纳米微粒及化工医药应用技术-第一章

纳米微粒及其化工医药应用技术,涂伟霞化学工程学院,第1章绪论（1学时）第2章纳米微粒的物理化学性质（3学时）第3章纳米微粒的制备方法（3学时）第4章纳米结构（2学时）第5章纳米微粒的表征技术（4学时）第6章纳米微粒在化工领域的应用（4学时）第7章聚合物纳米微粒载药系统（5学时）第8章磁性纳米材料（5学时）第9章纳米微粒在生物医药中的应用（3学时）,参考书:,1.“纳米材料的理化特性与应用”，倪星元等编著，化学工业出版社，2006.2.“纳米医药”，徐辉碧等编著，清华大学出版社，2004.3.“纳米材料及应用技术”，许并社编著，化学工业出版社，2004.4.“纳米材料化学”，K.J.克莱邦德编著，化学工业出版社，20045.“纳米材料与生物技术”，杨文胜等编著，化学工业出版社，2005,成绩:,平时考勤，期末考试,什么是纳米颗粒？,纳米(nm)：10-9米,纳米颗粒：颗粒的尺寸在纳米尺度范围内,银金纳米颗粒,不列颠博物馆莱克格斯杯(400a.d.),伦敦皇家科学院法拉第金纳米胶体颗粒（150年前）,纳米颗粒的形貌,球形,三角形,多面体,第1章绪论,1.1纳米技术发展概述,1.2纳米化学,1.3纳米医药,1.4展望,21世纪的三大主导技术,纳米技术信息技术生物技术,1.1纳米技术发展概述,能够理解纳米热吗？当然能！,20世纪70年代重视微米技术的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为新世纪的先进国家。在富有挑战性的21世纪前20年，纳米技术将成为世界先进国家争夺的战略制高点，纳米技术产业发展的水平将决定着一个国家在世界经济中的地位。,1.1.1发展历史,1000多年前，蜡烛燃烧时形成的炭黑作为墨的原料和着色染料SnO2超细颗粒保护铜镜1856年，M.Faraday发现金胶体颗粒1959年，物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼Feynman首次提出纳米的概念，在1959年12月的美国物理学会年会上发表演讲时提出设想,第一个真正认识到纳米粒子的性能并引用纳米概念的是日本科学家。他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微粒子，并发现，导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热1962年，日本学者提出Kubo理论名古屋大学K.Kimoto教授提出“超微粒子结构”新概念,1981年，IBM公司先后发明扫描隧道显微镜和原子力显微镜1989年，斯坦福大学首次搬运原子团写下“STANFORD”20世纪90年代，纳米科技得到快速发展，已实现Feynman提到的两个梦想1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办Nanotechnology和Nanobiology两种国际性专业期刊也在同年相继问世，标志着纳米科学技术的正式诞生,1996年，在中国召开了第四届国际纳米科技学术会议首届（1992年）纳米材料会议在墨西哥召开1994年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料学术会议1996年在美国夏威夷召开第三届国际会议1998年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届纳米材料会议2000年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议2005在北京举行中国国际纳米会议,何谓纳米？何谓纳米技术？,纳米（nanometer)是一个长度单位，用nm表示，1nm=10-9m.纳米科学技术（Nano-ST）是在纳米尺度（1100nm）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。它是现代物理（介观物理、量力力学和混沌物理）和先进工程技术（计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术）结合的产物。,纳米科技的研究对象,由尺寸在1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能在实际应用中的技术问题。是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的介观领域；是多种学科的交叉汇合点，它开辟了人类认识世界的新层次，也使人类改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平。标志着人类科学技术进入了纳米科技时代。,自然界的纳米材料人体和兽类的牙齿海洋中的生命粒子蜜蜂的“罗盘”腹部的磁性纳米粒子螃蟹的横行磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱海龟在大西洋的巡航头部磁性粒子的导航,1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”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地图，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。,1997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20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。1999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。,2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。,1991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10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。,纳米科学的分类,纳米物理学纳米化学纳米材料学纳米电子学,纳米生物学纳米力学纳米加工学,这些学科为纳米材料的发展提供了科学基础。其中每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业工程理论与当代尖端高新技术的结晶。主要以物理、化学的微观研究理论为基础，以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段，是一个内容极广的多学科群。,纳米材料(nanomaterial)又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nanoparticle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，是尺寸在1nm100nm间的粒子，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米线、纳米带、纳米管等,纳米材料,1.1.2纳米化学,催化材料纳米抗菌塑料纳米涂料纳米助燃剂和阻燃剂,纳米镍粉助燃剂纳米铂催化制氢纳米金催化反应等,光催化剂纳米粒子作为光催化剂有许多优点：（1）粒径小，比表面大，光催化效率高；（2）纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。电子、空穴能够到达表面的数量多，故化学反应活性高；（3）纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响,纳米技术在化工领域的应用,纳米技术的另一重要应用，优点：（1）静电屏蔽材料一般由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO做成涂料，由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用；（2）氧化物纳米微粒的颜色各种各样，可通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。,纳米静电屏蔽材料,（1）将纳米TiO2粉体加到化妆品中，可有效地遮蔽紫外线；（2）用添加0.1%0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装食品，可防止紫外线对食品的破坏，还可使食品保持新鲜；（3）金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可大大降低静电作用,遮蔽紫外线,利用纳米碳管独特的孔状结构，大的比表面，较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间体的运动,纳米反应器,RNA线度在15nm20nm之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，可在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。已成功利用纳米SiO2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。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，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都可能被攻克，从而将使医学研究发生一次革命,1.1.3纳米医药,(1)智能药物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。为糖尿病人研制的超小型葡萄糖检测美国MIT微型药房的雏形：一种具有上千个小药库的微型芯片，每一个小药库里可以容纳25纳升的任何药物，例如止痛剂或抗生素等。美国密西根大学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(chemicalsignatures)。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。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。人工红细胞的腔体外壳是与生物体相容的金刚石，腔内储氧，开口处是一个可以从腔内向外传递氧的转子，随其旋转，将氧分子输入血液。美国的纳米技术专家RobertFreitas初步提出的人造红血球(respirocyte)的设计,已成为纳米技术的标志性结果。这个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。药物的溶解和吸收问题缩小药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法。为了避免纳米颗粒在加工过程中的聚合，不溶的药物是被悬浮在含一般认为安全的稳定剂和赋形剂的悬浮液中。这些赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也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。,(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。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。病毒有硅铝酸受体“钥匙”。硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞(glycodendrimers)表面,(5)识别血液异常的生物芯片美国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。,纳米技术在其它领域的应用纳米电脑可人机对话并具有自我复制能力的纳米装置军事方面昆虫作平台，分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能分子传感器和探测器仿生纳米材料制作人的牙齿、关节。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏