之分解。一般常用的殺菌劑銀、銅等能使細(xì)菌細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌殺死后，尸體釋放出內(nèi)毒素等有害的組分。納米TiO2不僅能影響細(xì)菌繁殖力，而且能破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，達(dá)到徹底降解細(xì)菌，防止內(nèi)毒素引起的二次污染。納米TiO2屬于非溶出型材料，在降解有機污染物和殺滅細(xì)菌的同時，自身不分解、不溶出，光催化作用(zuyng)持久，并具有持久的殺菌、降解污染物效果。 第29頁/共64頁第二十九頁，共65頁。 TiO2光催化技術(shù)工藝簡單、成本低廉，利用自然光、常溫常壓即可催化分解病菌(bngjn)和污染物，具

28、有高活性、無二次污染、無刺激性、安全無毒、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等特點，是最具開發(fā)前景的綠色環(huán)保催化劑之一。采用納米TiO2光催化劑處理有機廢水，能有效地將水中的酚類、染料、農(nóng)藥等進(jìn)行除毒、脫色、礦化，最終降解為二氧化碳和水，目前這方面的研究已取得進(jìn)展，光催化降解污水將成為有效的處理手段。第30頁/共64頁第三十頁，共65頁。 利用金紅石型納米TiO2的紫外線屏蔽優(yōu)異性和高耐候性，以及光催化效應(yīng)來降解氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）等，還可以有效地治理工業(yè)廢氣、汽車尾氣排放所造成的大氣污染，其原理是將有機或無機污染物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，生成水、二氧化碳、鹽等，從而凈化空氣。研究結(jié)果顯示，納

29、米TiO2光催化空氣凈化涂料、陶瓷等材料在消除氮氧化物等方面的應(yīng)用具有良好的前景。此外，納米TiO2在磁性材料、淺色導(dǎo)電材料、氣體傳感器、濕度(shd)傳感器等領(lǐng)域已得到很好的應(yīng)用。隨著應(yīng)用研究的深入，它的應(yīng)用領(lǐng)域必將越來越廣泛。目前，國內(nèi)納米TiO2的生產(chǎn)和應(yīng)用尚處于初級發(fā)展階段。第31頁/共64頁第三十一頁，共65頁。2 2微電子和計算機技術(shù)微電子和計算機技術(shù) 存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片已投入生產(chǎn)。計算機在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。 納米結(jié)構(gòu)的微處理器的效率提高1兆倍，并實現(xiàn)(shxin)太比特的存儲器(提高1000倍)； 納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和

30、光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高，將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對地偵察。最近，麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個一個地送入激光器中，每個原子發(fā)射一個有用的光子，其效率之高，令人驚訝。 第32頁/共64頁第三十二頁，共65頁。3 3環(huán)境環(huán)境(hunjng)(hunjng)和能源和能源 環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能夠探測到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾，從而消除污染。制備(zhbi)孔徑lnm的納米孔材料

31、作為催化劑的載體，納米孔材料和納米膜材料(孔徑l0l00nm)用來消除水和空氣中的污染；成倍的提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。 第33頁/共64頁第三十三頁，共65頁。4 4醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué)(yxu)(yxu)與健康與健康 納米技術(shù)將給醫(yī)學(xué)帶來變革：納米級粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后，可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補損傷組織，科研人員已經(jīng)成功利用納米微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位(dngwi)病變治療，以減少副作用等。在人工器官外面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排斥反應(yīng)；研究耐用的與人體友好的人工組織、器官復(fù)明和復(fù)聰器件；疾病早期診斷的納米傳感器系統(tǒng)。

32、研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息。科學(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、診斷并實施特殊治療。 第34頁/共64頁第三十四頁，共65頁。納米納米(n m)醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué) 我們知道人體是由多種器官組成的，如：大腦、心臟，肝，脾，胃，腸，肺，骨骼，肌肉和皮膚；器官又是由各種細(xì)胞組成的，細(xì)胞是器官的組織單元，細(xì)胞的組合作用才顯示出器官的功能(gngnng)。那么細(xì)胞又是由什么組成的呢？按現(xiàn)在的認(rèn)識，細(xì)胞的主要成份是各種各樣的蛋白質(zhì)、核酸、脂類和其它生物分子，可以統(tǒng)稱生物分子，它的種類在數(shù)十萬種。生物

33、分子是構(gòu)成人體的基本成分，它們各自具有獨特的生物活性的，正是它們不同的生物活性決定了它們在人體內(nèi)的分工和作用。由于人體是由分子構(gòu)成的。當(dāng)人體的分子機器，如合成蛋白質(zhì)的核糖體，DNA復(fù)制所需的酶等，出現(xiàn)故障或工作失常時，就會導(dǎo)致細(xì)胞死亡或異常。 第35頁/共64頁第三十五頁，共65頁。 從分子的微觀角度來看，目前的醫(yī)療技術(shù)尚無法達(dá)到分子修復(fù)的水平。而納米醫(yī)學(xué)則是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識，所從事的診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健(bojin)和改善健康狀況等科學(xué)技術(shù)，廣義地講都屬于納米醫(yī)學(xué)的范疇。換句話講，人們將從分子水平上認(rèn)識自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治

34、病，改善人類的整個生命系統(tǒng)。首先需要認(rèn)識生命的分子基礎(chǔ)，然后從科學(xué)認(rèn)識發(fā)展到工程技術(shù)，設(shè)計制造大量的具有令人難以置信的奇特功效的納米裝置，這些微小的納米裝置的幾何尺度僅有頭發(fā)絲的千分之一左右，是由一個個分子裝配起來的，能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能，并且更準(zhǔn)確和更有效地發(fā)揮作用。他們可以在人體的各處暢游，甚至出入細(xì)胞，在人體的微觀世界里完成特殊使命。 第36頁/共64頁第三十六頁，共65頁。 例如：修復(fù)畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細(xì)胞、捕捉侵入人體的細(xì)菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們；探測機體內(nèi)化學(xué)或生物化學(xué)成分的變化，適時地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì)，及時改善人的健康狀況。最終實現(xiàn)納米醫(yī)

35、學(xué)，使人類擁有持續(xù)的健康。未來的納米醫(yī)學(xué)將是強大的，它又會是令人(ln rn)驚訝得小，因為在其中所發(fā)揮作用的藥物和醫(yī)療裝置都是肉眼所無法看到的。但是它的功能會令世人驚嘆。 第37頁/共64頁第三十七頁，共65頁。(1) (1) 智能智能(zh nn)(zh nn)藥物藥物 這是納米醫(yī)學(xué)中的一個非常活躍的領(lǐng)域，適時準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一?？茖W(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的，模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)。它能夠被植入皮下，監(jiān)測血糖水平，在必要的時候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。目前這個芯片的尺寸還相當(dāng)于一個小硬幣，可以把它做得更小，并計劃裝上一個智能化的傳

36、感器，使它可以適時和適量地釋放藥物。能否在形成致命的腫瘤之前，早期殺滅癌細(xì)胞？美國密西根大學(xué)的James R. Baker Jr.博士(bsh)正在設(shè)計一種納米智能炸彈，它可以識別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征(chemical signatures)。這種智能炸彈很小，僅有20納米左右，能夠進(jìn)入并摧毀單個的癌細(xì)胞。此裝置的研制剛剛開始，而初步的人體實驗至少要五年以后才能進(jìn)行。 第38頁/共64頁第三十八頁，共65頁。(2) (2) 人工人工(rngng)(rngng)紅血球紅血球 納米醫(yī)學(xué)不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強人體功能的能力。我們知道，腦細(xì)胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后

37、也會呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當(dāng)人的心臟因意外，突然停止跳動的時候(sh hou)，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個機體的正常生理活動。血球是個一微米大小的金剛石的氧氣容器，內(nèi)部有1000個大氣壓，泵浦動力來自血清葡萄糖。它輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍，并維持生物炭活性。 它可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。第39頁/共64頁第三十九頁，共65頁。(3)(3)納米納米(n m)(n m)藥物輸運藥物輸運 納米微粒藥物輸送(sh sn)技術(shù)也

38、是重要發(fā)展方向之一。按目前的認(rèn)識，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。由于藥物顆?？s小時，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，所以藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。藥物的吸收又受其溶解率的限制，因此，縮小藥物的顆粒尺度成為提高藥物利用率的可行方法。 納米晶體技術(shù)可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，同時提高溶解性，以提高難溶性藥物的藥效率。深入研究的制粉技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑺幬锟s小到400納米以下，提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。 第40頁/共64頁第四十頁，共65頁。 納米醫(yī)學(xué)將給醫(yī)學(xué)界，諸如癌癥、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變

39、革，已經(jīng)獲得越來越多的認(rèn)同。利用納米技術(shù)能夠把新型基因材料(cilio)輸送到已經(jīng)存在的DNA里，而不會引起任何免疫反應(yīng)。樹形聚合物(dendrimers) 就是提供此類輸送的良好候選材料(cilio)。因為，它是非生物材料(cilio)，不會誘發(fā)病人的免疫反應(yīng)，沒有形成排異反應(yīng)的危險；所以，可以作為藥物的納米載體，攜帶藥物分子進(jìn)入人體的血液循環(huán)，使藥物在無免疫排斥的條件下，發(fā)揮治病的效果。這種技術(shù)用于糖尿病和癌癥治療是很有希望的。 第41頁/共64頁第四十一頁，共65頁。(4) (4) 捕獲病毒的納米捕獲病毒的納米(n m)(n m)陷阱陷阱 密西根大學(xué)的Donald Tomalia等已經(jīng)用

40、樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實驗表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復(fù)雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子(fnz)，此分子(fnz)能夠在病毒進(jìn)入細(xì)胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。 第42頁/共64頁第四十二頁，共65頁。 通俗地講，人體細(xì)胞表面裝備著含硅鋁酸成分的鎖，只準(zhǔn)許持鑰匙者進(jìn)入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體鑰匙。Tomalia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細(xì)胞(glycodendrimers)表面。當(dāng)病毒結(jié)合到陷阱細(xì)胞表面，就無法再感染人體細(xì)胞了。陷阱細(xì)胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。

41、內(nèi)腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。陷阱細(xì)胞能夠繁殖，生成不同的后代(hudi)，個子較大的后代(hudi)可能攜帶更多的藥物。研究者希望發(fā)展針對各種致病病毒的特殊陷阱細(xì)胞和用于醫(yī)療的陷阱細(xì)胞庫。 第43頁/共64頁第四十三頁，共65頁。(5)(5)識別識別(shbi)(shbi)血液異常的生血液異常的生物芯片物芯片 美國圣地亞國家實驗室的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了納米愛好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣，納米技術(shù)可以在血流中進(jìn)行巡航探測，即時地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)菌類型的外來(wili)入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。 Micheal Wisz做了一個雛形裝置，發(fā)揮芯片實驗室的功能，它

42、可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個發(fā)射激光的腔體表面， 從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光，以此鑒別癌變。 第44頁/共64頁第四十四頁，共65頁。5 5生物生物(shngw)(shngw)技技術(shù)術(shù) 雖然分子計算機目前只是處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計算機的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)(gungxu)循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當(dāng)今計算機信息處理和信息存儲的作用，它將使單位物質(zhì)的儲存和信息處理能力提高上

43、百萬倍。 在納米尺度上按照預(yù)定的對稱性和排列制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖核酸等，在納米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能，生物仿生化學(xué)藥品和生物可降解材料；動植物的基因改善和治療，測定DNA的基因芯片等。第45頁/共64頁第四十五頁，共65頁。納米生物學(xué)主要包含兩個方面：一、利用新興的納米技術(shù)來解決和研究生物學(xué)問題；二、利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的分子機器。 納米科技的最終目的是制造分子機器，而分子機器的啟發(fā)來源于生物體系中存在的大量的生物大分子，它們被費曼等人看作(kn zu)是自然界的分子機器。從這個意義上說，納米生物學(xué)應(yīng)該是納米科技中的一個核心

44、領(lǐng)域。第46頁/共64頁第四十六頁，共65頁。 利用DNA和某些特殊的蛋白質(zhì)的特殊性質(zhì)，有可能制造出分子器件。目前研究的熱點在分子馬達(dá)、硅神經(jīng)細(xì)胞體系和DNA相關(guān)的納米體系與器件。利用納米技術(shù)，人們已經(jīng)可以操縱單個的生物大分子。操縱生物大分子，被認(rèn)為是有可能引發(fā)(yn f)第二次生物學(xué)革命的重要技術(shù)之一 。第47頁/共64頁第四十七頁，共65頁。(1) (1) 生物芯片生物芯片(shn w (shn w xn pin)xn pin)技術(shù)技術(shù) 生物芯片是不同于半導(dǎo)體電子芯片的另一類芯片。半導(dǎo)體電子芯片是集成具有特定電子學(xué)功能的微單元，所形成的電子集成電路；而生物芯片則是在很小幾何尺度的表面積上，

45、裝配一種或集成多種生物活性，僅用微量生理或生物采樣，即可以同時檢測和研究不同的生物細(xì)胞、生物分子和DNA的特性，以及它們之間的相互作用，獲得生命微觀活動(hu dng)的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等幾類，都有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已成為二十一世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技。 第48頁/共64頁第四十八頁，共65頁。 近兩年，已經(jīng)通過微制作(MEMS)技術(shù)，制成了微米量級的機械手，能夠在細(xì)胞溶液中捕捉到單個細(xì)胞，進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)，功能和通訊等特性研究。美國哈佛大學(xué)的Whitesides教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻

46、技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并研制出效果更好的軟光刻方法(soft lithography)。以此，制出了可以捕捉和固定(gdng)單個細(xì)胞的生物芯片，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞間距等，研究細(xì)胞分泌和胞間通訊。此類細(xì)胞芯片還可以作細(xì)胞分類和純化等。它的功能原理非常簡單，僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面改性，即可達(dá)到選擇和固定(gdng)細(xì)胞，及細(xì)胞面密度控制。 第49頁/共64頁第四十九頁，共65頁。 蛋白質(zhì)芯片的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了約十年的時間，現(xiàn)已出現(xiàn)了相對成熟的技術(shù)，如瑞典的BIACORE的單元芯片，中科院力學(xué)所的多元蛋白質(zhì)光學(xué)芯片和美國的SELDI質(zhì)譜芯片等。它們的共同特點都是將生物分子作為配基，固定在固

47、體芯片表面或表面微單元上，以單一、或面陣、或序列式。利用生物分子間的特異結(jié)合的自然屬性，待測分子與配基分子在芯片表面會形成生物分子復(fù)合物。然后，檢測此復(fù)合物的存在與否，達(dá)到對蛋白質(zhì)的探測、識別和純化的目的。以上不同技術(shù)的差異僅在探測方法(fngf)的不同。BIACORE技術(shù)利用表面等離子體共振技術(shù)檢測芯片，進(jìn)行單一蛋白質(zhì)檢測；多元蛋白質(zhì)光學(xué)芯片是光學(xué)成象法，可以同時檢測多種混合的蛋白質(zhì)；SELDI技術(shù)則采用質(zhì)譜法，以時間順序檢測序列蛋白質(zhì)。 第50頁/共64頁第五十頁，共65頁。 隨著人類基因工程的發(fā)展，基因芯片(即DNA芯片)得到迅速的發(fā)展。DNA 芯片又稱為寡核苷酸陣列或雜交陣列分析，它是

48、根據(jù)DNA雙螺旋原理而發(fā)展的核酸鏈間分子雜交的技術(shù)。DNA芯片技術(shù)可以快速分析大量的基因信息，從而使生物醫(yī)學(xué)工作者可以研究并收集基因表達(dá)和變異信息。可以用于人類基因組中遺傳信息的分析。具特殊用途的DNA探針陣列可以在人類基因組中快速篩選已知的DNA序列。 DNA芯片還可用于監(jiān)測不同的人體細(xì)胞和組織基因表達(dá)，以檢測癌癥或其它疾病(jbng)所對應(yīng)的基因的變化。隨著DNA芯片及雜交技術(shù)的發(fā)展，DNA芯片將有可能直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。 第51頁/共64頁第五十一頁，共65頁。（2 2）分子）分子(fnz)(fnz)馬達(dá)馬達(dá) 分子馬達(dá)是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進(jìn)行(jnxng

49、)機械做功的納米系統(tǒng)。天然的分子馬達(dá)，如：驅(qū)動蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內(nèi)參與了胞質(zhì)運輸、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等一系列重要生命活動。以微管蛋白為軌道，沿微管的負(fù)極向正極運動，并由此完成各種細(xì)胞內(nèi)外傳質(zhì)功能。 第52頁/共64頁第五十二頁，共65頁。 美國康納爾大學(xué)的科學(xué)家利用ATP酶作為分子馬達(dá)，研制出了一種可以進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機電設(shè)備-納米直升機。該設(shè)備共包括三個組件，兩個金屬推進(jìn)器和一個附屬于與金屬推進(jìn)器相連的金屬桿的生物分子組件。其中的生物分子組件將人體的生物燃料ATP轉(zhuǎn)化為機械能量，使得金屬推進(jìn)器的運轉(zhuǎn)速率達(dá)到每秒8圈。這種技術(shù)仍處于研制初期，它的控制(kng

50、zh)和如何應(yīng)用仍是未知數(shù)。將來有可能完成在人體細(xì)胞內(nèi)發(fā)放藥物等醫(yī)療任務(wù) 第53頁/共64頁第五十三頁，共65頁。（3 3） 硅蟲晶體管硅蟲晶體管 美國和北愛爾蘭的研究者偶然發(fā)現(xiàn)了一種活的半導(dǎo)體(half bacterium, half microchip)，它能夠嗅出生物戰(zhàn)所用的毒氣。這一發(fā)現(xiàn)竟來自科學(xué)家為消除計算機芯片生產(chǎn)線上的某些特殊細(xì)菌的屢屢失敗。為消除這些微生物，研究者試用了從紫外線到強氧化劑，但是，細(xì)菌仍可幸存。亞利桑納大學(xué)的物理學(xué)家OHanlon 和 Baier認(rèn)為這種細(xì)菌半導(dǎo)體晶體恰好可以用作生物晶體管的門極。在呼吸(hx)和光合作用等產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移的生物過程中，光照或者器官的水

51、汽能誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生電子，猶如打開了這個生物晶體管。這種精巧的靈敏裝置能夠探測到生物戰(zhàn)毒氣。 第54頁/共64頁第五十四頁，共65頁。（4 4） 納米納米(n m)(n m)探針探針 一種探測單個活細(xì)胞的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米量級，當(dāng)它插入活細(xì)胞時，可探知會導(dǎo)致腫瘤的早期DNA損傷。 納米探針是一支直徑50納米，外面包銀的光纖，并傳導(dǎo)一束氦-鎘激光。它的尖部貼有可識別和結(jié)合BPT的單克隆抗體。325納米波長的激光將激發(fā)抗體和抗原BPT所形成的分子復(fù)合物產(chǎn)生(chnshng)熒光。此熒光進(jìn)入探針光纖后，由光探測器接收?？梢杂糜谔綔y很多細(xì)胞化學(xué)物質(zhì)，可以監(jiān)控活細(xì)胞的蛋白質(zhì)和其它所感興趣的生物化學(xué)

52、物質(zhì)。 第55頁/共64頁第五十五頁，共65頁。6 6航天航天(hngtin)(hngtin)和航空和航空 納米器件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅是增加有效載荷，更重要的是使耗能指標(biāo)成指數(shù)倍的降低。這方面的研究內(nèi)容還包括：研制低能耗、抗輻照(f zho)、高性能計算機；微型航天器用納米集成的測試、控制電子設(shè)備；抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料。 采用納米材料技術(shù)對機械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。第56頁/共64頁第五十六頁，共65頁。7 7國家國家(guji)(guji)安全安全 由于納米(n m)技術(shù)對經(jīng)濟(jì)社會的廣泛滲透性，擁有納米(n m)技

53、術(shù)知識產(chǎn)權(quán)和廣泛應(yīng)用這些技術(shù)的國家，將在國家經(jīng)濟(jì)安全和國防安全方面處于有利地位。通過先進(jìn)的納米(n m)電子器件在信息控制方面的應(yīng)用，將使軍隊在預(yù)警、導(dǎo)彈攔截等領(lǐng)域快速反應(yīng)；通過納米(n m)機械學(xué)，微小機器人的應(yīng)用，將提高部隊的靈活性和增加戰(zhàn)斗的有效性；用納米(n m)和微米機械設(shè)備控制，國家核防衛(wèi)系統(tǒng)的性能將大幅度提高；通過納米(n m)材料技術(shù)的應(yīng)用，可使武器裝備的耐腐蝕、吸波性和隱蔽性大大提高，可用于艦船、潛艇和戰(zhàn)斗機等。 第57頁/共64頁第五十七頁，共65頁。五、各國對納米技術(shù)的積極五、各國對納米技術(shù)的積極(jj)(jj)應(yīng)對應(yīng)對 發(fā)達(dá)國家的政府和企業(yè)紛紛投入大量(dling)人力、物力和財力進(jìn)行納米科技的研究和