纳米科技发展及远景

生物医学纳米技术,张宇生物科学与医学工程学院,第二讲：纳米科技发展及远景,生物医学纳米技术,Richard P. Feynman,人工度,Richard P. Feynman（Dec.1959, ASP)： 我认为，物理学的原理并不排斥用一个一个地安排原子来制造东西。这样作并不违反任何定理，因而在原则上是可以实现的。它在实践中迄今未实现是因为我们太大了。 如果我们能按照自己的愿望一个一个地安排原子，将会出现什么 这些物质将有什么性质？这是十分有趣的理论问题。虽然我不能精确回答它，但我决不怀疑当我们能在如此小的尺度上进行操纵时，将得到具有大量独特性质的起源。,Heinrich Rohrer (1933- ) Gerd Karl Binnig ( 1947- ),Xenon on Nickel (110),Iron on Copper (111),Nano Letter,操纵化学反应,纳米科技大事记年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。 年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。年月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。 年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。,年，继年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、年美国国际商用机器公司在镍表面用个氙原子排出“”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。 年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 到年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到亿美元。 近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从年的亿美元增加到年的亿美元。,物质尺度,用特殊尺度空间的物质来改变人们的认识！,不同尺寸和形状的金纳米粒子具有不同的熔点,500,不同尺寸和形状的银纳米粒子具有不同的光学性质,4nm 纳米棒（4nm*40nm）,金纳米粒子的光学性质随粒子的间距而变化,17.5-0nm,不同尺寸的钴纳米粒子具有不同的磁学性质,(A) Emission maxima and sizes of quantum dots of different composition. Quantum dots can be synthesized from various types of semiconductor materials (II-VI: CdS, CdSe, CdTeI; III-V: InP, InAsI; IV-VI: PbSeI) characterized by different bulk band gap energies. The curves represent experimental data from the literature on the dependence of peak emission wavelength on qdot diameter. The range of emission wavelength is 400 to 1350 nm, with size varying from 2 to 9.5 nm (organic passivation/solubilization layer not included). All spectra are typically around 30 to 50 nm (full width at half maximum). Inset: Representative emission spectra for some materials. Data are from (12, 18, 27, 7682). Data for CdHgTe/ZnS have been extrapolated to the maximum emission wavelength obtained in our group. (B) Absorption (upper curves) and emission (lower curves) spectra of four CdSe/ZnS qdot samples. The blue vertical line indicates the 488-nm line of an argon-ion laser, which can be used to efficiently excite all four types of qdots simultaneously. Adapted from (28) (C) Size comparison of qdots and comparable objects. FITC, fluorescein isothiocyanate; GFP, green fluorescent protein; qdot, green (4 nm, top) and red (6.5 nm, bottom) CdSe/ZnS qdot; qrod, rod-shaped qdot (size from Quantum Dot Corp.s Web site). Three proteinsstreptavidin (SAV), maltose binding protein (MBP), and immunoglobulin G (IgG)have been used for further functionalization of qdots (see text) and add to the final size of the qdot, in conjunction with the solubilization chemistry,SCIENCE 2005 （307） 538,量 子 点,小于10nmCdSe纳米晶TEM照片,纳米科技,在纳米尺度内（1-100nm)控制物质,创造特定功能的材料、器件和系统在纳米尺度内（1-100nm)，探测物质的结构与性能在纳米尺度内（1-100nm)，认识物质的物理、化学和生物学性质变化的规律，加以利用,纳米物理学纳米化学纳米材料学纳米加工学纳米测量学纳米机械学纳米电子学纳米生物学纳米医学 。,Nano-X,IT(Information Tech.) 和BT(Bio Tech.)持续发展的基础（Nano Tech.)： 支持硅芯片持续发展（10nm )与可能的替代技术 ：纳芯片 支持BT的基础之一：纳米尺度内操纵基因社会和经济可持续发展的要求：省材料、能源和空间 PC 数量以100%速度增长，2010年时PC年耗电 3600 billion KWh=美国2000年全年发电量 2020年中国将有3.5亿台PC.大的市场和高利润驱动,为什么要发展纳米科技？(1),创建的新材料、新器件发现独特的性质、现象和过程-对自然的深 入理解多学科的交叉领域 Living/non-living; Relevance areas-more chances,为什么要发展纳米科技？(2),纳器件：纳电子、纳光电子、纳传感器、纳存储及纳显示器件纳电子器件与微电子的关系：继承、相容、互补、互动Si-基 MOSFET 器件有超过 4050 years 的发展时期，它将不断地发展技术、优化性能、降低成本，是不可被替代的。2. 发展纳电子或纳光电子器件必须考虑新的工作原理，实现高性能、低成本的目标。,Moores Law Continues,4004,8080,8086,8008,Pentium Processor,486 DX Processor,386 Processor,286,Pentium II Processor,Pentium III Processor,Itanium Processor,Goal: Over 1 billion transistors by 2005,Pentium 4 Processor,Itanium 2 Processor,Stanfor