纳米演讲稿

纳米演讲稿（精选4篇）

纳米演讲稿 篇1

第一部分：费曼在其《底层的丰富》中都有哪些构想？ 一组：

费恩曼在1959的美国物理学会会议上做出了《底层的丰富》演说。在演说中，费恩曼提出了许多关于纳米尺度上的构想，主要分为四大点。1.在针尖上写下24册的大英百科全书（包括如何写微小文字和如何读取这些文字的猜想，拓展到在卡片上写下所有的书籍）2.对显微镜的展望（精度的提升，不同原理的显微镜的发明）3.纳米机械装置（包括微型电脑，微型工厂，微型工具）4.任意排列原子，用物理的方法得到想要的各种化学物质。二组：

费曼在演说中共提出了五大设想：（1）微观信息的存入——把全套 24 册的大英百科全书全写在大头针的针头上（2）微观信息的读取——更好的电子显微镜（3）在分子或原子的尺度上加工和制造原料和器件——微型计算机、电子器件等（4）重新排列原子（5）微尺度下产生的新性质——微观世界里的原子。三组：

粗略概括一下费恩曼的构想大致就是以下几个方面：

1.把全套24册的大英百科全书全写在大头针的针头上以及扩展后的批量生产 2.利用“。—”之类的符号加密技术来压缩文字以便高效利用空间 3.更好的电子显微镜，文中所讲的性能提高100倍 4.微型计算机，微型机床，微型元件的生产 5.用于人体检查，治病等功能的微型机器人

6.主从系统，利用小机器制造小小机器以此迭代下去的方法

7.最终目的:用物理的方法来排列原子已达到造物者的境界：创造新的物质 四组：

（一）关于刻字

1．在针头上写大英百科全书。

2．读取大英百科全书:（保守方法，当今已知）（1）把这些金属字压进塑料材料中，将之做成一个模子，（2）然后把这个塑料模子很小心地撕下来，（3）蒸发一层很薄的硅膜到模子上，（4）接着以某种角度蒸发黄金到硅膜上，使文字能够清楚地呈现，（5）最后把塑料膜溶掉，留下硅膜，（6）然后我们就可以用电子显微镜来阅读了！

3．拷贝刻在大头针头上的文字。

4．将人类所有的书缩小刻在一本小册子上，只要3*0。83612736平方米（相当于星期六邮报的四分之一）。

5．如果用编码来记录信息，一个字大概要六到七个编码，一个编码大概要125个原子表示，那么人类所以的资料是将是边长1/200英寸的大小的物体就可以保存的，相当于人类肉眼能够看到的最小的尘埃。

（二）更好的电镜（与课上内容有关）

1．将电镜改良一百倍，医学上很多问题都将得到解决，因为可以直接看得见。

2．同时很多化学分析问题也很方便得到解答，直接用电镜观测。3．改变理论中的假设（如换用别的方法），让电镜变得更强。

（三）制造微观物体

1．制造极小同时按我们计划行事，听从人类指挥的物体。2．在小尺度上制造出大容量内存。

3．将计算机做得更小，可能会出现很多新的特质（如多通道计算，图像识别），同时还可以降低能耗等。

4．用蒸镀法制造一些材料，如计算机内部导线。5．制造小而有用的机器人。6．重新设计能容忍较大误差的微型汽车，利用同样的原理可以制造更多微型工具。

7．利用非晶体材料制造小机器。

8．电机零件在小尺寸上需要重新设计以保证能够顺利运行。

（四）制造微观机械零件

1．制造小而不需要润滑剂的机械零件，因此物体散热加快。2．制造小型车床和小型机械工具，并利用其制造更小型的。3．小机器帮助实施手术。4．（通过极其精巧而小心的设计）通过伺服马达和主从手臂的关系用大机械零件制造小机械零件，并逐层深入，最终制造极其微观的机械零件。

5．在每个阶段都可以改善机械制造时的精度。

6．设计时要充分考虑小尺度下的各种相互作用的问题。

（五）重新排列原子（最终问题）

1．通过重排原子，制造出高纯度甚至绝对纯的物体。2．控制原子的排列，将会有很多美妙的事情。

3．制造微观上的震荡电路，将其排布到一起，使得无线电波辐射密度、强度和功率大大增加。（或大功率光柱）

4．利用超导或其他技巧解决小尺度下的阻抗太大等电器问题。5．因为小尺度下的量子力学性能制造出有奇妙性能的物体。

6．小尺度下的制造可以没有误差，因为原子在某种程度上是一模一样的。7． 一个个原子地计划制造东西，如排列和制造新的原子。

（六）实验室间和学校间的竞赛

1．各个学校间通过竞赛鼓励制造更加微观的物体。2．通过奖励措施鼓励科学家制造出微观物体。五组：

一．原子的操作性问题

（一）在针头上书写大英百科全书 1.可行性

针头面积与纸张面积相比较 2.操作性

（1）如何写小字

A.离子源射出电子，聚焦 B.蒸发法 C.电子束撞击

（2）如何印刷书籍

塑胶硅膜为载体

（3）如何阅读

蒸发——电子显微镜

（二）制造微型设备（以计算机、汽车、电器元件为例）1.优越性

使计算机能够作出判断，提高计算速度，获得新的特质（如模仿人脑的模糊记忆）

提高电器元件的强度 2.操作性 A.蒸发法

B.电力带动的主从手臂系统 3.相关效益

由于元件小，散热快，也许可以省略润滑油

（三）重新排列原子

意义：制造小线圈和蓄电器，及其他电器元件；化学合成新分子 二．原子的可视化

（一）对设备的要求

提高电子显微镜的精度

（二）应用

存储信息（5×5×5立方体）

第二部分：费曼的设想是否都正确，有哪些得到了证实？ 一组：

费恩曼介绍了两种方法来做写小字这件事情，这两种方法共同的原理都是将显微镜用来做放大功能的镜头反置过来，将之用来缩小，不同的仅仅在于如何把小字写上去。费恩曼还提到一种关于小尺度的资讯，他假设用一点一横（〝．─‥〞）的符号来替代字母，当然也可以是数字之类的，而每个字母会有六或七位元。应用到材料上时不是将所有的字写到针头表面，而是将这些位元写上去，其实这就是当代计算机技术中的循环二进制码，二进制码在1953年就取得了美国的专利，费恩曼在做此次演讲时肯定是参考了这种技术。关于大量信息储存在微小空间的事实，费恩曼类比到复杂的生物信息储存在一个个微小的生物细胞中。

关于重新排列原子，在费恩曼这次演讲的四十年后，美国西北大学的一个化学系教授将这篇演讲稿的大部分内容刻在了一个大约只有10个香烟微粒大小的表面上。过去被认为异想天开的纳米技术，变成了一项严肃认真的研究工作。

关于制造某些微型机器：如用于生物医学方面的纳米机器人（可以注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗，对人体器官进行修复等）。一台能够在纳米尺度上操作的纳米机器人系统样机近日由中国科学院沈阳自动化所研制成功，并通过国家“863”自动化领域智能机器人专家组验收。在一个演示中，沈阳自动化研究所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”，在一块硅基片上1*2um的区域上清新刻出“SIA”三个英文字母；另一个演示中，在一个5*5um的硅基片上，操作者将一个4um长，100nm粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。由美国加州Intuitive Surgical公司制造的“达芬奇”（DA-Vinci）和由Computer Motion公司制造的“宙斯”（Zeus）机器人手术系统都是三臂机器人，一只手用来捏住摄像机（所谓“扶镜”），另外两只操作手术器具。2000年“达芬奇”成为世界上首套可以正式在医院手术室腹腔手术中使用的机器人手术系统；微型机电系统（MEMS）的诞生：尖端直径为5微米的能夹起一个红细胞的微型镊子；3毫米大小能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机；纳米机械专家设计出了只有几个分子组成的微小齿轮和马达。二组：

关于电子显微镜，近年来有极大发展。1932年，德国物理学家Knoll和Ruska研制成功第一台透射电子显微镜。1938年，Ardenne研制成功第一台扫描电子显微镜。1981年，瑞士科学家Binning等发明扫描隧道显微镜。1990年，中国科学院白春礼支持研制成功首台原子力显微镜。电子显微镜的发展随着科学技术和生产实践的发展，电子显微镜得到不断改进、更新和完善，分辨率得到提高。现代高性能透射电子显微镜的点分辨率(pointer solution)已优于0．3nm，晶格分辨率(1atticeresolution)已达0．1～0．2nm。放大倍数从第一台电镜的十几倍提高到几十万甚至百万倍。此外，电子显微镜的种类不断增加，功能不断扩展。除观察样品内部超微结构(ultramicro structure)的透射电子显微镜和揭示样品表面形貌的扫描电子显微镜外，能同时观察样品表面和内部超微结构，乃至单个原子像的高分辨场发射枪扫描透射电子显微镜(scanning transmission nelectron microscope，STEM)已经问世。此外，用于对样品中某些化学元素进行综合分析的分析电子显微镜(analytical electron microscope)、可观察活细胞的高压透射电子显微镜(highvoltage transmission electron microscope，HVTEM)、能观察含水样品的低温透射电子显微镜(cryo transmission electron microscope，CTEM)等各种专用电子显微镜也已开始使用。最近几年来，计算机技术开始用于电子显微镜。电镜观察时大部分操作可用计算机控制，如样品的移动和放大倍数的调控等，使电镜操作简便易行。而计算机在图像显示、处理和存储等方面的优势，则更为电子显微镜的应用提供了极大方便。可以预料，基于Internet网络技术的电子显微镜技术在远程教学和科研方面将发挥越来越重要的作用。第二节电子显微镜技术的发展与应用续表

三、电子显微镜的发展随着科学技术和生产实践的发展，电子显微镜得到不断改进、更新和完善，分辨率得到提高。现代高性能透射电子显微镜的点分辨率(pointer solution)已优于0．3nm，晶格分辨率(1atticeresolution)已达0．1～0．2nm。放大倍数从第一台电镜的十几倍提高到几十万甚至百万倍。此外，电子显微镜的种类不断增加，功能不断扩展。除观察样品内部超微结构(ultramicro structure)的透射电子显微镜和揭示样品表面形貌的扫描电子显微镜外，能同时观察样品表面和内部超微结构，乃至单个原子像的高分辨场发射枪扫描透射电子显微镜(scanning transmission electron microscope，STEM)已经问世。此外，用于对样品中某些化学元素进行综合分析的分析电子显微镜(analytical electron microscope)、可观察活细胞的高压透射电子显微镜(highvoltage transmission nelectron microscope，HVTEM)、能观察含水样品的低温透射电子显微镜(cryotransmission electron microscope，CTEM)等各种专用电子显微镜也已开始使用。最近几年来，计算机技术开始用于电子显微镜。电镜观察时大部分操作可用计算机控制，如样品的移动和放大倍数的调控等，使电镜操作简便易行。而计算机在图像显示、处理和存储等方面的优势，则更为电子显微镜的应用提供了极大方便。可以预料，基于Internet网络技术的电子显微镜技术在远程教学和科研方面将发挥越来越重要的作用。

费恩曼提出的微小机器在医学上已经研发成功。特别是他引用他的朋友所说的：动手术时能把手术医师吞下去会很有趣。把机械手术医师弄到血管里，它跑到心脏里四处看（资讯当然要送出来）。它找出有问题的瓣膜，拿出一只小刀割掉。其它小机器也许能永久装在身体内，以协助功能异常的器官。这在现代医学上可以查找到很多例子。如：（1）爬行摄像胶囊，由意大利圣安娜高等学校的CRIM实验室开发。这个机器人可携带摄像机，通过有弹性的“腿”爬进患者的消化道，替代传统内窥镜进行检查。它可用来检查食管、胃和十二指肠内部的损伤或溃疡情况。

（2）游动摄像胶囊，这款摄像胶囊由微型螺旋桨驱动，也设计用于检查人体消化系统。在被患者从嘴里吞服下以后，它会“游动”检查医生所怀疑的区域。（3）ARES机器人，即“可重构装配腔内手术系统”。患者只需将机器人一块块地吞服进肚子，或由医生通过人体自然的孔将机器人一块块插进人体，然后机器人在人体内自行组装。一般来说，患者将吞服下15块机器人块。随后机器人块会按照设定好的路线，滑到有病的地方。ARES机器人可以让需要动外科手术的人不用担心身体留下疤痕。

（4）Ritsumeikan大学和Shiga医科大学的研究人员，最近开发出了一款微型机器人原型，通过手术切开病灶，将其放入体内，遥控操纵。和现在那些可吞服的照片拍摄和信息采集机器人不同，这款微型机器人通过病人体外附近的外磁场控制，在某些情况下，可以不进行外科手术就完成治疗。到现在为止，研究人员已经试验了5种不同的形态，测试比如拍摄照片，采集组织样本，服用药剂等功能。机器人就位后通过病人事先做好的核磁共振成像操纵，并通过细小的电缆将数据和照片传回电脑。该机器人由塑料制成，长0.8“，直径0.4”，在人体内爬行时应该不会感觉到这个小东西。据推测已通过了动物测试，下次就要进行人体测试。

费恩曼在演说的最后说，他还想提供1000美元給首先造出工作电动马达的人。“ 这是个旋转电动马达，可以由马达外面控制，而且不计算连进马达的线，为1/64英寸边长的立方体。”演说后的第二年，即1960年，比尔•麦克里兰就制造出了合乎规格的发动机，要求获得奖励。虽然麦克里兰并未能设计出新的生产方法，费曼还是奖励了他。

另外，我们认为构想中存在着缺陷：

1、最好的显微镜虽然更好的显微镜已经研制出，但是并没有能完成用电子显微镜观察的方法代替传统的化学分析；

2、“如此小的机器，由外部供应点能可能是最方便的。”外部供能不能持久，据考证，已经研制出了内部供能的小尺寸机器；

3、完全用搬动原子实现“化学合成”粒子间有很多的作用力，当物理搬运的时候很可能自然地出现撞击，发生化学反应。

4、“一百双小手臂”，一百双小手臂的提出是为了要制造小的机器，但是当小手臂趋于小尺寸的时候，它本身 的制造确实问题。很多纳米元件都是以分子形式存在，比如分子开关。而当我们要进行机器制造这种高水平操作时这种分子元件不一定能满足需求，所以我们进行小尺寸操作的开始究竟在哪里。三组：

A．微型计算机。（为达到更高运算速度，需要将零部件做的足够小）纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围, 质地坚固,有着极强的导电性, 能代替硅芯片制造计算机。现在纳米技术正从微电子机械系统起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。前景光明！B．用于医疗的纳米机器人。（让病人吞下去来达到救死扶伤的目的）我认为这是完全可以实现的，就目前而言，已经有类似的机器人问世了。意大利比萨一所高中的教师最近成功研制出一台微型机器人，它可以在人体的肠道内穿梭自如，既可以拍照，也能操作小型外科手术。据意大利媒体报道，一年前仅仅是图纸上的智能机器人，经过专家的潜心研究，如今已成为现实。这台微型智能机器人大小如同一粒感冒胶囊，外观像一只长着脚的“昆虫”，可以在食道和直肠之间穿越自如。据称，病人可以像服药一样，用水把这台机器人送到肠道内，然后医生只要手持遥控器，微型机器人就能按照医生的指令进行工作。专家在评论这台机器人时说，它的最大特点是能够在人体内做一些小的外科手术，如同外科大夫在现场操刀做手术一样。专家认为，如果沿着这个思路设计机器人，可以出入于人体各个器官的微型智能机器人今后都将成为现实。此外还有吞服式机器人、采血机器人、结肠诊疗机器人等。最新的报告显示纳米机器人的发明者是美国哥伦比亚大学生物工程学研究人员米兰•斯托诺维克等人，组成机器人的原料是DNA分子，它们的外形很像蜘蛛，因此又被称为“纳米蜘蛛”微型机器人。它们能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止。虽然以前研制出的DNA分子机器人也具有行走功能，但不会超过3步，而新的机器人却能行走50步。C．微型机床。（假如人类能够用普通尺度的仪器．来制造体积较小的仪器，而较小的仪器又可以制造更小型的仪器，就这样一步步逐级地缩小仪器，以致最后可可以实现按照人类意志来排列、重组的原子，如此将可以对人类的科技与生活创造出新的奇迹。）这个是已经达到了部分实现的。日本通商产业省的机械技术研究所成功地研制出世界上最小车床——微型数控车床。该车床只有手掌大小。此次开发的关键在于改进了压电调节器的驱动方式, 使之可以平滑地进行控制操作, 同时还装配检测滑块位移的微型线性编码器, 使其动作控制可以象普通机床那样进行数字化编程控制。该微型线性编码器由奥林巴斯光学工业公司制造, 通过将这种编码器和改进了驱动方式的压电调节器内部直动微型滑块相配合, 就可以完成对精密动作的数码控制。该车床还装备了袖珍用户数控装置, 同其他普通车床一样使其数控化成为可能。用户数控装置采用了微处理器的NC电路板。D．微型汽车。老实说，我并不认为这一技术有什么实现的必要。但是如果能通过这个来达到对其他产品的微缩，不失为一个好的方向。E．主从手臂实现若干机床同时工作并生产出产品。我认为这个是不太可能实现的。因为庞大的联系网络，以及数控阶段的每一个环节都必须做到精准无误，在手臂的生产前期也需要做到万无一失，这样才有可能实现这个构想。而目前并未查到相关报道。

1.发展进步暗视野显微镜、相位差显微镜、视频显微镜、荧光显微镜、偏光显微镜、超声波显微镜、解剖显微镜、共聚焦显微镜、扫描隧道显微镜等等，不仅提高了显微镜的精度而且适用于不同条件下的观测，实现了费恩曼关于提高显微镜放大倍数100倍的构想。2.微型马达的发明，推动了微型电动机发明，其主要应用于三个领域：

1、无特殊控制要求的驱动场合作为运动机械负载的动力源。

2、音像设备。例如，在盒式录像机中，微特电机既是磁鼓组件的关键元件，又是其主导轴驱动、收供带和磁带盒的自动装载以及磁带张力控制的重要元件。

3、办公自动化设备、计算机外部设备和工业自动化设备。如磁盘驱动器、复印机、数控机床、机器人等都应用了微型电动机。3.纽曼用五百万分之一的电子束作字母刻字，完成《双城记》刻写，赢得了费恩曼的奖金，一定程度上实现了费恩曼的写小字的构想。4.纳米机器人在生物领域，医学领域，军事领域等诸多领域屡建奇功。例如沈阳自动化所研究团队开发了单细胞活动状态表征技术、液体环境探测噪声抑制技术、抗原分子特异性识别技术以及细胞表面改性方法等。这些方法与技术的突破，表明沈阳自动化研究所在纳米机器人与生命科学融合研究方面取得了实质性进展，为纳米操作机器人在细胞分子生物学的应用开辟了新的道路。5.微型机床的制造，德国在此领域有着许多发明专利，日本发明了世界上最小机床只有手掌大小。微型操作工具如微型镊子等的发明，为在纳米尺度上操作机器人提供可能。6.医用纳米机器人与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。在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的ＤＮＡ，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。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，是一种可以进行人机对话的装置。

四组：

理论上、技术上都可行也不一定能付之于实践或者说普及，他自己也承认“也许这没法让你们去做，而只有经济利益可以。那么我想做点事鼓励你们，但是我现在还没准备好。我个人在此提供＄1,000给首先把书上一页长宽都缩为1/25,000，写成电子显微镜可以看到的样子的人。”事实上也是如此，例如芯片： 芯片的原料晶圆晶圆的成分是硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99.999%），接着是将些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体需要的晶圆。晶圆越薄，成产的成本越低，但对工艺就要求的越高。因特尔公司没有再将芯片变小，而是转向其它方面的拓展，不是技术上有多难，而是会得不偿失，有损利益，事实上历史上的多次科技革命总是由经济利益带动的无论是瓦特的蒸汽机还是法拉第的发电机。

两年前，研究人员研制出电子甲虫，可通过笔记本电脑进行无线导航。借助于植入装置，他们能够刺激甲虫大脑操控翅膀，进而控制甲虫的起落和飞行。分子导线：分子导线是指所有由单分子或多分子构成的能够起到传导作用的体系，其传导的对象包括电子、光子和离子。它是分子元件与外部连结的纽带,起传输信息作用。分子导线可分为两类：一类是在高分子链方向形成共轭双键结构，导电方向是链方向；另一类是在某种平面分子晶体中，分子面互相堆砌成柱状结构，其导电方向是分子柱的堆砌方向。由于芳香类烃类分子具有共轭π键，其电子离域化程度很高，因此具有着很好的电子传输能力，是作为分子导线理想的材料。

分子存储器：分子存储器是指用来存储信息的量子化体系。分子水平上的存储是通过具有双稳态或多稳态特性的分子材料实现的。在外界条件的作用下，这种材料可从原来的绝缘态直接跃迁为导电态，相当于计算机存储器中的“0”和“1”两种状态。分子存储器的机制有：分子内或分子间的氢转移、二聚化反应、顺-反式异构、电荷转移、苯-醌转变。例如，半苯醌具有价态互变异构体，是带有对称双位阱的模型分子，在粒子交换使偶极矩发生改变时两个互变异构体仍能维持相等的基态能量。由于信息是用二进制进行编码，要实现这一点，两种构型间必须按要求转换并能识别每一个构型。

分子电路：分子电路是以分子作为功能电子器件构成的电子线路。目前分子电子学面临的最大难题就是如何将分子器件组装为逻辑电路并与宏观世界相连接。Lieber等利用交叉排列的半导体纳米线构筑了各种逻辑电路[38]。Avouris[39]和Dekker[40]分别利用不同的方法用碳纳米管制得晶体管和逻辑电路。进而，人们组装了包含有机分子的逻辑电路[13]，这种可以作为存储器的电路使用了微流体技术，所用的有机分子作为分子开关，整个器件即能用作可寻址的存储器。分子开关：分子开关是具有双稳态的量子化体系。具有双稳态的分子通过施加一定的影响，如光、电、热、磁、酸碱性的改变等，分子的形状、化学键的生成或断裂、振动以及旋转等性质会随之变化，通过这些几何和化学上的变化，分子在两种状态之间可逆转换，两种状态由于电阻值高低不同而对应于电路的通断，从而构成开关。例如偶氮分子能在光照下发生顺反异构，冠醚分子能与离子配位发生构象变化等等。轮烷和索烃是目前研究较多的两类分子[27-29]。轮烷由一个环状和一个棒状两部分组成，环可以以棒为轴进行旋转或沿棒的方向滑动，棒的两端带有位阻较大的集团以阻止环的脱落。当环停留于棒上引入的两个不同的位点时，就对应了两种不同的状态。索烃由两个环状分子套在一起组成，两环间可发生相对运动。在其中一个环上引入不同的位点，同样可以构成双稳态分子开关。还可以选择具有可逆氧化还原反应的分子改变开关的阈值。Schiffrin小组研究出一种此类分子开关[30]，当Bipy分子处于2价氧化状态时没有电流，开关处于关状态；当STM针尖施加一适当的电压时Bipy分子还原为1价状态，此时有较大电流通过三明治结构，开关处于开状态。

分子整流器：分子整流器的设想于1974年由Aviram和Ratner提出[1]。他们指出由有机电子给体和受体桥连而成的分子耦合在两个金属电极之间时，其I-V曲线与通常的电子整流器相类似。即一种在有机电子给体(D)和受体(A)之间有饱和键(σ桥)连接的非对称分子夹在两个电极之间，在合适的电压下，电子从A到D传输顺利，而从D到A的传输需要大得多的电压，从而可能具有整流效应。1993年，Ashwell等人利用LB膜技术以有机材料做成只有几个分子厚的薄层，只允许电流单方向流动，从实验上证明了这种整流器的本质来源于分子作用[31]。

分子器件的制作离不开一系列新技术的发展，其中主要包括：STM 技术、LB(Langmuir-Blodgett)膜技术、自组装技术、有机分子束外延技术。STM微细加工的物理过程有：通过力的作用、粒子束诱导效应、势垒扰动。STM能够对单个原子进行控制操作，可以剪裁分子乃至合成新的功能分子。LB 技术是一种人为控制特殊吸附的方法，它将具有脂肪链疏水基团的双亲分子溶于挥发性溶剂中，通过控制表面压，溶质分子在气/液界面形成二维排列的有序单分子膜即Langmuir膜(L膜)。再将单分子膜转移到固体基板上，可组建成单分子或多分子膜即LB膜。自组装技术(图1.1)是一种基于化学反应的特性吸附，是分子通过化学键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面而形成的热力学稳定和能量最低的有序膜。它有利于形成有序的单层或多层超薄分子膜，并赋予其优良的物理化学性质，在分子级有序膜方面明显优于研究比较成熟的LB技术。有机分子外延(OMBE)技术，是在超高真空条件下生长有机或者半导体材料的技术。它的优点在于无需对材料进行修饰，外延层的厚度可控，基片及环境的清洁度可达到原子级，在沉积超薄膜的过程中能够原位实时地监控膜的结构生长情况。此外，广泛应用的还有：电场辅助组装技术、微流体技术、力学可控劈裂结技术、交叉导线隧穿结技术、纳米电极制作技术等等。五组：

针对二组的发言（对纳米机器人医生外部供电不合理）提出疑问：我查阅的资料中，2006年重庆研制出的纳米机器人就是外部充电且一次性的。它进入人体内可以拍摄影像、检查疾病，16小时左右电耗完，被人体排出。它可以代替医生做一些手术。当然，你们组所说的纳米机器人已比它高级，可以通过生物能等方式供电。但并不代表纳米机器人外部供电不合理。另外一位同学发言主要将“纳米碳酸钙的研究与应用”这个例子和同学们进行了分享：

首先，纳米碳酸钙的研发具有很大的实用性。我走访了研究所的一些叔叔阿姨，他们告诉我如果碳酸钙这种常见的化学物质能够细小到纳米级别，那么这种新型材料将可以广泛应用到塑料、纸张、油漆、涂料行业并表现出性能优异、强度大、节省原料等优良的特点，从而制造出更加精小耐用的材料，为要求不断提高的材料制造业注入新鲜的血液。

纳米碳酸钙本身还具有极大的经济效益。如果碳酸钙能够缩小到纳米级别，那么其售价将由原来的50元/吨上涨至3000元/吨，为企业创造出良好的经济效益，这也将很有可能成为一向很好的研究领域，并具有广阔的市场前景。

另外清华大学强湍流炭化工艺或北京化工大学超重力炭化法反应罐将能够很好地应用于纳米碳酸钙的开发和研制，这也进一步证明了纳米科技在中国已经有了很广泛的应用，这是一个非常好的现象，我在讨论课上也提出希望中国人能够将这条路执着的走下去，在科技领域中取得更大的成就，而不是永远让外国人独占纳米科技的龙头，这也是我们最美好的希望。

另外在讨论课上我也积极加入了小组的讨论活动，为小组的展示出谋划策，取得了不错的效果。在我们小组成员共同认真阅读费恩曼演说之后，我们从操作性、可视性两个方面将全文分成了三个层次，每个层次从纳米科技的优越性与可行性两个方面进行了概括和陈述。总的来说，费恩曼的演说从纳米字的书写到阅读，再到其应用以及原子的排列问题。

第三部分：总结发言

一组：

费曼演说给科学研究领域开启了一扇新的大门即纳米科技。费曼的许多构想在现在成为了现实，有的构想还需我们继续探索研究。不过，我个人对其中的一些想法的可行性上有些怀疑，比如由蒸发法缩小制造，感觉可行性很低，因为要制造的东西十分微小，对蒸镀的量和均匀程度要求都会比较高，才可以做出想要的元件，而想要用此种方法做出符合要求的元件感觉还是比较困难的。关于用物理方法去合成化学物质个人认为可行性也不是很高。因为各种化学物质的结合有着化学键的存在，直接用物理方法操纵原子进行合成可能会遇到各种问题，同时需要考虑各种力的作用，而且化学物质的作用也不仅仅是体现在几个分子上，而是需要大量分子在一起才有使用价值，用物理方法想要大量合成某种物质也是一个难题。纳米科技作为一个新生的研究领域需要投入更多的探索，在费曼构想的基础上不断去探索更底层的丰富，在原子甚至在原子之下的夸克层面进行更多的研究。同时，纳米科技作为一种科学技术必然有其消极的影响，因此，在探索研究过程中我们应科学理性地应用纳米技术，尽量减少其不良影响。二组：

假说中也有一些不是很赞同的东西。比如说在最后的部分费恩曼认为操控原子“可以做化学合成”，我并不是很赞同这种说法。首先，我也认同使用STM可以操控原子并进行拼接，应该说在适当的条件下进行几个原子的组合是没有什么问题的，但是这同时也是非常困难的。我们都知道原子间的结合成分子要有合理的取向并且要释放能量等，可以看出这需要比较苛刻的条件。但是如果我们用操控原子的方法来进行化学合成，那么我们就需要许许多多的分子，那个数量级（1mol=6*10^23）远非人力的合成甚至（我认为）机器的合成也是做不到的。所以我认为即使是特定的化学研究也不会使用这种方法来合成特定物质。三组：

费恩曼此次演讲的题目叫做《底层的丰富》。不可否认，微观世界确实有很多未知的东西等待我们去发掘。同时我们应该想到，费恩曼的设想还仅仅是停留在纳米级，而如今，我们已经发现有比原子更小的微粒夸克，也就是说，我们的研究可能向着更加微小、更加“底层”的方向深入。但是，我们也应该清醒地意识到，并不是所有的研究都是有意义的或者有益的。例如纳米技术的发展可能会使得人类的生活产生更多担忧，因为那些原来很细小很微不足道的东西都可能变成能要人命的机器人。同时，往细微处的探究很可能不是无止境的，而是有极限的。当种种局限性摆在眼前时，这个领域的发展就可能受制。不过，我们也不应该抱着太功利的想法去从事研究工作。正如费恩曼在演讲最后提出的：“But have some fun!”如果怀着兴趣去研究，而不是功利地时刻思考着研究的经济价值或者应用价值，那么我们就有理由相信，在“底层研究”的道路上，人类还能走得更远。四组：

1、费恩曼的演说对现代科学技术发展有很好的启示作用，演说中很多设想都具有实际操作的意义，我们应当以极大的热情投入对微观世界的研究。

2、也有人提出纳米技术的发展是弊大于利的，因为随着纳米技术的发展极有可能被恐怖分子利用如：制造某种只针对个人的毒药投放的水循环系统中就可以在不危害别人的情况下神不知鬼不觉地杀死特定人，或者可能引发伦理道德问题，人类对待科学技术的发展还是应当持审慎态度，时刻保持清醒的头脑意识到科学是把双刃剑。

3、纳米科技的发展远不如费恩曼预想的那样发展的非常迅速，而是相对而言以一种比较慢的方式前进，我们在对未来保持乐观的同时，应当理性对待科学技术的发展。五组：

纳米演讲稿 篇2

【中文摘要】纳米材料的合成和应用证明了其在物理、化学、材料科学等领域的巨大发展潜力,尤其是纳米材料所具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,使其产生了独特的光学、电学、化学性质以及催化性质。金属纳米颗粒的性质在近十几年受到了广泛关注。纳米尺度的金属纳米材料具备许多块体材料没有的优越性质,其中,金属纳米颗粒所具备的独特光学性质——表面等离子体共振性质已经成为研究热点之一。金属纳米颗粒中的表面等离子体共振是描述其导带电子在电磁场作用下集体振荡的一个物理概念,共振性质受尺寸、形状以及周围介质影响非常显著。对纳米颗粒尺寸及其形貌的有效控制一直都是大家关注的。近几年来,随金、银金属纳米颗粒表面增强拉曼散射效应、荧光效应的广泛应用,金属纳米颗粒已经广泛应用于催化、光催化、信息存储、表面增强拉曼、太阳能电池、生物传感器、化学传感器、非线性光学、光电子学等领域。本论文的工作主要致力于金、银纳米颗粒的合成、性质及应用：通过油相中无机金属盐的热分解,合成不同粒径的银纳米颗粒；在水相中利用柠檬酸盐

【英文摘要】The synthesis and applications of metal nanomaterials suggests their great potential foreground in the physical science, chemical science and materials science, especially for unique properties, such as surface effect，volume effect, quantum size effect and macroscopic quantum tunneling effect.These properties render new applications in optics, electrics, chemists and catalyzers.The properties of noble metal nanomaterials attract much attention in recent years.Metal materials in nano-scale have predominant characters which bulk metal lacks of.In particular, metal nanomaterials have excellent optical properties due to the surface plasmon resonance(SPR).SPR is a physical concept of describing the collective oscillations of conduction band electrons in the electromagnetic field, which is influenced significantly by size, shape and surrounding medium.Size and shape of nanoparticles has been the effective control of all concerned.In recent years, with a wide range use of surface-enhanced Raman scattering, fluorescence effect of gold and silver nanoparticles, metal nanoparticles have been widely used in catalysis, photocatalysis, information storage, surface-enhanced Raman, solar cells, bio-sensors, chemical sensors, nonlinear optics, optoelectronics and other fields.This thesis focus emphasis on the synthesis, properties and applications of gold and silver nanoparaticls:the thermal decomposition of inorganic salts in oil phase for synthesis of silver nanoparticles, resulting in different size;using of

citrate reduction of HAuC14 in the aqueous phase for synthesis of gold nanoparticles.With changing different protective agent(oil amine, carboxylic acides of different chain length), the size and solubility of the metal nanoparticles change.Besides, the means of transmission electron microscopy(TEM), high resolution transmission electron microscopy(HR-TEM), scanning electron microscopy(SEM), X-ray powder diffraction(XRD), UV-visible absorption spectroscopy(UV-Vis)were used to characterized the metal nanoparticle’s phase, size, morphology and optical properties;through different sulfhydryl groups replacing the surface protective agent, we studied the size and surface protective agents dependence of SPR effects.Furthermore, we use spin-coating after photolithography electrodes, to study the electronic properties of metal nanoparticles, and to explore the possible applications in semiconductor devices;when the size of metal nanoparticles drastically reduced, its boiling point sharply decline.After the sintering of the nanoparticles, they can be applied as the electrods of organic semiconductor devices.This paper illustrated the use of silver nanoparticles to serve as electrodes, and explored the role of sintering temperature and sintering time.Finally, we studied the interaction between the

absorption spectra of metal nanoparticles, semiconductors and dyes, exploring their prospects for the applications in solar cells.This thesis mainly focused on the use of chemical liquid phase synthesis methods, combining the structure, performance and applications together, expecting offering help in the preparation of fuctional devices and dye-sensitized thin film solar cells.【关键词】金属纳米颗粒 表面等离子体共振吸收 喷墨打印银电极 太阳能电池

【英文关键词】metal nanoparticles surface enhanced plasmon resonance silver inkjet printing electrodes solar cell 【目录】金属纳米颗粒的性质研究及其应用8-10ABSTRACT10-11

摘要

第一章 1.2 金

符号说明12-13引言13-19属纳米颗粒的应用15-1719-46

1.1 课题研究的背景和意义13-1414-15

1.3 本论文工作及内容安排参考文献17-19第二章 金属纳米颗粒研究现状

19-21

2.2 金属纳米2.2.2 光性质参考文献2.1 金属纳米颗粒的制备颗粒的性质21-3733-3739-4646-67

2.2.1 电性质21-33

37-392.3 金属纳米颗粒的表征第三章 金属纳米颗粒的制备及性质研究3.1 引言部分46

3.2 羧酸保护银纳米颗粒合成46-5747-483.2.1 实验部分46-473.2.3 结果与讨论48-57

3.3.1 实验部分

3.2.2 样品表征3.3 油胺保护银纳米57-58

3.3.2 样品颗粒的合成57-61表征58析58-593.3.3 结果与讨论58-613.3.3.1 样品形貌分

3.4 金纳3.4.2 金3.5 总结3.3.3.2 扫描电镜形貌表征59-61

3.4.1 实验部分61-623.4.3 结果与分析62米颗粒的合成61-62纳米颗粒的表征6262-6467-77参考文献64-674.1 引言部分67-68

第四章 金属纳米颗粒的应用

4.2 金属纳米颗粒SPR对

4.2.2 结果与4.3.1 实光阳极的增强68-70讨论68-70验部分7172-7479-80

4.2.1 实验部分68

4.3 喷墨打印银电极研究70-724.3.2 结果与讨论71-72参考文献74-77

4.4 总结

致谢学位论

第五章 结论77-79附录: 攻读硕士期间完成的论文80-90

纳米论文 篇3

[摘要]纳米医学是纳米技术与医药技术结合的产物,纳米医学研究在疾病诊断和治疗方面显示出了巨大的应用潜力。近几年,纳米技术突飞猛进,作为纳米技术的重要领域的纳米生物工程也取得了辉煌的成就。本文从纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料三个方面,讲述了纳米生物工程的重大进展。本文就纳米诊断技术、组织修复和再生医学中的纳米材料、纳米药物载体、纳米药物等方面的研究现状与进展进行综述,并探讨纳米医学的发展前景。

[引言] 纳米技术的基本概念是用单个原子、分子制造和操作物质的技术,是现代高科技前沿技术.纳米技术应用前景广阔,几乎涉及现有科学技术的所有领域,世界各国都把纳米技术列为重点发展项目,投入巨资抢占纳米技术战略高地.[关键词]纳米医学;纳米生物材料;诊断;治疗

1、跨世纪的新学科——纳米科技

所谓/纳米科技,就是在0.1~100纳米的尺度上,研究和利用原子和分子的结构、特征及相互作用的高新科学技术,它是现代科学和先进工程技术结合的产物。1990年7月,第一届国际纳米科技会议的召开,标志着纳米科技的正式诞生。时至今日,纳米科技涉及到几乎现有的所有科学技术领域。它的诞生,使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最终目标,是人类按照自己的意志操纵单个原子,在纳米尺度上制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞 跃。目前,纳米科技已经取得一系列成果,正处于重大突破的前夜。研究者认为,这一兴起于本世纪90年代的纳米科技,必将雄踞于21世纪,对人类社会产生重大而深远的影响。

2、纳米医学的提出

纳米医学的形成除了纳米技术之外，其医学本身也应具有可应用纳米技术的客观基础和必要条件。客观基础是指，像其他物质一样，医学研究的主体———人体本身是由分子和原子构成的。实现纳米医学的必要条件是，要在分子水平上对人体有更为全面而详尽的了解。随着现代生物学和现代医学的不断发展,人类在生物学和医学等领域的研究内容已开始从细胞、染色体等微米尺度的结构深入到更小的层次,进入到单个分子甚至分子内部的结构。这些极其微细的分子结构的特征:尺度空间在0.1-100 nm,属于纳米技术的尺度范围。研究这些纳米尺度的分子结构和生命现象的学科,就是纳米生物学和纳米医学。纳米医学是一门涉及物理学、化学、量子学、材料学、电子学、计算机学、生物学以及医学等众多领域的综合 性交叉学科。Freitas曾给纳米医学下过一个较详细的定义:他认为,纳米医学是利用人体分子工具和分子知识,预防、诊断、治疗疾病和创伤,劫除疼痛,保护和改善人体健康的科学和技术。目前的纳米医学研究水平还处于初级阶段,当然,由于各国科学工者的不懈努力,纳米医学研究领域已初露曙光,有部分研究成果已开始接近临床应用。

从定义来看,纳米医学可以分为两大类,一是在分子水平上的医学研究,基因药物和基因疗法等就是典型体现;二是把其他领域的纳米研究成果引入医学领域,如某种纳米装置在医疗和诊断上的应用。纳米医学的奥秘在于,可以从纳米量级的尺度来进行原来不可能达到的医疗操作和疾病防治。当生命物质的结构单元小到纳米量级的时候,其性质会有意想不到的变化。这种变化既包括物质的原有性能变得更好,还可能有我们所意想不到的性能和效益,从而用来治病防病。

3、纳米技术的医学应用 3.1 诊断疾病

在诊断方面，将应用纳米医学技术手段，在诊室内进行全面的基因检查和特殊细菌涂层标记物的实时全身扫描；检测肿瘤细胞抗原、矿质沉积物、可疑的毒素、源于遗传或生活方式的激素失衡，以及其它以亚毫米空间分辨率制成所定目标三维图谱的特定分子。在纳米医学时代，这些强有力的手段将使医务人员能够检查患者的任何部位，且可详尽到分子水平，并能以合理的费用，在数分钟或数秒钟内获得所需的结果。许多以往诊断比较困难或无法诊断的疾病,随着纳米技术的介入,将很容易被确诊。为判断胎儿是否具有遗传缺陷,以往常采用价格昂贵并对人体有损害的羊水诊断技术。如今应用纳米技术,可简便安全地达到目的。孕8周左右血液中开始出现非常少量的胎儿细胞,用纳米粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。目前美国已将此项技术应用于临床诊断。肝癌患者由于早期没有明显症状,一旦发现常已到晚期,难以治愈,因而早期诊断极为重要。中国医科大学第二临床学院把纳米粒应用于医学研究,经过4年的努力,完成了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究。动物实验证明,运用这项研究成果,可以发现直径3mm以下的肝肿瘤。这对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。3.2 纳米药物和纳米药物载体

这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。科学家正在为糖尿病人研制超小型的,模仿健康人体内的葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下,监测血糖水平,在必要的时候释放出胰岛素,使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。美国密西根大学的博士正在设计一种纳米/智能炸弹,它可以识别出癌细胞的化学特征。这种智能炸弹很小,仅有20nm左右,能够进入并摧毁单个的癌细胞。

德国医生尝试借助磁性纳米微粒治疗癌症,并在动物实验中取得了较好疗效。将一些极其细小的氧化铁纳米微粒注入患者的肿瘤里,然后将患者置于可变的磁场中,氧化铁纳米微粒升温到45~ 47度,这一温度可慢慢热死癌细胞。由于肿瘤附近的机体组织中不存在磁性微粒,因此这些健康组织的温度不会升高,也不会受到伤害。科学家指出,将磁性纳米颗粒与药物结合,注入到人体内,在外磁场作用下,药物向病变部位集中,从而达到定向治疗的目的,将大大提高肿瘤的药物治疗效果。

纳米药物与传统的分子药物的根本区别在于它是颗粒药物。广义的纳米药物可分为两类:一类是纳米药物载体,即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒,如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等。二是纳米药物,即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒,或利用崭新的纳米结构或纳米特性,发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。前者是对传统药物的改良,而后者强调的是把纳米材料本身作为药物。

3.2.1 纳米药物

直接以纳米颗粒作为药物的应用之一是抗菌药物。纳米抗菌药物具有广谱、亲水、环保、遇水后杀菌力更强、不会诱导细菌耐药性等多种性能。以这种抗菌颗粒为原料,成功地开发出了创伤贴、溃疡贴等纳米医药类产品。例如,纳米二氧化钛树脂基托材料具有一定的抗变形链球菌和抗白色念珠菌的效果,当树脂基托中抗菌剂的浓度达到3%时,即可达到满意的抗菌效果。

无机纳米颗粒作为新型的抗癌药物为肿瘤治疗提供了新的思路。研究人员用Gd@C82(OH)22处理得肝癌的小鼠,在10.7mol/kg的注射剂量下能有效地抑制肿瘤生长,同时对机体不产生任何毒性。其抑瘤效应不是通过纳米颗粒对肿瘤的直接杀伤起作用,而是可能通过激活机体免疫来实现对肿瘤的抑制作用。纳米羟基磷灰石在体外对恶性肿瘤细胞产生明显的抑制作用,而对正常细胞作用甚微,可望通过进一步的研究获得一种区别于传统的化疗药物的纳米无机抗癌药物。此外,有的物质纳米化后出现新的治疗作用,如二氧化钛纳米粒子可抑制癌细胞增殖;二氧化铈纳米颗粒可以清除眼中的电抗性分子并防治一些由于视网膜老化而带来的疾病。

3.2.2 纳米药物载体

实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放,是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,在药物输送方面具有许多优越性。目前,用作药物载体的材料有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等。理想的纳米药物载体应具备以下性质:毒性较低或没有毒性;具有适宜的制备及提纯方法;具有合适的粒径与形状;具有较高的载药量;具有较高的包封率;对药物具有良好的释放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被机体排出;具有较长的体内循环时间,并能在疗效相 关部位持久存。3.3 纳米生物技术

纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物,它即可以用于生物医学,也可以服务于其它社会需求。所包含的内容非常丰富,并以极快的速度增加和发展,难以概述。

3.3.1生物芯片技术

生物芯片是在很小几何尺度的表面积上,装配一种或集成多种生物活性,仅用微量生理或生物采样,即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性,以及它们之间的相互作用,获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等几类,都有集成、并行和快速检测的优点,已成为21世纪生物医学工程的前沿科技。

近2年,已经通过微制作(MEMS)技术,制成了微米量级的机械手,能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞,进行细胞结构、功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学的教授领导的研究人员,发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用,并研制出效果更好的软光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片,通过调节细胞间距等,研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等。它的功能原理非常简单,仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面特性,即可达到选择和固定细胞及细胞面密度控制。

美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言。正像所预想的那样,纳米技术可以在血流中进行巡航探测,即时发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者,并予以歼灭,从而消除传染性疾病。

研究人员做了一个雏形装置,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。3.3.2纳米探针

一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。

3.4组织修复和再生医学中的纳米材料

将纳米技术与组织工程技术相结合,构建具有纳米拓扑结构的细胞生长支架正在形成一个崭新的研究方向。相对于微米尺度,纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似。纳米拓扑结构的构建有可能从分子和细胞水平上控制生物材料与细胞间的相互作用,引发特异性细胞反应,对于组织再生与修复具有潜在的应用前景和重要意义。将纳米纤维水凝胶作为神经组织的支架,在其中生长的鼠神经前体细胞的生长速度明显快于对照材料。向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性,同时还可以改进基体材料的生物相容性。研究发现,随着复合物中碳纳米管含量的增加,神经元细胞和成骨细胞在复合材料上的黏附与生长也越来越活跃,而星形细胞和成纤维细胞的活性则呈现同等程度的下降。研究人员设计的人造红细胞输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍,可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。研究人员成功合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质,该物质可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模数匹配,不易骨折,且与正常骨组织连接紧密,显示出明显的正畸应用优势。

纳米自组装短肽材料RADA16-I与细胞外基质具有很高相似性,RADA16-I纳米支架可以作为一种临时性的细胞培养人工支架,它能很好地支持功能型细胞在受损位置附近生长、迁移和分化,因而有利于细胞抵达伤口缝隙,使组织得以再生。有研究人员利用RADA16-I纳米支架修复了仓鼠脑部的急性创伤,并且恢复了仓鼠的视觉功能。RADA16-I形成的水凝胶可用作新型的简易止血剂,用于多种组织和多种不同类型伤口的止血。

4、我国发展纳米生物学和纳米医学的现状和发展策略

目前,我国在纳米生物和医学领域内的研究基础还比较薄弱,通过采取各种激励措施和各种研究计划的实施,特别是国家自然科学基金委的纳米技术重大研究计划对纳米生物和纳米医学项目的支持,我国在纳米生物和纳米医学方面的研究状况有了很大的改善,生物、医学界的许多院、所相继建立了有关纳米技术的研究室,如中国医学科学院基础医学研究所、军事医学科学院毒物药物研究所和生物物理研究所等都设立了纳米研究室,初步形成了一只较强的研究队伍。近年来,来自化学、物理、信息、药物、生物和医学等领域的科学家通过几次研讨会进一步明确了纳米生物和纳米医学领域的研究方向和内容,并建立了较密切的合作。我国在纳米生物和纳米医学的研究领域也涌现了一批极具特色的研究成果,如在生物传感器、生物芯片、新型药物载体和靶向药物、新型纳米药物剂型、新造影剂、重大疾病的机制、纳米材料的应用和生物安全性及重大疾病预防和早期诊断与治疗技术等方面。但是,这些研究的水准与国际先进水平还有相当的差距,离国家、社会的需求也有相当远的距离。

纳米医学工程的建立不仅是因为有其迫切的需要,而且也因为有了实现的可能。如今,纳米科技在国际上已崭露头角,世界各发达国家纷纷开展纳米科技的研究。在我国,科技界对纳米科技的重要性有了共识,纳米科技研究已取得引人注目的成果。学科发展和社会需要是推动社会发展的巨大动力,学科发展可以创造新的需求,社会需求可以促进学科向深度和广度发展。纳米生物医学工程正在出现,我们无力将它阻挡。虽然它的广泛应用尚有待时日,并潜在危险,但若没有它,我们现在面临的许多生物医学工程问题就不可能得到满意的解决。

纳米科技论文 篇4

名字：柯大黑

湖北文理学院化学工程与食品科学学院11应化班

摘要：纳米科学是一门新兴的而且很有发展前景的自然科学，纵观21世纪，凡是重视纳米科学的研究及发展的国家，现在都成为了发达国家，如美国、英国等发达国家。在21世纪，我们更应该重视纳米科学的研究在经济建设和国防建设中的作用。纳米技术的进步，不仅仅能提高我们国家的经济地位和国防地位，更能提高人民的生活水平和身体素质水平；因为纳米技术的应用非常广泛，覆盖了社会中的很多方面，如国防、医疗、化工、光电、微电子、电力、信息、陶瓷工艺、涂料、环境监测等方面。当今的世界竞争非常激烈，一个国家科学的进步能让这个国家处于有利的世界地位。从最近几年美国发动的伊拉克战争和阿富汗战争可以看出科学技术在军事中重要作用，所以被美国欺负的伊朗致力于核武器的研究。美国之所以成为世界霸主，是因为它科学技术非常先进，纳米技术的研究和应用也世界一流的。所以作为21世纪的青年，我们应该对此加以重视。

关键词：纳米科学产生背景 纳米尺度

特殊性质 制备 应用

在充满活力的21世纪，信息、生物、能源、环境、先进制造、国防等领域的高速发展对材料提出了新的需求和挑战，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小，而性能要求程度越来越高；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料的性能要求有时甚至高于材料本身。为了满足各个领域对材料的高度需求，纳米技术应运而生。而且很快作为一门新兴学科，得到全球范围的广泛关注。

1959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，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为“超级纤维”。这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度； 1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。2000年3月，美国政府向全世界公布了纳米技术的启动计划，至此，也表明纳米技术将引发21世纪新的工业革命。

纳米（nanometer）是一个长度单位，用nm表示。1纳米等于十亿分之一米即1nm=10^-9m。形象地说，一纳米的球体就相当于一个乒乓球跟地球比较，由此可见纳米有多小了。

纳米材料有如下这些特殊性质

力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。

磁学性质 目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数

１

量级。

电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。

光学性质 纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。

纳米材料不仅性质特殊而且制备也很特殊，制备有如下这些方法： 1.物理方法：

1.1.真空冷凝法：

用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后聚冷。其特点纯度高，结晶组织好,粒度可控，但技术设备要求高。

1.2.物理粉碎法：

通过机器粉碎，电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

1.3.机械球磨法：

采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点是操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。2.化学方法：

2.1.气象沉积法：

利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料，其特点是产品纯度高，粒度分布窄。

2.2.沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。

2.3.水热合成法

高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，在经分离和热处理得到纳米粒子。其特点是纯度高，分散性好，粒度易控制。

2.4.溶胶凝胶法

金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点是反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和ＩＩ～VI族化合物的制备。

2.5.微乳液法

两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成

２

核、聚集、团聚、热处理后得到纳米粒子。其特点是单分散和界面性较好。纳米材料的大量制备，当然是为了应用，以下是纳米材料在几个方面上的应用。

纳米材料在陶瓷方面的应用。

陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出非常好的韧性与延展性。

通过纳米改性金属陶瓷成分与不改性的相同金属陶瓷成分的实验证明，在成分相同的情况下，改性金属陶瓷的机械物理性能均高于不改性的金属陶瓷，达到了纳米改性既提高强度又提高硬度的目的；金属陶瓷具有良好的耐磨耐高温的性能。

纳米材料在皮革中的应用。

纳米复合材料由于具有优良的物理、力学和化学性能，所以应用到皮革中。丙烯酸树脂作为一种皮革鞣剂，有选择填充性好，增强作用强，成革柔软性好等优点。皮革制品不能经常洗涤，所以其自身的防霉性和抗菌性能就显得尤为重要。纳米抗菌剂主要分为金属抗菌剂和光催化型抗菌剂。其中金属抗菌剂可以防发霉。

纳米材料在医学上的应用。

医学上,纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。

现在医学中随着细菌耐药性和抗药性的不断增加和复杂化，使传统抗菌剂的弊端日益突出，这就需要研发新型的抗菌物质。抗菌纳米药物由于具有更大的比表面积和表面电荷密度，对细菌有较强的抗菌作用，因而成为许多药物的替代品。

纳米材料在环保方面的应用。

随着人们环保意识的增强，越来越多的新型材料被用于处理各种污染物。尤其是纳米技术的进步，使得纳米材料在环保领域也有了很广泛的应用。其中应用

３

[1

最多的就是Ti02纳米材料。利用Ti02纳米材料光催化可降解其他的方法难以降解的物质，可用于燃料废水、农药废水、表面活性剂，氯代物、氟里昂等废水的处理，还可用以处理无机废水等。纳米Ti02表面活性羟基等具有非常高的反应活性，它不但能矿化其表面附着的有机物，而且能与其表面附着的细菌的组成成分(也是有机物)进行剧烈的反应，从而具有杀菌能力。不但能杀死细菌，而且能彻底矿化细菌尸体，有效消除其残留(毒)物和细菌分泌物，本身又不夹带污染，无毒无害而且成本低[19]。纳米Ti02涂层还可以用于空气净化，[其在紫外线照射下可分解房问内的新建材、黏接剂等产生的甲醛，吸烟产生的乙醛，家庭灰尘产生的硫醇等有机异臭，还可分解油污及其它有机物等。

小结：

2l世纪是纳米技术的时代，纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

参考文献：

1.张立德．纳米材料[M]．北京：化学工业出版社，2000．

2.薛增泉．纳米科技探索[M]．北京：清华大学出版社，2002.3.李道华，喻永红．纳米材料的合成技术及其研究进展 西昌学院学报[J]，2004，1:59-63．

4.朱敏，何海龙，马立超，等．纳米材料在反舰导弹隐身设计中5.的应用[J]．海军航空工程学院学报，2004,1:168-170．

6.白春礼，纳米科技发展趋势分析﹒纳米科技，2005 7.刘吉平，郝向阳，纳米科学与技术﹒北京：科学出版社，2002

8.肖建中．材料科学导论[M]．北京：中国电力出版社,2001，4 3～5 0.9.施周，张文辉，环境纳米技术﹒北京：化学工业出版社，2003，４ 10.朱屯，王福明，王习东，国外纳米材料技术进展与应用﹒北京：化学工业出版社，2002

11.魏方芳．纳米材料的研究及应用[J]．化学工程与装备，2007,3：38-40．