纳米技术及纳米食品

纳米技术及纳米食品,主讲人:谢岩黎博士,一、纳米与纳米技术,集成电路：一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有许多的沟槽，这张图片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。,CPU,SRAM,肖克莱与硅谷,肉眼看激光唱片(CompactDisk,CD)，表面十分光滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和突起。,上图：Millipede-第一个应用于数据存储的纳米技术下图：Millipede存储芯片的实验室原型。,纳米技术存储器,激光技术加工合成树脂,日本科学家使用激光技术，用合成树脂制成了迄今为止世界上最小的牛。,1纳米-1米的十亿分之一,纳米（nanometer）长度单位nano是十亿分之一的意思1纳米是1米的十亿分之一，记作nm1纳米：10个氢原子一个挨一个排成一列20纳米：1根头发丝的三千分之一,1nm=110-9m,2.纳米技术(Nanotechnology),诞生：20世纪80年代随着新型显微镜(STM)的出现，人们能看清1纳米大小的物质，于是出现了纳米技术即毫微米技术。纳米结构：指尺寸在100纳米以下的微小结构。,纳米技术是指在纳米尺度（100纳米到0.1纳米）的范围内研究物质所具有的特异现象和特异功能，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。,3.纳米技术概念的提出,40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作的题为底部还有很大空间的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源,提出纳米技术概念的科学家费曼（19181988）R.P.Feynman,4.纳米技术的实现与发展,放大倍率达千万倍的扫描隧道显微镜（STM）发明后，纳米技术真正成为一门科学技术。从20世纪90年代初起，纳米科技得到迅速发展，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等新名词、新概念不断涌现。专家预测：未来全球技术发展的9大关键技术之一就是纳米科技的研究与应用。,5扫描隧道显微镜(STM),1981年，美国IBM公司在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛宾尼(G.Binnig)和罗海雷尔(H.Rohrer)发明了新式显微镜，称为“扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)”，简称STM。应用这台显微镜人们可以看到原子大小的东西。,STM,STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。,我国的纳米先锋,自2080年代中期以来，纳米科学和纳米技术越来越受到重视。为期十年的“纳米科学攀登计划”和一系列先进材料的研究计划是核心活动。已投入经费约数千万元人民币。有实力的领域是纳米探针和运用纳米管的生产工艺的开发方面。,中科院纳米科技项目首席科学家白春礼院士,势垒：在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：,两个导体之间存在着势垒，像隔着一座山一样,隧道效应,假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米，由于电子在空间的运动呈现波动性，根据量子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。如同在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样，这种现象称为隧道效应。,STM的工作原理,将针尖和样品表面作为两个电极，当其间距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成“隧道电流”隧道效应。STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。STM工作方式恒电流扫描恒高度扫描,视频：STM原理,STM的结构,主要由STM主体、电子反馈系统、计算机控制系统及高分辨图象显示终端组成。核心部件是探头。电子反馈系统用于产生隧道电流并维持隧道电流的恒定，控制针尖在样品表面进行扫描。计算机系统控制全部系统的运转，收集和存贮所获得的图像，并对原始图象进行处理，最后对在图象显示终端显示出的图象拍摄照片。,CSTM-9000,STM的原理示意图,6.纳米操纵技术,纳米级微加工后的表面应用隧道效应，用STM可以人为操作表面利用计算机控制STM的针尖作有规律的移动，在某些部位加大隧道电流的强度或使针尖顶端直接接触到样品的表面，在某些样品如石墨的平坦表面上刻出有规律的痕迹，形成某些有意义的图形和文字中科院化学所用自制的扫描隧道显微镜，在石墨晶体表面刻写出一幅中国地图，并写出“中国”两个字。两幅图像和文字的线条宽度只有10纳米。,中科院化学所的科技人员利用纳米技术在石墨表面通过搬迁碳原子绘制出世界上最小的中国地图,移动氙原子,1990年4月，美国IBM公司的两位科学家在用STM观测金属镍表面的氙原子时，由探针和氙原子的运动受到启示，尝试用STM针尖移动吸附在金属镍表面上的氙原子，得到下图所示的情况。并在液氦的低温下，将35个氙（Xe）原子在镍（Ni）表面上移动排列出5个原子高的“IBM”的构图。,视频：IBM,移动铁原子,1993年美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形；而后，又成功地移动铁原子写成了两个汉字“原子”。,铁原子的移动过程,铁基FeCO分子形成过程,一个铁原子(Fe)与一个一氧化碳(CO)分子结合成一个铁基分子(FeCO)的过程如图所示,7.2002年纳米操纵成像获重大突破,2002年第一期国际纳米界权威杂志纳米通讯采用了三个“笔迹”稍有歪扭的“DNA”字母虚拟画面做封面。这一成果由中科院上海原子核研究所、交通大学胡钧、李民乾两位研究员领衔的课题组与德国莎莱大学科学家合作取得。通过纳米操纵技术，用单个DNA分子长链书写；每个字母长仅300nm、宽200nm.应用原子力显微镜等纳米显微术，将单个DNA链完整地拉直，再对分子链进行切割、弯曲、修剪，终于“写”出“DNA”三个字母,二、纳米材料的奇异特性,莲花叶子表面的自我洁净莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。当远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。,视频：莲花,鹅毛和鸭毛的排列非常整齐，毛与毛之间的隙缝小到纳米尺寸，所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛。鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥。这种结构还极其通气。,不用洗涤剂的纳米服装,2002年，一批高科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等令人耳目一新,视频：纳米布料,具有易洁纳米涂层的陶瓷,视频：纳米表面,摔不碎的纳米陶瓷,纳米陶瓷,2.1具有很高的活性纳米超微颗粒很高的“比表面积”决定了其表面具有很高的活性。在空气中，纳米金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂、贮气材料和低熔点材料。,2.纳米材料的奇异特性,2.2特殊的光学性质,所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑。金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身材料等。,2.3特殊的热学性质大尺寸的固态物质其熔点往往是固定的，超细微化的固态物质其熔点却显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为突出。金的常规熔点为1064，当颗粒的尺寸减小到10纳米时，熔点会降低27，减小到2纳米尺寸时的熔点仅为327左右。,2.4特殊的磁学性质,磁性超微颗粒实质个生物磁罗盘。大块纯铁的磁矫顽力约为80安/米，当颗粒尺寸减小到210-2微米以下时，矫顽力增加103倍。当颗粒尺寸减小到约小于610-3微米时，矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒高矫顽力的特性制成的高储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，将磁性超微颗粒制成了用途广泛的磁性液体。,视频：磁性液体,2.5特殊的力学性质,陶瓷材料通常呈现脆性，由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。金属-陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质。,2.6量子尺寸效应,超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现出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。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关；比热亦会反常变化；光谱线会产生向短波长方向的移动。在低温下，对超微颗粒必须考虑量子效应，原有的宏观规律已不再成立。,2.7宏观量子隧道效应,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是未来微电子、光电子器件的基础，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考虑上述的量子效应。,3.纳米材料的应用与展望,电子和通讯全媒体存储器；平板显示器；微型机器人；纳米轻工业纳米结构药物、纳米食品；化学和材料纳米催化剂；纳米陶瓷；能源新型电池；氢燃料安全存储；制造工业微细加工；微型机器；飞机和汽车无须洗涤的油漆；不燃塑料；航天轻型航天器；环境保护纳米膜；纳米存储器；开关；,4.纳米材料的制造,视频：纳米材料制造,三、纳米技术在包装中的应用3.1纳米包装材料的现状近几年来，国内外研究最多的纳米材料是聚合物基纳米复合材料(PNMC)，可塑性、耐磨性、硬强度等性能都有明显的提高和增强。常用的聚合物有PP（聚丙烯）、PVC、PA（聚酰胺）、PE（聚乙烯）、PET（聚酯）、LCP（液晶聚合物）等；常用的纳米材料有金属、金属氧化物、无机聚合物等三大类。,3.2纳米包装材料的具体应用实例A.抗紫外线纳米包装B.纳米啤酒瓶C.纳米抗菌性包装材料,四、纳米技术与纳米食品,4.1纳米食品的概念纳米食品(Nanofood)，可描述为通过对以人类可食的天然物、合成物、生物生成物等原料采用工程技术加工制成的可作分子式表示的分子级物质,并根据人体寿命与健康所需进行不同配制的食品。纳米食品是利用纳米技术对食品进行加工和处理，使食品或其有效成分具有纳米粒子的特征。,纳米食品应该包含两方面的含义：一是指食品或其主要成分的平均分散粒径介于1-100nm，具有纳米粒子的明显特征；二是指食品中加入了纳米级的添加剂或功能元素，从而改变了食品的吸收、防腐、甚至功能等特性。,4.2纳米食品的特性A.纳米淀粉纳米化后的淀粉具有类似脂肪的爽滑细腻的口感,可以代替脂肪生产低脂食品;B.纳米纤维将大豆纤维超微细化至纳米级后,其理化特性将发生巨大变化,降低血脂水平、血清总胆固醇与低密度脂蛋白胆固醇水平等生物活性强度也大大增强,成为一种高活性的膳食纤维。,C.纳米钙采用纳米技术制备出的碳酸钙超微粉,与常规大颗粒碳酸钙相比,具有更强的亲水性,其中的碳酸钙分子化学性质更活泼,这些特性使碳酸钙超微粉更易被人体吸收利用。,D.纳米铁随着纳米材料制备技术的提高,纳米铁粉可以进一步提高铁粉的相对生物利用率,并改善铁粉的其它应用性能。E.纳米胶囊纳米胶囊具有一定的靶向性，从而使所载的药物或食品功能因子改变分布状态而浓集于特定的靶组织，以达到降低毒性、提高疗效的目的,F.纳米固醇即采用纳米技术将植物固醇制成纳米微粒,并在一定的温度下将其均匀地加入到人造黄油中,从而解决了无化学添加剂生产时纯植物固醇不溶于水和脂肪的难题。利用该项技术,还可以将植物固醇加入酸奶、冰淇淋及色拉油等食品中。,五、纳米食品的安全性,小粒径是纳米食品最重要的特征，是纳米粒子具有新特性和活性的本质，由于粒径变小引起了很多特性的增强和改变，成为人们利用和研究纳米技术的关键。同时，小粒径也是引起纳米食品的安全性问题的主要原因。,5.1.纳米粒子引起毒副作用增大物质经纳米化处理后，由于小尺寸效应和量子效应，比表面积显著增大，表面结合能和化学活性显著增高，具有特殊的物理化学效应；虽然化学组成并未发生变化，但是化学特性和生物活性与常规物质有很大的不同，其在机体内的生物活性、靶器官和暴露途径发生了改变，产生的生物效应会得到放大，这种放大作用甚至是以数量级增长的。,5.2纳米粒子进入人体和组织器官的途径增加A.纳米粒子可以透过生物膜和各种组织屏障B.纳米粒子进入人体的其他途径,六、纳米食品的安全性评价随着我们对“纳米”这一种新的物质形态的认识逐渐成熟，开始重视其对环境和有机体的安全性影响，并作了一些相关的研究。特别是纳米食品的出现，对其安全性的