光电功能材料课程-10、11.ppt

光电功能材料 11 刘磊电话 84315437Email liulei442 3 光功能材料3 1 激光材料3 2 光纤材料3 3光电显示材料3 4光伏材料及太阳能电池3 5纳米材料3 6液晶材料与LCD 目录 一 纳米的基本知识 1 纳米的概念纳米是英文nanometer的译名 是一种度量单位 1纳米为百万分之一毫米 即1毫微米 也就是十亿分之一米 1nm为10 9m 约相当于45个原子串起来那么长 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构 纳米研究的范围是1到100纳米 凡是至少在一维方向上的线度在1 100nm之间的单元和由这种纳米单元作结构单元的材料均成为纳米材料 线度为1 100nm的颗粒称为纳米颗粒 又称为超微粒或者超细粉 2 纳米科技概念的提出与发展 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家 诺贝尔奖获得者理查德 费恩曼 纳米科技的迅速发展是在80年代末 90年代初 80年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器 扫描隧道显微镜 STM 原子力显微镜 AFM 等微观表征和操纵技术 它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用 与此同时 纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力 迅速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域 扫描隧道显微镜 STM 利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜 其分辨率可达原子水平 即观察到原子级的图像 在生物学中 可观察大分子和生物膜的分子结构 原子力显微镜是根据扫描隧道显微镜的原理设计的高速拍摄三维图像的显微镜 可观察大分子在体内的活动变化 二 纳米科技的研究领域 1 纳米材料纳米材料是纳米科技发展的重要基础 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度 并且具有特殊性能的材料 其主要类型为 纳米颗粒与粉体 纳米碳管和一维纳米材料 纳米薄膜 纳米块体等 对于纳米材料的研究包括两个方面 一是系统地研究纳米材料的性能 微结构和谱学特征 通过和常规材料对比 找出纳米材料特殊的规律 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论 二是发展新型纳米材料 目前纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中 如何做到均匀化 分散化 稳定化 2 纳米器件纳米科技的最终目的是以原子 分子为起点 去制造具有特殊功能的产品 因此 纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志 如前所述 纳米技术发展的一个主要推动力来自于信息产业 在纳米尺度下 现有的电子器件把电子视为粒子的前提不复存在 因而会出现种种新的现象 产生新的效应 如量子效应 利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件 像共振隧道二级管 量子阱激光器和量子干涉部件等 与电子器件相比 量子器件具有高速 速度可提高1000倍 低耗 能耗降低1000倍 高效 高集成度 经济可靠等优点 为制造具有特定功能的纳米产品 其技术路线可分为 自上而下 topdown 和 自下而上 bottomup 两种方式 自上而下 是指通过微加工或固态技术 不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化 而 自下而上 是指以原子 分子为基本单元 根据人们的意愿进行设计和组装 从而构筑成具有特定功能的产品 这种技术路线将减少对原材料的需求 降低环境污染 科学家希望通过纳米生物学的研究 进一步掌握在纳米尺度上应用生物学原理制造生物分子器件 目前 在纳米化工 生物传感器 生物分子计算机 纳米分子马达等方面 科学家都做了重要的尝试 3 纳米结构的检测与表征 为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能 发现新现象 发展新方法 创造新技术 必须建立纳米尺度的检测与表征手段 这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电 力 磁 光学特性 纳米空间的化学反应过程 物理传输过程 以及研究原子 分子的排列 组装与奇异物性的关系 扫描探针显微镜 SPM 的出现 标志着人类在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域 作为纳米科技重要研究手段的SPM也被形象地称为纳米科技的 眼 和 手 所谓 眼睛 即可利用SPM直接观察原子 分子以及纳米粒子的相互作用与特性 所谓 手 是指SPM可用于移动原子 构造纳米结构 同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象 提出新理论的微小实验室 同时 与纳米材料和结构制备过程相结合 以及与纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测技术的研究和开发也受到广泛重视 如激光镊子技术可用于操纵单个生物大分子 三 纳米的奇异特性 纳米颗粒的线度是1 100nm 它可以是单个颗粒 也可以是微粒的集合体 构成它的物质可以是元素 也可以是化合物 由于纳米颗粒的线度介于微观的原子 分子 和宏观物体之间 其结构和特性既不同于微观的原子核分子 也不同于宏观物体 具有独特的特性 纳米材料结构的特殊性决定了纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能 进一步优化了材料的电学 热学及光学性能 表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比 其体积与直径的立方成正比 故其比表面积 表面积 体积 与直径成反比 随着颗粒直径变小 比表面积将会显著增大 说明表面原子所占的百分数将会显著地增加 假如原子间距为3 10 4微米 表面原子仅占一层 粗略地估算表面原子所占的百分数见表17 1 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的 若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒 直径为2 10 3微米 进行电视摄像 实时观察发现这些颗粒没有固定的形态 随着时间的变化会自动形成各种形状 如立方八面体 十面体等 它既不同于一般固体 又不同于液体 是一种准固体 在电子显微镜的电子束照射下 表面原子仿佛进入了 沸腾 状态 尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性 这时微颗粒具有稳定的结构状态 小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变 在一定条件下会引起颗粒性质的质变 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应 对超微颗粒而言 尺寸变小 同时其比表面积亦显著增加 从而产生如下一系列新奇的性质 1 特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时 即失去了原有的富贵光泽而呈黑色 事实上 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色 尺寸越小 颜色愈黑 银白色的铂 白金 变成铂黑 金属铬变成铬黑 由此可见 金属超微颗粒对光的反射率很低 通常可低于l 大约几微米的厚度就能完全消光 利用这个特性可以作为高效率的光热 光电等转换材料 可以高效率地将太阳能转变为热能 电能 此外又有可能应用于红外敏感元件 红外隐身技术等 2 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时 其熔点是固定的 超细微化后却发现其熔点将显著降低 当颗粒小于10纳米量级时尤为显著 例如 金的常规熔点为1064C 当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时 则降低27 2纳米尺寸时的熔点仅为327C左右 银的常规熔点为670C 而超微银颗粒的熔点可低于100 因此 超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结 此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料 甚至可用塑料 采用超细银粉浆料 可使膜厚均匀 覆盖面积大 既省料又具高质量 日本川崎制铁公司采用0 1 1微米的铜 镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属 超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力 例如 在钨颗粒中附加0 1 0 5 重量比的超微镍颗粒后 可使烧结温度从3000 降低到1200 1300 以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片 3 特殊的磁学性质 人们发现鸽子 海豚 蝴蝶 蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒 使这类生物在地磁场导航下能辨别方向 具有回归的本领 磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘 生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底 通过电子显微镜的研究表明 在趋磁细菌体内通常含有直径约为2 10 2微米的磁性氧化物颗粒 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同 大块的纯铁矫顽力约为80安 米 而当颗粒尺寸减小到2 10 2微米以下时 其矫顽力可增加1千倍 若进一步减小其尺寸 大约小于6 10 3微米时 其矫顽力反而降低到零 呈现出超顺磁性 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性 已作成高贮存密度的磁记录磁粉 大量应用于磁带 磁盘 磁卡以及磁性钥匙等 利用超顺磁性 人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体 4 特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性 然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性 因为纳米材料具有大的界面 界面的原子排列是相当混乱的 原子在外力变形的条件下很容易迁移 因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性 使陶瓷材料具有新奇的力学性质 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂 研究表明 人的牙齿之所以具有很高的强度 是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的 呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3 5倍 至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质 其应用前景十分宽广 5 宏观量子隧道效应 各种元素的原子具有特定的光谱线 如钠原子具有黄色的光谱线 原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释 由无数的原子构成固体时 单独原子的能级就并合成能带 由于电子数目很多 能带中能级的间距很小 因此可以看作是连续的 从能带理论出发成功地解释了大块金属 半导体 绝缘体之间的联系与区别 对介于原子 分子与大块固体之间的超微颗粒而言 大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级 能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大 当热能 电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时 就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性 称之为量子尺寸效应 因此 对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应 原有宏观规律已不再成立 隧道效应 经典物理学认为 物体越过势垒 有一阈值能量 粒子能量小于此能量则不能越过 大于此能量则可以越过 例如骑自行车过小坡 先用力骑 如果坡很低 不蹬自行车也能靠惯性过去 如果坡很高 不蹬自行车 车到一半就停住 然后退回去 量子力学则认为 即使粒子能量小于阈值能量 很多粒子冲向势垒 一部分粒子反弹 还会有一些粒子能过去 好像有一个隧道 故名隧道效应 quantumtunneling 可见 宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性 虽然在通常的情况下 隧道效应并不影响经典的宏观效应 因为隧穿几率极小 但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现 电子具有粒子性又具有波动性 因此存在隧道效应 近年来 人们发现一些宏观物理量 如微颗粒的磁化强度 量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应 称之为宏观的量子隧道效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应将会是未来微电子 光电子器件的基础 或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限 当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应 例如 在制造半导体集成电路时 当电路的尺寸接近电子波长时 电子就通过隧道效应而溢出器件 使器件无法正常工作 经典电路的极限尺寸大概在0 25微米 目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件 1 材料和制备 在纳米尺度上 通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元 制备更轻 更强和可设计的材料 同时具有长寿命和低维修费用的特点 以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料 生物材料和仿生材料 实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料 具有抗菌 除味 防腐 抗老化 抗紫外线等作用 可用作电冰箱 空调外壳里的抗菌除味塑料 四 纳米科技的应用 效应颜料 这是纳米材料最重要最有前途的用途之一 特别是在汽车的涂装业中 因为纳米材料具有随角度变色特性而使汽车面漆大增光辉 深受配受专家的喜爱 防护材料 由于某些纳米材料透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用 在产品和材料中添加少量 一般不超过含量的2 的纳米材料 就会大大减弱紫外线对这些产品和材料的损伤作用 使之更加具有耐久性和透明性 因而被广泛用于护肤产品 所装材料 外用面漆 木器保护 天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等方面 几种典型的纳米材料 精细陶瓷材料 使用纳米材料可以在低温 低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷 因为这些纳米粒子非常小 很容易压实在一起 此外 这些粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透明涂料 喷涂在诸如玻璃 塑料 金属 漆器甚至磨光的大理石上 具有防污 防尘 耐刮 耐磨 防火等功能 涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既轻又耐磨 还不易破碎 催化剂纳米粒子表面积大 表面活性中心多 为做催化剂提供了必要的条件 目前用纳米粉材如铂黑 银 氧化铝和氧化铁等直接用于高分子聚合物氧化 还原及合成反应的催化剂 可大大提高反应效率 利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂 燃烧效率可提高100倍 如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明 镍粒径在5nm以下 反应选择性发生急剧变化 醛分解反应得到有效控制 生成酒精的转化率急剧增大 磁性材料 纳米粒子可作永久性磁性材料 磁性纳料粒具有单磁畴结构及矫顽力很高的特征 用它来做磁记录材料可以提高信噪比 改善图象质量 当磁性材料的粒径小于临界半径时 粒子就变得有顺磁性 称之为超顺磁性 这时磁相互作用弱 利用这种超强磁性可作磁流体 磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性 它在工业废液处理方面有着广阔的应用前景 磁流体 又称磁性液体 铁磁流体或磁液 是一种新型的功能材料 它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性 是由直径为纳米量级 10纳米以下 的磁性固体颗粒 基载液 也叫媒体 以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体 该流体在静态时无磁性吸引力 当外加磁场作用时 才表现出磁性 正因如此 它才在实际中有着广泛的应用 在理论上具有很高的学术价值 用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异 可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封 减震 医疗器械 声音调节 光显示 磁流体选矿等领域 传感材料纳米粒子具有高比表面积 高活性 特殊的物理性质及超微小性等特征 是适合用作传感器材料的最有前途的材料 外界环境的改变会迅速引起纳料粒子表面或界面离子价态和电子运输的变化 利用其电阻的显著变化可做成传感器 其特点是响应速度快 灵敏度高 选择性优良 传感器是纳米技术应用的一个重要领域 随着纳米技术的进步 造价更低 功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面 比如 将微型传感器装在包装箱内 可通过全球定位系统 可对贵重物品的运输过程实施跟踪监督 将微型传感器装在汽车轮胎中 可制造出智能轮胎 这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更换或充气 还有些可承受恶劣环境的微型传感器可放在发动机汽缸内 对发动机的工作性能进行监视 在食品工业领域 这种微型传感器可用来监测食物是否变质 比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状况等 光电材料与光学材料 纳米材料由于其特殊的电子结构与光学性能作为非线性光学材料 特异吸光材料 军事航空中用的吸波隐身材料 以及包括太阳能电池在内的储能及能量转换材料等具有很高的应用价值 增强材料 纳米结构的合金具有很高的延展性等 在航空航天工业与汽车工业中是一类很有应用前景的材料 纳米硅作为水泥的添加剂可大大提高其强度 纳米纤维作硫化橡胶的添加剂可增强橡胶并提高其回弹性 纳米管在作纤维增强材料方面也有潜在的应用前景 还有将纳米材料用作火箭燃料推进剂 H2分离膜 颜料稳定剂及智能涂料 复合磁性材料等 纳料材料由于具有特异的光 电 磁 热 声 力 化学和生物学性能 广泛应用于宇航 国防工业 磁记录设备 计算机工程 环境保护 化工 医药 生物工程和核工业等领域 不仅在高科技领域有不可替代的作用 也为传统产业带来生机和活力 可以预言 纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展 必将对传统的化学工业和其它产业重大影响 一种典型的纳米材料 纳米二氧化钛 TiO2 作为一种新型光催化剂 抗紫外线剂 光电效应剂等 以其神奇的功能 将在抗菌防霉 排气净化 脱臭 水处理 防污 耐候抗老化 汽车面漆等领域显示广阔的应用前景 随着其产品工业化生产和功能性应用发展的日趋成熟 它在环境 信息 材料 能源 医疗与卫生等领域的技术革命中将起到不可低估的作用 将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中 则可以有效地遮蔽紫外线 纳米TiO2应用领域 在人们的居住环境中存在着各种有害细菌 对人类生活产生不良影响 居室内各种建筑装饰材料 如人造板 木质复合地板 层压木质板家具和胶粘剂等会挥发出甲醛 苯 卤代烃 芳香烃等有毒污染物 危害人体健康 如果在建筑内墙涂料 地面覆盖材料 墙面装饰材料 家具面漆等材料中添入纳米TiO2 既可杀菌防霉 又可降解有机污染物 使人们生活在卫生健康的环境中 此外 添加约1 纳米TiO2的抗菌塑料 可广泛应用于食品包装 电器 家具 餐具 公共设施等 以防止病菌的繁殖和交叉感染 抗菌纤维可制作医疗用品等 还可生产抑菌除臭的保健纺织品 卫生纺织品等 以提供安全有效的保健功能 纳米TiO2抗菌防霉机理由于TiO2电子结构所具有的特点 使其受光时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基 攻击有机物 达到降解有机污染物的作用 当遇到细菌时 直接攻击细菌的细胞 致使细菌细胞内的有机物降解 以此杀灭细菌 并使之分解 一般常用的杀菌剂银 铜等能使细菌细胞失去活性 但细菌杀死后 尸体释放出内毒素等有害的组分 纳米TiO2不仅能影响细菌繁殖力 而且能破坏细菌的细胞膜结构 达到彻底降解细菌 防止内毒素引起的二次污染 纳米TiO2属于非溶出型材料 在降解有机污染物和杀灭细菌的同时 自身不分解 不溶出 光催化作用持久 并具有持久的杀菌 降解污染物效果 TiO2光催化技术工艺简单 成本低廉 利用自然光 常温常压即可催化分解病菌和污染物 具有高活性 无二次污染 无刺激性 安全无毒 化学稳定性和热稳定性好等特点 是最具开发前景的绿色环保催化剂之一 采用纳米TiO2光催化剂处理有机废水 能有效地将水中的酚类 染料 农药等进行除毒 脱色 矿化 最终降解为二氧化碳和水 目前这方面的研究已取得进展 光催化降解污水将成为有效的处理手段 利用金红石型纳米TiO2的紫外线屏蔽优异性和高耐候性 以及光催化效应来降解氮氧化物 NOx 硫氧化物 SOx 等 还可以有效地治理工业废气 汽车尾气排放所造成的大气污染 其原理是将有机或无机污染物进行氧化还原反应 生成水 二氧化碳 盐等 从而净化空气 研究结果显示 纳米TiO2光催化空气净化涂料 陶瓷等材料在消除氮氧化物等方面的应用具有良好的前景 此外 纳米TiO2在磁性材料 浅色导电材料 气体传感器 湿度传感器等领域已得到很好的应用 随着应用研究的深入 它的应用领域必将越来越广泛 目前 国内纳米TiO2的生产和应用尚处于初级发展阶段 2 微电子和计算机技术 存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片已投入生产 计算机在普遍采用纳米材料后 可以缩小成为 掌上电脑 纳米结构的微处理器的效率提高1兆倍 并实现太比特的存储器 提高1000倍 纳米技术的发展 使微电子和光电子的结合更加紧密 在光电信息传输 存贮 处理 运算和显示等方面 使光电器件的性能大大提高 将纳米技术用于现有雷达信息处理上 可使其能力提高10倍至几百倍 甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察 最近 麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中 每个原子发射一个有用的光子 其效率之高 令人惊讶 利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子器件或纳米器件也叫单电子晶体管 在量子器件中 只要控制一个电子的行为即可完成特定的功能 即量子器件不单纯通过控制电子数目的多少 主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能的 因此 量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗 从根本上解决日益严重的功耗问题 由于器件尺度为纳米级 集成度大幅度提高 同时还具有器件结构简单 可靠性高 成本低等诸多优点 因此 有理由相信纳米电子学的发展 必将在电子学领域中引起一次新的电子技术革命 从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段 3 环境和能源 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜 这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染 并能够对这些制剂进行过滤 从而消除污染 制备孔径lnm的纳米孔材料作为催化剂的载体 纳米孔材料和纳米膜材料 孔径l0 l00nm 用来消除水和空气中的污染 成倍的提高太阳能电池的能量转换效率 4 医学与健康 纳米技术将给医学带来变革 纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便 用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 科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离 用金的纳米粒子进行定位病变治疗 以减少副作用等 在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应 研究耐用的与人体友好的人工组织 器官复明和复聪器件 疾病早期诊断的纳米传感器系统 研究纳米技术在生命医学上的应用 可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系 获取生命信息 科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人 在血液中循环 对身体各部位进行检测 诊断并实施特殊治疗 纳米医学 我们知道人体是由多种器官组成的 如 大脑 心脏 肝 脾 胃 肠 肺 骨骼 肌肉和皮肤 器官又是由各种细胞组成的 细胞是器官的组织单元 细胞的组合作用才显示出器官的功能 那么细胞又是由什么组成的呢 按现在的认识 细胞的主要成份是各种各样的蛋白质 核酸 脂类和其它生物分子 可以统称生物分子 它的种类在数十万种 生物分子是构成人体的基本成分 它们各自具有独特的生物活性的 正是它们不同的生物活性决定了它们在人体内的分工和作用 由于人体是由分子构成的 当人体的分子机器 如合成蛋白质的核糖体 DNA复制所需的酶等 出现故障或工作失常时 就会导致细胞死亡或异常 从分子的微观角度来看 目前的医疗技术尚无法达到分子修复的水平 而纳米医学则是在分子水平上 利用分子工具和人体的分子知识 所从事的诊断 医疗 预防疾病 防止外伤 止痛 保健和改善健康状况等科学技术 广义地讲都属于纳米医学的范畴 换句话讲 人们将从分子水平上认识自己 创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病 改善人类的整个生命系统 首先需要认识生命的分子基础 然后从科学认识发展到工程技术 设计制造大量的具有令人难以置信的奇特功效的纳米装置 这些微小的纳米装置的几何尺度仅有头发丝的千分之一左右 是由一个个分子装配起来的 能够发挥类似于组织和器官的功能 并且更准确和更有效地发挥作用 他们可以在人体的各处畅游 甚至出入细胞 在人体的微观世界里完成特殊使命 例如 修复畸变的基因 扼杀刚刚萌芽的癌细胞 捕捉侵入人体的细菌和病毒 并在它们致病前就消灭它们 探测机体内化学或生物化学成分的变化 适时地释放药物和人体所需的微量物质 及时改善人的健康状况 最终实现纳米医学 使人类拥有持续的健康 未来的纳米医学将是强大的 它又会是令人惊讶得小 因为在其中所发挥作用的药物和医疗装置都是肉眼所无法看到的 但是它的功能会令世人惊叹 1 智能药物 这是纳米医学中的一个非常活跃的领域 适时准确地释放药物是它的基本功能之一 科学家正在为糖尿病人研制超小型的 模仿健康人体内的葡萄糖检测系统 它能够被植入皮下 监测血糖水平 在必要的时候释放出胰岛素 使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态 目前这个芯片的尺寸还相当于一个小硬币 可以把它做得更小 并计划装上一个 智能化 的传感器 使它可以适时和适量地释放药物 能否在形成致命的肿瘤之前 早期杀灭癌细胞 美国密西根大学的JamesR BakerJr 博士正在设计一种纳米 智能炸弹 它可以识别出癌细胞的化学特征 chemical signatures 这种 智能炸弹 很小 仅有20纳米左右 能够进入并摧毁单个的癌细胞 此装置的研制刚刚开始 而初步的人体实验至少要五年以后才能进行 2 人工红血球 纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能 而且还有增强人体功能的能力 我们知道 脑细胞缺氧6至10分钟即出现坏死 内脏器官缺氧后也会呈现衰竭 设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球 携氧量是天然红血球的200倍以上 当人的心脏因意外 突然停止跳动的时候 医生可以马上将大量的人造红血球注入人体 随即提供生命赖以生存的氧 以维持整个机体的正常生理活动 血球是个一微米大小的金刚石的氧气容器 内部有1000个大气压 泵浦动力来自血清葡萄糖 它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍 并维持生物炭活性 它可以应用于贫血症的局部治疗 人工呼吸 肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等 3 纳米药物输运 纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一 按目前的认识 有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题 由于药物颗粒缩小时 药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加 所以药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高 药物的吸收又受其溶解率的限制 因此 缩小药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法 纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子 同时提高溶解性 以提高难溶性药物的药效率 深入研究的制粉技术已经能够将药物缩小到400纳米以下 提高了纳米药物颗粒的溶解率 一旦不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒 就适合于口服或者注射了 纳米医学将给医学界 诸如癌症 糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革 已经获得越来越多的认同 利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里 而不会引起任何免疫反应 树形聚合物 dendrimers 就是提供此类输送的良好候选材料 因为 它是非生物材料 不会诱发病人的免疫反应 没有形成排异反应的危险 所以 可以作为药物的纳米载体 携带药物分子进入人体的血液循环 使药物在无免疫排斥的条件下 发挥治病的效果 这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的 4 捕获病毒的纳米陷阱 密西根大学的DonaldTomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱 体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们 同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒 此纳米陷阱使用的是超小分子 此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合 使病毒丧失致病的能力 通俗地讲 人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的 锁 只准许持 钥匙 者进入 不幸的是 病毒竟然有硅铝酸受体 钥匙 Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞 glycodendrimers 表面 当病毒结合到陷阱细胞表面 就无法再感染人体细胞了 陷阱细胞由外壳 内腔和核三部分组成 内腔可充填药物分子 将来有可能装上化疗药物 直接送到肿瘤上 陷阱细胞能够繁殖 生成不同的后代 个子较大的后代可能携带更多的药物 研究者希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库 5 识别血液异常的生物芯片 美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言 正像所预想的那样 纳米技术可以在血流中进行巡航探测 即时地发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者 并予以歼灭 从而消除传染性疾病 MichealWisz做了一个雏形装置 发挥芯片实验室的功能 它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞 血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面 从而改变激光的形成 癌细胞会产生一种明亮的闪光 而健康细胞只发射一种标准波长的光 以此鉴别癌变 5 生物技术 虽然分子计算机目前只是处于理想阶段 但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件 其中细菌视紫红质最具前景 该生物材料具有特异的热 光 化学物理特性和很好的稳定性 并且 其奇特的光学循环特性可用于储存信息 从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用 它将使单位物质的储存和信息处理能力提高上百万倍 在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质 核糖核酸等 在纳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 生物仿生化学药品和生物可降解材料 动植物的基因改善和治疗 测定DNA的基因芯片等 纳米生物学主要包含两个方面 一 利用新兴的纳米技术来解决和研究生物学问题 二 利用生物大分子制造分子器件 模仿和制造类似生物大分子的分子机器 纳米科技的最终目的是制造分子机器 而分子机器的启发来源于生物体系中存在的大量的生物大分子 它们被费曼等人看作是自然界的分子机器 从这个意义上说 纳米生物学应该是纳米科技中的一个核心领域 利用DNA和某些特殊的蛋白质的特殊性质 有可能制造出分子器件 目前研究的热点在分子马达 硅 神经细胞体系和DNA相关的纳米体系与器件 利用纳米技术 人们已经可以操纵单个的生物大分子 操纵生物大分子 被认为是有可能引发第二次生物学革命的重要技术之一 1 生物芯片技术 生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类芯片 半导体电子芯片是集成具有特定电子学功能的微单元 所形成的电子集成电路 而生物芯片则是在很小几何尺度的表面积上 装配一种或集成多种生物活性 仅用微量生理或生物采样 即可以同时检测和研究不同的生物细胞 生物分子和DNA的特性 以及它们之间的相互作用 获得生命微观活动的规律 生物芯片可以粗略地分为细胞芯片 蛋白质芯片 生物分子芯片 和基因芯片 即DNA芯片 等几类 都有集成 并行和快速检测的优点 已成为二十一世纪生物医学工程的前沿科技 近两年 已经通过微制作 MEMS 技术 制成了微米量级的机械手 能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞 进行细胞结构 功能和通讯等特性研究 美国哈佛大学的Whitesides教授领导的研究人员 发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用 并研制出效果更好的软光刻方法 softlithography 以此 制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片 通过调节细胞间距等 研究细胞分泌和胞间通讯 此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等 它的功能原理非常简单 仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性 即可达到选择和固定细胞 及细胞面密度控制 蛋白质芯片的发展已经经历了约十年的时间 现已出现了相对成熟的技术 如瑞典的BIACORE的单元芯片 中科院力学所的多元蛋白质光学芯片和美国的SELDI质谱芯片等 它们的共同特点都是将生物分子作为配基 固定在固体芯片表面或表面微单元上 以单一 或面阵 或序列式 利用生物分子间的特异结合的自然属性 待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子复合物 然后 检测此复合物的存在与否 达到对蛋白质的探测 识别和纯化的目的 以上不同技术的差异仅在探测方法的不同 BIACORE技术利用表面等离子体共振技术检测芯片 进行单一蛋白质检测 多元蛋白质光学芯片是光学成象法 可以同时检测多种混合的蛋白质 SELDI技术则采用质谱法 以时间顺序检测序列蛋白质 随着人类基因工程的发展 基因芯片 即DNA芯片 得到迅速的发展 DNA芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析 它是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术 DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息 从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息 可以用于人类基因组中遗传信息的分析 具特殊用途的DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选已知的DNA序列 DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达 以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变化 随着DNA芯片及杂交技术的发展 DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断 药物开发和人类遗传诊断 2 分子马达 分子马达是由生物大分子构成 利用化学能进行机械做功的纳米系统 天然的分子马达 如 驱动蛋白 RNA聚合酶 肌球蛋白等 在生物体内参与了胞质运输 DNA复制 细胞分裂 肌肉收缩等一系列重要生命活动 以微管蛋白为轨道 沿微管的负极向正极运动 并由此完成各种细胞内外传质功能 美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达 研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备 纳米直升机 该设备共包括三个组件 两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件 其中的生物分子组件将人体的生物 燃料 ATP转化为机械能量 使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈 这种技术仍处于研制初期 它的控制和如何应用仍是未知数 将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务 3 硅虫晶体管 美国和北爱尔兰的研究者偶然发现了一种活的半导体 halfbacterium halfmicrochip 它能够嗅出生物战所用的毒气 这一发现竟来自科学家为消除计算机芯片生产线上的某些特殊细菌的屡屡失败 为消除这些微生物 研究者试用了从紫外线到强氧化剂 但是 细菌仍可幸存 亚利桑纳大学的物理学家O Hanlon和Baier认为这种细菌半导体晶体恰好可以用作生物晶体管的门极 在呼吸和光合作用等产生电子转移的生物过程中 光照或者器官的水汽能诱导细菌产生电子 犹如打开了这个生物晶体管 这种精巧的灵敏装置能够探测到生物战毒气 4 纳米探针 一种探测单个活细胞的纳米传感器 探头尺寸仅为纳米量级 当它插入活细胞时 可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤 纳米探针是一支直径50纳米 外面包银的光纤 并传导一束氦 镉激光 它的尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体 325纳米波长的激光将激发抗体和抗原BPT所形成的分子复合物产生荧光 此荧光进入探针光纤后 由光探测器接收 可以用于探测很多细胞化学物质 可以监控活细胞的蛋白质和其它所感兴趣的生物化学物质 6 航天和航空 纳米器件在航空航天领域的应用 不仅是增加有效载荷 更重要的是使耗能指标成指数倍的降低 这方面的研究内容还包括 研制低能耗 抗辐照 高性能计算机 微型航天器用纳米集成的测试 控制电子设备 抗热障 耐磨损的纳米结构涂层材料 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理 可以提高机械设备的耐磨性 硬度和使用寿命 7 国家安全 由于纳米