纳米技术在各领域的应用(ppt 49页).ppt

1、第六讲 纳米材料应用,普通的材料通过纳米化，能增添许多神奇特性； 利用纳米化材料特殊性质，可以开发出难以计数的新的元器件。 纳米技术在电子信息领域的应用 纳米技术在生物医学领域的应用 纳米技术在国防军事中的应用,一、纳米技术在电子信息领域的应用,纳米技术发展的一个主要推动力来自于信息产业，微电子器件薄、轻、小的客观要求与发展趋势，迫使人们研究和使用纳米科技 传统的电子器件，只利用了电子波粒二象性中的粒子性，而且都是通过电子数量来实现信号处理的 纳米器件或称量子器件是利用量子效应原理制成的，它的尺寸在纳米级，具有更高的响应速度、更低的功耗、更大集成度，同时器件还具有结构简单、可靠性好、成本低的优

2、点,现代电子学正经历一个从微电子学到纳米电子学的发展时期，并引起新的电子技术革命，把电子工业技术推向一个更高的阶段 纳米电子学的目标是将集成电路的几何尺度进一步减小，超越目前发展的极限，因而使得该功能密度和数据通过量率达到新的水平 如50年前，微电子器件取代真空电子管器件给信息技术带来革命一样，纳米结构将再次给信息技术硬件带来革命,纳米电路,1996年，美国耶鲁大学就首次完成了对单个分子的电学测量。 实验表明：电子在穿过分子时是一个一个依次通过的，这样，流过分子的电子将不会产生相互作用和碰撞，分子也就不会因电子在其间流动而发热。特定有机分子导电性的测量为研制分子器件打下一定的基础 2000年底

3、，英国成功地将有机分子形成的导线分别与纳米金颗粒和金电极相连，组装成能承载电流的纳米电路。在这个纳米电路中，纳米金颗粒和金电极之间连接了数十个有机分子。这种纳米电路有望用于制造超大容量存储器件，应用于将来的纳米计算机,计算机存储器,纳米存储器可以用单个的分子存储一个信息单位(bit)，并且可以写、读和像计算机中的随机存储器一样用电子学的方法存取信息，其外观和性能几乎完全和普通的计算机存储器一样，但体积却小得多 用分子来存储信息的元器件研究很多，但多数分子存储器不是采用单个的分子，而是分子团存储信息；而存储和读写的方式也多采用光学方法。例用激光照射这些分子团，激发分子团发光，以此实现信息的存储

4、1999年，耶鲁大学研制的分子存储器是选用一种十分特殊的分子，它可以直接用电子学的方法存储和读取信息,生物计算机,生物计算机主要研究目标是寻找或创造一些特定的生物分子，并期待这些生物分子能够更加快速地完成计算机的基本运算和存储功能，代替目前的半导体计算机中央处理器(CPU)和存储器。 蛋白质生物计算机 DNA生物计算机,蛋白质生物计算机 以蛋白质分子为材料制造的生物计算机，不仅体积小，质量轻，能耗小，环境适应性强，而且运算速度和信息储存能力比现有的计算机要高出数亿倍。同时具有和人脑一样非常优越的分析，判断，联想，记忆等智能。 目前，美日欧和俄罗斯在生物计算机的原型器件和系统方面进行了大量研究，

5、取得了很大的进展，如美国和俄罗斯研制的细菌视紫红蛋白质计算机处理器。该生物材料具有非常独特的热，光，化学物理特性和良好的稳定性，并且其奇的光学循环特性可以用于信息的储存，有望代替当今计算机的信息处理和存储的作用。 美国在35年内能大批量生产这种计算机。生物计算机的造价比半导体计算机的造价要低得多，因为它所用的生物材料可利用通过基因技术改造后的细菌大量生产,DNA生物计算机,DNA含有大量的遗传密码基因，这些基因通过生物化学反应传递着遗传信息，并可以一代传给一代。DNA计算机将利用DNA分子这些独特的遗传信息传递方式来实现计算机的计算功能。 DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子之间可以

6、在某种酶的作用下瞬间完成生物化学反应，从一种基因代码变为另一种基因代码。如果将反应前的基因代码作为系统的输人数据，而将反应后的基因代码作为运算结果的话，那么只要控制得当就可以利用这种反应过程制成DNA计算机。 基于分子反应的DNA计算机运算速度极快，它几天的运算量就可相当于计算机问世以来世界上所有计算机的总计算量。另外，由于每个DNA分子都含有大量的基因，因此DNA分子的存储容量十分巨大，如1m3的DNA溶液可存储1万亿亿比特的数据，这将超过目前所有计算机存储器容量的总和。不仅如此，DNA计算机所消耗的能量却小的出奇，只有普通半导体计算机的10亿分之一,生物分子计算机是人们长久以来的梦想，它的

7、实现将可以彻底实现当今计算机无法真正实现的模糊推理功能和神经网络运算功能，而这些都是人工智能的重大突破口之一,分子马达,美国波士顿大学制造出了世界上一种最小的分子马达。该马达仅由78个原子组成。几乎同时，日本和荷兰的科学家也研制出另一种用太阳能驱动的分子马达，它能在光的照射下连续不断地旋转。分子马达将能够为未来的分子机械提供动力，为今后开发和研制微小的分子机械奠定了一定的基础,分子齿轮,2000年2月，日本东京大学宣布，他们在世界上首次研制成功可自由控制转速的分子齿轮。该分子齿轮的结构由两个直径约为1nm的卟啉分子夹着一个直径约为0.1nm的金属离子。如将卟啉分子和金属离子放人一种溶液中，并对

8、溶液加热到特定的温度，就可以使卟啉分子和金属离子组合成分子齿轮。目前这种分子齿轮只能分别单独旋转，倘若要构成一个齿轮传动系统，就必须将多个分子齿轮按一定的方式组合起来,图1 两种不同的分子在分子之间力的作用下在溶液中自组装的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳米机械必须具有自组装、自我复制等功能,纳米机器人 1990年，美国贝尔实验室成功地制造出了极其微小的纳米机器人。这种只有跳蚤般大小的机器人由许多齿轮等零件、涡轮机和微型电脑组成，其零件小得犹如空气中漂浮的尘埃。该纳米机器人在当年美国麻省理工学院举办的科技博览会上一亮相，就引起了人们的极大的兴趣。 美国纽约大学研制出一台纳米机器人，其手臂是用两个

9、DNA分子制作的，可以自如地在固定的位置间旋转。最近，瑞典也研制出一台微型医用机器人，由多层聚合物和黄金制成，外表类似人的手臂，其手臂、肘部和腕部都十分灵活，有24个手指，实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段,纳米机器人可分为三代 第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，可以进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪积淀物，吞噬病毒，杀死癌细胞。 第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。 第三代纳米机器人将包含有纳米计算机。这是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器

10、人一旦研制成功，有可能在1秒钟内完成数十亿次操作。人类的劳动方式将产生彻底的变革,近年来，科学家们已经成功地制造出了纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米传感器等纳米机械和机电零器件，而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。 纳米发动机的直径只有200m，一滴油就可以灌满约50个这样的发动机。将这些纳米零器件和发动机等执行机构组装起来就可以构成人类梦寐以求的实用微型系统。 日本丰田汽车公司用微型部件制造了一辆只有一粒米那么大的能开动的微型汽车。东京大学用硅材料制造了一只微型仿生昆虫，这种微型昆虫已经能够飞行数厘米，将来有望应用于军事目的,图2 碳纳米管制作的纳米齿轮模型,纳米马达,纳米马达

11、是一种利用压电陶瓷基片或薄膜、电致伸缩材料的声振动和微小变形将换成旋转或移动的机械输出等运动形式的新型驱动器。它不同于传统的电磁马达和静电马达，具有低速下大力矩输出、无电磁辐射和噪音辐射、结构简单且设计灵活，不存在过载、过压自毁现象，国际上已经在纳米技术，微机械和微系统，通信传感技术，半导体技电子技术，电子扫描技术，微生物技术，航空航天技术等场合得到了实际应用,图3 纳米马达示意图,图4 纳米马达的应用实例，英文字母下的标尺为10nm a、通信技术中的微波管微调器 b、小型商用扫描隧道显微镜 c、光电系统的镜面微调d、三维纳米操纵器，范围为1删X1mX5m e、含三个纳米马达操纵器的工作平台x

12、y移动平台 f、接触和抓取纳米级样品的针尖操纵器 g、平面抓取器(05n圆的抓取行程) h、平行的抓取器 i、三轴的微米装配机(含一个限定空间的抓取器,光纤,光纤是最近二三十年来蓬勃兴起的一种用来传输信息的新材料，它不是通过电流来传输信息，而是利用光脉冲来传输信息的。 光纤具有其它任何材料无法比拟的优异的传输功能，可以随时提供描述系统状态的准确信息，理所当然地成了最重要的信息传输材料 通过与纳米技术结合，可进一步提高光纤的传输能力，降低光纤的传输损耗 燕山大学的侯峙云等采用调节高温区与冷却区距离的方法，使多晶GeO2介质膜的颗粒度降低到100nm左右，提高了光纤的传输能力，将光纤的传输损耗降低

13、到0.8dB/m以下,纳米传感器,美国加州喷气飞机推进器实验室正在研制一种可以探测到生物体内单个细菌移动以及细胞体液流动声音的纳米传感器，或称“纳米麦克风”。 这种极高灵敏度的纳米传感器是用碳纳米管制成，它能够在受到很小压力的作用下作出反应而探测到相关的声音信息。用这种纳米传感器甚至可以探测到生物体内单个细胞的生长发育时所发出的声音,纳米环境探测器,2000年，美国斯坦福大学的研究发现碳纳米管可以用来探测有毒的二氧化氮和氨气。这一发现将可能带来新一代的纳米环境探测器。 二氧化氮和氨气都会导致温室效应和酸雨，因此它们在大气中的含量必须被实时监测。现有探测技术成本高，不便移动作业，同时所需的测量温

14、度很高。 斯坦福大学的研究发现碳纳米管当暴露在二氧化氮中时，通过它们的电流将增大；当暴露在氨气中时，通过它们的电流将减小。应用这一原理就可以用碳纳米管制造廉价的，可以在室温条工作的纳米环境探测器,电子鼻,意大利科学家研制出一种用于疾病探测的“电子鼻”，它可以嗅出人体各种疾病的气味，是一种早期发现疾病的有效仪器。 在这种“电子鼻”中配有非常灵敏的极其微小的生物传感器，可以将人体的各种气味转换成电信号，经过计算机处理后绘制成一种人体“气味图谱”，用于分析人体的健康状况。 目前，科学家们正在编制各种疾病的气味图谱，其中包括各种癌症的气味图谱，这样就可以使疾病的诊断变得更加容易,纳米秤,1999年，巴

15、西和美国的两位教授在进行碳纳米管的强度和柔韧性实验时，先将电流通人碳纳米管，再观测碳纳米管的振动频率，由此计算出碳管的强度和柔韧性；而后再将一个纳米颗粒放在碳纳米管的一个顶端，重复进行上述实验，发现由于重量发生了变化，使碳纳米管振动频率也随之发生了相应的变化。用这种方法就可以测算出纳米颗粒的重量。 这在当年被称为是世界上最小的“纳米秤”，能够称量十亿分之一克(109克)的重量，即相当于一个病毒的重量 利用这种“纳米秤”，能够称不同种类病毒的重量，由此可以鉴别或发现新的病毒 此后，德国科学家发明了可以称出单个原子的重量的纳米称,世界上最小的温度计,2001年1月，德国卡塞尔大学的研究人员利用纳米

16、技术制成了世界上最小的温度计 该温度计只有头发丝直径的千分之一，能够分辨出1nm空间范围内千分之一摄氏度的温度变化。这项研究进展为纳米尺度温度传感器的应用打下了一定的基础,纳米微粒探测器,传统探矿过程是在预先选定的位置上下钻取样品再分析。下钻取样深度要达数十米，工作量巨大。此外，探矿下钻取样位置选择有一定的随机性，下钻取样得到的样品的分析结果有可能不是所期望的矿石标本，使得探矿工程前功尽弃 矿石所含的纳米微粒的渗透性都非常强，可以一直渗透到地球的表面上来，因此用特定的纳米微粒探测器将可以十分有效地在地表上直接探测到地表下的矿石种类,纳米卫星 在科学技术迅猛发展的世纪末期，航天技术突破那传统的单

17、星功能“多而全”的思想，已呈现出一种新的发展趋势和新的设计思想，典型代表就是现代小卫星系统。 小卫星-质量小于1t的卫星： 小型卫星（0.51t） 超小卫星（0.10.5t） 微型卫星（0.010.1t） 纳米卫星（小于0.01t,1995年美国提出纳米卫星的概念。 纳米卫星比麻雀略大，质量不足10kg，各种部件全部用纳米材料制造。一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星 若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同地纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响 北京清华大学研制了质量仅为10kg的“纳米卫星”，上天后与目前运行

18、良好的“航天清华一号”微型卫星共同巡行于浩瀚太空 卫星越小，技术含量越高，纳米卫星和“航天清华一号”相比，整体功能相近但质量更轻，在10kg以下，还能应用于卫星之间的通讯实验等,纳米卫星是一种尺寸小到低限度的航天器，质量在0.1kg以下，即每颗不到100g 数个纳米卫星作为基本单元，以局部星团、或分布式星座的形式部署在太空中不同的轨道上；彼此之间通过遥测、遥控的方法互相连接，形成内在有紧密联系的星座来完成原来一颗常规卫星所具有的完整功能 核心技术是微机电系统，因为它是卫星部件微型化的基础 关键技术是分布式的空间系统结构,小卫星系统的特点 发射灵活：可使小型运载火箭通过铁路、公路机动应急发射，也

19、 可通过飞机从空中发射 研制期短：如“铱”卫星一年可生产100多颗，平均每颗的生产周期 为21天，并且生产成本较低，便于批量生产 作用巨大：时延短、衰减小、覆盖面广，可以在包括两极在内的全球任何地方与卫星沟通，实施全球通信和数据传输 生存力强：目标小，不易遭反卫星武器的攻击。可采取互为补充的部署方式，即使个别卫星受损也不会影响整个系统的工作,二、纳米技术在生物医学领域中的应用,21世纪，纳米技术将给医学带来极大的变革。纳米医学探测技术得到迅速地发展；在20世纪人类未能彻底攻克的主要的疾病，如心脏病、艾滋病、中风、糖尿病等疾病，都有望在纳米生物和医学的成功应用中而得到解决,纳米医用机器人,纳米技

20、术与仿生学结合研制的纳米医用机器人将会给人类医学带来巨大的变革： 能在血液和细胞介质中工作，也能在血管中游走。因此，可以用来捕捉和移动单个细胞，也可以用来清除血管壁上，甚至心脏动脉上的脂肪沉积物，由此减少心血管疾病的发病率 可以进入人体组织的间隙里清除病毒细菌或癌细胞，甚至可以代替外科手术，修复心脏、大脑和其他器官等 可以在人体内来回行走进行定位给药，把药直接送到损伤部位,图5 画家笔下的一种纳米仿生术机器人 这种称为游荡者的纳米仿生物可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作,图6 纳米机器人清理血管中的有害堆积物 纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以

21、非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术,生物芯片技术,美国著名的周刊杂志财富在1997评价：“在20世纪科技史上有两件事影响深远。一件是微电子芯片，它是计算机和电子仪器的心脏，它使我们的经济结构发生了翻天覆地的变化，给人类带来了巨大的财富，改变了我们的生活方式；另一件是生物芯片，它将改变生命科学和医学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平，从而改变整个世界的面貌。” 生物芯片技术通常包括基因芯片，蛋白质芯片及芯片实验室三大部分,基因芯片(genechip)：又称DNA芯片(DNAchip)，是生物芯片中最基础的，研究开发最早，最为成熟和目前应用最广泛的生物芯

22、片。 基因芯片像计算机芯片一样可以存储大量的信息，不同的是在基因芯片中传递信息的使者是DNA分子。 基因芯片通常由大量的基因探针构成，每个基因探针是一段人工合成的碱基序列。当在探针上接有被检测的物质后，根据碱基互补原理就可以识别被检测物质的特定基因。 目前，世界各国已经开发出上百种基因芯片，如用于检测HIV(艾滋病)基因和肿瘤基因的芯片以及用于研究药物新陈代谢时基因变化的细胞色素芯片等等,蛋白质芯片：与基因芯片的基本原理相同，但它利用的不是基因的碱基配对而是抗体与抗原结合的特异性，即免疫反应，来实现蛋白质的检验。所以，蛋白质芯片不像基因芯片那样以DNA为检测对象，而是以蛋白质为检测对象，这样更

23、加进一步接近生命活动的物质层面,芯片实验室是是一个高度集成化的生物分析系统，集样品制备，基因扩增，核酸标记及检验等功能为一体，可将生化分析的全部过程全部集成在一片芯片上完成。 美国普杜大学开发的一种芯片实验室技术，可以将生化实验室的专用仪器微缩在一片芯片上，芯片上的仪器缩小到常规仪器的千分之一，甚至百万分之一。 成果使研究人员能够在一块小小的硅片上堆积几十个甚至几百个生化“实验室”，每个“实验室”都能进行复杂的生化检测和分析。芯片实验室的应用可以减少很多化学和医学研究和分析的费用，并大大提高效率,分子雷达 “分子雷达” 是采用光学相干层析术(OCT)制造的一种新型医学诊断和监测仪器 分辨率可达

24、到1um 以每秒2000次的速度完成生物体内活细胞的动态成像 不会像X光、CT、核磁共振那样杀死活细胞 应用于临床，能够及早发现细胞的病变而把疾病“扼杀在萌芽状态中”，不必等到生命的尾声时才被CT或核磁共振检查出癌症的病变。 清华大学已经研制成功这种“分子雷达”的基型，不久的将来可用于造福人类,微型探测器,微型传感器的尖端很小，可以直接插入活细胞内也不会严重干扰细胞的正常生理过程，但却可以获取活细胞内足够的反映其功能状态的动态信息，为临床疾病的诊断和治疗提供客观指标 根据不同的诊断和检测目的，这种探测器也可以植入人体内不同部位或随血液在体内流动，用以实时检测人体内的各种生物状态的信息,纳米炸弹

25、,美国密歇根大学研制出一种可摧毁病毒的“纳米炸弹”。这种所谓的炸弹其实是一些分子大小的液滴。 这种微小的“纳米炸弹”不仅可以摧毁生化武器中的病毒，当炸弹的成分适当改变后可以用来消灭流感和孢疹病毒，甚至可以攻击大肠杆菌、沙门氏菌和李氏杆菌,人造细菌,美国伊利诺依大学研制出一种“人造细菌” 它是一种纳米细管结构，它由附在带电油脂膜上的肌动蛋白构成 肌动蛋白是一种肌肉蛋白质，当肌动蛋白与特定的脂微粒混合时，它立刻经历分层自聚合的过程，先是分成平行的片层，然后发生弯曲并形成类似细管的纳米结构。由于这种细管类似细菌的细胞壁，因此，又将它称为“人造细菌” 这种纳米“人造细菌”在医学上有许多的用途，其中之一是利用它的细管结构向人体内释放药物,图7 人体中的血红细胞和人造细胞结合图（科学幻想） 人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，因为如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。 画中的蓝色小球称为呼吸者