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1、化学与纳米技术,背景介绍 纳米金表面的水滴 一滴水在用电铸方法制备的纳米结构的金的表面。这些颜色由白光在表面反射和那些表面等离子体激元产生。,纳米技术 概论,1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等 七个学科 我们主要介绍一下纳米技术在生物以及材料方面发挥的推动力量，以及化学在其中起到的重要

2、作用,背景介绍 纳米棒棒糖 -这是一个侧面图，现实了搭在两个镍电极间的一根硅纳米线。在右边的那一头，纳米线连着一个小的纳米镍金属球，看起来就象是个棒棒糖。所以偶们叫它纳米棒棒糖。此图由日立S-4700场发射扫描电镜拍摄。样品法线跟电子束成85度角。,纳米材料的缤纷世界,背景介绍 镍色子 边长为200微米，是利用自组装技术制造的，图中色子的颜色是后期制作时用电脑软件加上去的。,纳米材料的概述与分类,概述-纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1100nm范围的材料，这大约相当于10100个原子紧密排列在一起的尺度。、 分类-纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。 下面我

3、们来一一介绍它们的特点及功能。,纳米纤维 指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（极有可能成为未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。,纳米纤维用于净水,纳米纤维可将太阳能转换成为燃料,纳米膜 纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。,纳米隔热电镀膜用作防爆膜以及汽车防爆膜,纳米负离子远红外电热膜,图为纳米镍粉电镜图 可用作高效催化剂,纳米粉末 又称为超

4、微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。 总之，纳米粉末的应用领域十分广泛。可以说是纳米材料中最“能干”的一类。,纳米材料的功能,家电-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，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。,电子计算机和电

5、子工业-可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。,环境保护-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。,纺织工业-在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。,纳 米 材 料 制 备 方 法,物理法,化学法,粉碎法 构筑法,沉淀法 水热法 溶胶凝胶法 冷冻

6、干燥法 喷雾法,干式粉碎 湿式粉碎,气体冷凝法 溅射法 氢电弧等离子体法,共沉淀法 均相沉淀法 水解沉淀法,纳 米 材料合 成 方法分类,气相反应法 液相反应法,气相分解法 气相合成法 气固反应法,可见在纳米材料合成方法中,化学方法不仅在使用而且可操作性很强,其中，沉淀法、水热法溶胶、凝胶法、冷冻干燥法、喷雾法都是制备纳米材料的有力方法。可见化学与纳米材料的息息相关。,具有电子存储磁性的硼铁化钴纳米线材料阵列。,直径为100微米的镍锰镓合金短纤维材料,纳米材料简介之-碳纳米管,在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子

7、时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管。,碳纳米管的分类 碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。,力学方面-由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比.,碳

8、纳米管的性能制备,导电方面-碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。,有关制备-目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法。,放大后的碳纳米管,纳米生物学的发展,1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。它便是纳米技术。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。 纳

9、米生物学和纳米药物学是纳米技术在生物领域的分支,扫描隧道显微镜,纳米生物学研究的任务,纳米生物学研究的任务是，在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，最终制成可编程的分子机器。由于纳米生物学的发展才刚刚起步，其广泛的应用前景尚难全部预料到。 目前所能涉及的内容大体为： 在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系； 在纳米尺度上获取生命信息； 分子机器的研制。,了解生物大分子的精细结构的成果,在纳米生物学中，应用扫描隧道显微镜STM研究蛋白质结构是近年的进展。 在观测蛋自质分子的表面结构形貌这方面，研究目前还处在探索阶段。中科院化学所STM小组，报道了有关胰岛素的研究工作。中科院上海原

10、子核所和上海细胞生物学所合作，获得了人体-珠蛋白质基因的某个调控过程中DNA形成环结构的STM图像。生物学家认为，这种环结构对理解基因的调控机制有重要意义。 英国Nature杂志有专文介绍，美国明尼苏达大学一小组观察到了磷酸化激酶的形貌。目前，研究已涉及到氨基酸、人工合成多肽、结构蛋白和功能蛋白等主要领域。此外，应用STM观测蛋白质与DNA的复合物的报道也不断传出。,应用扫描隧道显微镜STM研究蛋白质结构方面取得的进展让我们对人体以及所有生命体的细微构成物质有了具体的了解。这无疑是为化学家以及生物学家研究如何更好的“管理”人体内部的组织，治愈疾病的理论基础。,科学家测得的蛋白质的空间模型,制造

11、分子机器-纳米科技的最终目的,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这便是纳米科技的最终目的-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，它们被理查德菲利普费曼在费曼说纳米中说成是微小的机器，被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。,）,美国著名物理学家理查德菲利普费曼,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

12、要技术之一。,纳米生物学在研究领域的最新进展及介绍,糖类包裹磁性纳米颗粒可用于清除病菌 研究人员将甘露糖与二氧化硅包覆的磁性Fe3O4纳米颗粒通过三唑或氨类化合物共价连接，使糖类均匀分布在磁性纳米颗粒表面构成磁性糖类-纳米颗粒体系。磁性纳米颗粒巨大的比表面积、较小的粒径使其更容易、更快速地吸附在菌体细胞表面。这种体系只需5分钟便能检测到大肠杆菌的存在，能够根据响应模式的不同轻松分辨三种不同的大肠杆菌并清除88%的靶向细菌。 糖类包覆的磁性纳米颗粒是磁性纳米颗粒首次被用来检测、量化以及分辨菌体细胞，作为细菌快速检测、清除的方法在病菌的清除以及诊断中具有巨大的应用前景。 -摘自美国化学会志(JAC

13、S),药物放入磁性纳米颗粒的内部,研究人员将磁性纳米载体与具有生物活性的碳水化合物如甘露糖耦合，为检测、清除大肠杆菌以及其他有害细菌提供了有效的解决方法。 有效的防止农产品细菌污染事件的发生以及生化恐怖袭击的威胁。（许多细菌利用哺乳动物细胞表面的碳水化合物作为附着工具从而会引发一系列农产品细菌污染事件）,有关微生物的另一项纳米生物方面的最新研究 美国加州大学的两名工程师发现了活细菌体内的半导体纳米管，他们发现了细菌会产生由硫化砷组成的纳米管。这种纳米管与化工合成的纳米管相比，有着独特的物理化学性质。此项发现将有助于开发出一套全新的纳米电子器件。,关于癌症早期诊断-美国加州大学洛杉矶分校的癌症研

14、究中心说，他们在原子显微镜下用一种极小的探针接触到癌细胞，以此来确定其表面的柔软度。由于癌细胞必须用挤入的方式才能渗透到体内各严紧的细胞组织，因此其柔软度比健康细胞更加柔软。根据这一原理，我们便可用纳米技术透过原子显微镜，通过微型探针来确定人体的任何部位是否含有癌细胞。,纳米生物的其他研究成果,关于快速查出肝炎病毒-在沪举行的“第三届上海国际纳米技术合作研讨会”上传出消息，由上海交大等单位研制的纳米“侦探”核酸分离转化性剂核，能在人体被肝炎病毒感染后的两三天里让病毒现形，比传统方法要大幅提前,纳米技术的前景,根据技术进化理论分析，纳米技术已经从背景技术发展到二次技术阶段，即：“纳米科技会以纳米科技为核心，吸收其它技术体系作为外围而发展成为一种新的纳米科技体系。”,总之，纳米科技发展到今天，