納米技術與生命科學課件

納米技術與生命科學

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。納米科學主要研究對象是納米技術和納米結構。納米技術以空前的分辨率，為人類揭示了一個可見的原子、分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。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。納米技術之所以重要，是因為當金屬或非金屬被制成相當于100納米的物質時，它的物理性能和化學性質會發(fā)生出乎意料的變化，主要表現在強度、韌度、比熱、導電、磁吸收等方面。光學特性：當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、電能等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變?yōu)闊崮?、電能；又可用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等。熱學特性：當固態(tài)物質的顆粒小于10納米量級時，其熔點顯著下降。超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結，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體管基片。磁學特性：磁性超微粒實質上是一個生物磁羅盤。蜜蜂腹部的微磁粒是用于導航的。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還表現在超電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。因此，人類可以利用納米技術，選定原子構成分子，制造出各種具有特殊功能的新材料，再添加到產品中，從而使產品表現出意想不到的新性能。這是納米技術帶來的奇跡。目前，納米材料已在電子、化工、通訊、環(huán)保、醫(yī)藥等領域得廣泛應用。導電螺旋的SEM照片

（放大14000倍）國際商用機器公司的科學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三、納米技術對生物科學的影響

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速度來決定的?？茖W家發(fā)現，蛋白質有開關特性，用蛋白質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電腦，或稱為生物電腦。利用蛋白質團已開發(fā)出的開關裝置有：蛋白質芯片、遺傳生成芯片、血紅素芯片。生物集成電路的制作方法，在技術上也有所突破。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“嫁接”上去。如果聚賴氨酸的特性符合設計要求，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，其記憶可溶納一個大型電子計算機的記憶裝置，應用前景十分誘人。神經電腦：人腦有140億神經元及10億多神經節(jié)，每個神經元都與數千個神經元交叉相聯，它的作用相當于一臺微型電腦。用許多微處理機模仿人腦的神經元結構，采用大量的并行分布式網絡，就構成了神經電腦。它具有聯想、記憶、視覺和聲音識別能力。日本富通研究所開發(fā)的神經電腦，每秒更新數據速度近千億次。日本電氣公司推出一種神經網絡聲音識別系統(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塊連接而成的神經電腦，右腦為經驗功能部分，有1萬多個神經元，適用于圖像識別；左腦為識別功能部分，含有100萬個神經元，用于存儲單詞和語法規(guī)則?，F在，紐約、邁阿密和倫敦的飛機場已經用神經電腦來檢查爆炸物，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業(yè)以微生物技術、酶技術、細胞技術、基因技術為主導的新型納米農業(yè)生產體系即將形成，微生物工業(yè)產業(yè)將興起。生物納米技術是以生命科學為基礎，生物體系，就是生物組裝、細胞、酶等，采用工程技術原理，向人類提供商品或提供社會服條的綜合性科學技術。將逐步出現以動植物工程、藥物及疫苗、蛋白質工程、細胞融合、基因組、生物芯片及生物智能機等為基本內涵的生物工程產業(yè)，使人類生產和生活發(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，對人體健康不會產生影響。瑞典一大學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、尿液和細胞介質中工作。如用殺菌的分子機械人與病菌“決斗”，又將無數臺分子攝像機械放入血管中，進行現行現場拍攝，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、“納米生物導彈”軍事上的導彈，既然識別目標，又能摧毀目標。所謂“納米生物導彈”，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，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。6、人造血漿醫(yī)療上輸血，需要大量的血液。由于獻血人數有限，血庫經常緊缺。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品。全氟碳化合物是一種化學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的媒介；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。我國對納米技術大規(guī)模有組織的研究開始于20世紀80年代末。在過去的10年，我國已使用了多種化學方法制造納米材料，研制了氣體蒸發(fā)、磁控濺射、激光誘導CVD、等離子加熱氣相合成等制備裝置，發(fā)展了化學共沉淀、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)良的多種納米復合材料。近年來，根據國際納米材料研究的發(fā)展趨勢，建立和發(fā)展了制造納米結構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、介孔內延生長等組裝體系。10年來，我國學者在國內外發(fā)表納米材料與結構的論文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獎