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1、第六章 神奇纳米不神秘自己制作纳米技术产品：点燃蜡烛，熏玻璃成黑膜，可以看日食。古人的智慧：古人的智慧：n n1000年前，蜡烛烟雾制成炭黑的原料以及用于着色的染料。n n古铜镜“水银渗”工艺纳米氧化锡颗粒奏响生命的旋律人体内的人体内的“纳米技术产品纳米技术产品”：例1：DNA（双螺旋结构的“纳米链”）：四种碱基“腺嘌呤”、“鸟嘌呤”、“胞嘧啶”、“胸腺嘧啶”按不同的方式排列就构成不同遗传信息。例2：骨骼：无机物羟基磷灰石（由2040纳米、厚1-3纳米的针状结晶组成）、有机物纤维性蛋白骨胶原组成。出淤泥而不然荷叶自清洁效应荷叶自清洁效应 原理：荷叶表面有复杂的纳米结构，表面形成一层急薄的空气层
2、。灰尘、水珠的尺寸远大于这种结构，水在自身表面张力作用下形成水珠，从叶面上滚落的过程把灰尘粘落，形成“自清洁”现象。蜜蜂的“记忆”蜜蜂采蜜不会迷失方向：蜜蜂采蜜不会迷失方向：其腹部有磁性纳米粒子磁性纳米粒子，磁盘纳米粒子有“罗盘”作用。海龟远航海龟环大西洋巡游：海龟环大西洋巡游：海龟头部有磁性纳米微粒，准确无误完成几万公里的行程。“横行霸道”螃蟹为什么横着走？螃蟹为什么横着走？螃蟹第一对触角里有几颗磁性纳米微粒，亿万年前，螃蟹的祖先前进后退，后来由于地球磁场发生了多次剧烈倒转，螃蟹的“指南针”发生错乱，失去了正确指示方向的功能，开始横行。“白毛浮绿水”为什么鹅在水中戏耍而身上的毛却并不会湿呢？
3、为什么鹅在水中戏耍而身上的毛却并不会湿呢？为什么鹅在水中戏耍而身上的毛却并不会湿呢？为什么鹅在水中戏耍而身上的毛却并不会湿呢？鹅毛排列非常整齐，且毛与毛之间的间隙小到了鹅毛排列非常整齐，且毛与毛之间的间隙小到了纳米尺寸，水珠无法穿透。纳米尺寸，水珠无法穿透。环绕四处皆纳米n n像云、雾、烟、尘等在空气中分散了纳米粒子而形成了气溶胶气溶胶n n像牛奶、肥皂泡沫、泥浆等在水中分散了纳米颗粒，属液溶胶液溶胶n n像珍珠、彩色塑料、某些合金等在某固体里分散了纳米颗粒，属于固溶胶固溶胶n n影片影片仿生前沿仿生前沿n n影片影片探索生命的奥秘探索生命的奥秘第七章 仿生纳米显神通仿生技术的发展仿生技术的发
4、展仿生技术的发展仿生技术的发展:n n在地球上，至少在地球上，至少200200万种生物，共同点是：具备了万种生物，共同点是：具备了与生长环境相适应的组织、器官和结构。与生长环境相适应的组织、器官和结构。n n支持了人类的发展，为人类知识和技术的创新提支持了人类的发展，为人类知识和技术的创新提供了丰富的源泉和无限的想象空间。供了丰富的源泉和无限的想象空间。仿生科学技术n n定义：根据各种生物的形态、结构和奇特的功能启发人类创造新的产品，推动了社会的进步，形成的一门新的学问。n n三个阶段：形态仿生、结构仿生、智能仿生n n形态仿生形态仿生：如中国功夫-模仿动物的动作五禽功、猴拳、青蛙功、螳螂拳等
5、；从鸟类飞翔-设计了飞机和各种飞行物。n n结构仿生结构仿生：如仿荷叶的自清洁功能n n智能仿生智能仿生：对生物的功能研究 目前的仿生学n n主要集中在：主要集中在：生物的动作行为和生物体宏观结构的模仿，很少涉及到生物体本身的效应、机理和生物组织。n n主要原因是主要原因是：传统的技术实现手段不能满足对生物体的精细模仿要求，仿生学还停留在宏观和表面的层次上。仿生微纳米系统n n微纳米技术的加工能力和器件尺寸与生物细胞、组织结构相当，十分适合作为微型仿生系统的技术实现手段。n n仿生学仿生学与微纳米技术微纳米技术结合产生一个新的研究方向-仿生微纳米系统仿生微纳米系统小壁虎大神功壁虎爬墙壁虎爬墙壁
6、虎爬墙壁虎爬墙“神功神功神功神功”原理原理原理原理：n n黏着力是由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子之间产生的黏着力是由壁虎脚底大量的细毛与物体表面分子之间产生的范德华力范德华力范德华力范德华力累加而成的。累加而成的。n n范德华力是范德华力是中性分子在彼此距离非常近中性分子在彼此距离非常近中性分子在彼此距离非常近中性分子在彼此距离非常近时，产生的一种微弱时，产生的一种微弱的的电磁引力电磁引力电磁引力电磁引力。n n壁虎脚趾生有约壁虎脚趾生有约两百万根细小的刚毛两百万根细小的刚毛两百万根细小的刚毛两百万根细小的刚毛，刚毛直径约，刚毛直径约5 5微米，微米，长度长度30-13030-130微米，
7、每根刚毛的顶端有约微米，每根刚毛的顶端有约1001001001001000100010001000个更细小个更细小个更细小个更细小的绒毛的绒毛的绒毛的绒毛，大约，大约200200纳米，绒毛与物体表面分子间的距离非常纳米，绒毛与物体表面分子间的距离非常近，产生范德华力。近，产生范德华力。会爬墙的“壁虎”机器人仿造：仿造：n n利用微米加工技术，制造机器人的利用微米加工技术，制造机器人的脚趾脚趾脚趾脚趾。n n利用物理和化学方法制造纳米线排列而成一种新利用物理和化学方法制造纳米线排列而成一种新型型纳米结构绒毛纳米结构绒毛纳米结构绒毛纳米结构绒毛。两种方法：蜡表面压出纳米孔，。两种方法：蜡表面压出纳
8、米孔，形成模具加工纳米绒毛；用铝和有机聚合物自组形成模具加工纳米绒毛；用铝和有机聚合物自组纳米孔薄膜作主模板加工纳米绒毛。纳米孔薄膜作主模板加工纳米绒毛。微型机器人的目标跟踪能力：n n粘附在目标卫星上粘附在目标卫星上n n优势优势优势优势是：能够在任意形貌的未知材料表面进行黏附和爬是：能够在任意形貌的未知材料表面进行黏附和爬行。行。铁磁吸附铁磁吸附铁磁材料；静电吸附铁磁材料；静电吸附导电特性材料；化学导电特性材料；化学黏附黏附胶挥发、固化；范德华力与材料无关，在真空下胶挥发、固化；范德华力与材料无关，在真空下更为有效，更为有效，最适合空间微机器人的黏附爬行机构最适合空间微机器人的黏附爬行机构
9、最适合空间微机器人的黏附爬行机构最适合空间微机器人的黏附爬行机构。n n军事侦察、抢险救灾、高楼清洗、特殊的靴子和手套军事侦察、抢险救灾、高楼清洗、特殊的靴子和手套蚂蚁的“GPS”定位功夫 GPSGPS即全球定位系统（Global Positiong System）,美国于1994年全面建成的。具有在海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS构成：主要有三部分：1.1.空间部分空间部分：24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。2.2.地面监控部分地面监控部分：包括四个监控站、一个上行注入站、一个主控站。3.3.用户接收机用户接收机：使用用户拥有。各种定位方式n
10、n中国指南针和罗盘最古老的定位器n n磁性超微粒子和地球磁场来导航大海龟环大西洋巡游n n超声波发生器和接受超声波定位和导航-蝙蝠n n微偏振器定位-蚂蚁光偏振定位导航系统n n光偏振现象：光偏振现象：一束光通过偏振器，根据入射光和光栅之间的夹角不同，光强发生有规律的变化。看影片光偏振光偏振n n根据偏振光强的变化，判断偏振光的方向。n n蚂蚁身上的偏振器蚂蚁身上的偏振器就起到了定位导航的作用。纳米技术制造微型光偏振定位导航系统n n现代纳米技术，制备金属纳米线阵列金属纳米线阵列。一平方厘米可以有几十个G的金属纳米线，整齐排列，制成纳米光偏原地器，可以按照光偏导航。GPS受制于人，独立发展是出
11、路n n全世界全世界GPSGPS定位全部掌握在美国人手中。战争时期，美国定位全部掌握在美国人手中。战争时期，美国关闭一部分关闭一部分GPSGPS系统，美国人自己可以用，占绝对优势；系统，美国人自己可以用，占绝对优势；而其他国家不能用，处于挨打的地位。而其他国家不能用，处于挨打的地位。n n 明显的事例：明显的事例：伊拉克战争伊拉克战争伊拉克战争伊拉克战争。n n欧盟、其他国家（包括中国）共建的欧盟、其他国家（包括中国）共建的“伽利略全球卫星定伽利略全球卫星定位系统位系统”。n n中国的中国的“北斗导航系统北斗导航系统北斗导航系统北斗导航系统”。影片光的偏振现象光的偏振现象影片壁虎壁虎影片北斗导
12、航北斗导航第八章 柳暗花明又一村摩尔定律的魔力n n计算机也许是世界上贬值最快的商品之一；计算机也许是世界上贬值最快的商品之一；n n新机型的推出意味着旧机型的淘汰；新型号的新机型的推出意味着旧机型的淘汰；新型号的计算机价格昂贵，旧型号的计算机却快速贬值。计算机价格昂贵，旧型号的计算机却快速贬值。原因：受摩尔定律所左右。原因：受摩尔定律所左右。戈登.摩尔与摩尔定律n n英特尔公司的创始人之一，英特尔公司的创始人之一，罗伯特罗伯特罗伯特罗伯特.诺伊斯诺伊斯诺伊斯诺伊斯发明了发明了集成电路。集成电路。n n英特尔公司的另外一个创始人英特尔公司的另外一个创始人-戈登戈登.摩尔，摩尔，19651965
13、年提出了摩尔定律：年提出了摩尔定律：每每每每18181818个月，计算机芯片个月，计算机芯片个月，计算机芯片个月，计算机芯片集成的晶体管数量将会在原有的基础上翻一番。集成的晶体管数量将会在原有的基础上翻一番。集成的晶体管数量将会在原有的基础上翻一番。集成的晶体管数量将会在原有的基础上翻一番。举具体数字来说明：n n19651965年，世界上最复杂的芯片可以集成年，世界上最复杂的芯片可以集成6464个晶体管；个晶体管；n n19691969年，年，40044004芯片发展到芯片发展到23002300个晶体管；个晶体管；n n19821982年，年，286286电脑发展到电脑发展到1010万个晶体
14、管；万个晶体管；n n19931993年，奔腾增长到年，奔腾增长到300300万个晶体管；万个晶体管；n n19991999年，奔腾年，奔腾芯片，在面积为芯片，在面积为217217平方毫米的芯片内有晶平方毫米的芯片内有晶体管体管28002800万个，制程精度为万个，制程精度为0.180.18微米（微米（180180纳米），主频速纳米），主频速度达到度达到1 1吉赫兹；吉赫兹；n n20012001年，奔腾年，奔腾4 4，面积降低到，面积降低到116116平方毫米，芯片内含晶体管平方毫米，芯片内含晶体管却超过却超过42004200万个，制程精度达到万个，制程精度达到0.130.13微米（微米（1
15、30130纳米），主纳米），主频速度达到频速度达到1.71.7吉赫兹；吉赫兹；摩尔定律遇难题n n按照摩尔定律的发展趋势，在2010年左右，微电子器件的尺寸和集成电路的线宽都将小于100纳米，达到微米加工技术的极限。n n1995年的一次国际学术会议上，摩尔本人对摩尔定律是否继续灵验提出怀疑。光刻术制造微芯片电路n n在常规尺度上设计出所需要的电路图案；在常规尺度上设计出所需要的电路图案；n n然后，把电路图像制备成一个透明的图像，我们把然后，把电路图像制备成一个透明的图像，我们把它叫做它叫做“掩膜掩膜”。n n把一束光照过这个透明图像，光线穿过一系列透镜，把一束光照过这个透明图像，光线穿过一
16、系列透镜，使图像变小之后照到涂有光刻胶的硅芯片上，使之使图像变小之后照到涂有光刻胶的硅芯片上，使之像照片一样曝光。像照片一样曝光。n n用化学物质腐蚀掉硅芯片上曝过光的部件。用化学物质腐蚀掉硅芯片上曝过光的部件。山重水复疑无路n n对集成电路最小线宽的要求达到100纳米之时，现有的光刻技术就无能为力了。n n摩尔定律到了山重水复疑无路的境地。破解难题见曙光n n摩尔定律遇到的问题其实就是微米加工技术的问题。n n纳米技术可以解决问题。超紫外加工技术n n光刻技术的光刻技术的加工精度加工精度与与使用的光源使用的光源有关系，有关系，光的波光的波光的波光的波长越短，加工精度就越高长越短，加工精度就越
17、高长越短，加工精度就越高长越短，加工精度就越高。n n深紫外光深紫外光深紫外光深紫外光的波长为的波长为240240纳米，加工极限是纳米，加工极限是100100纳米。纳米。n n超紫外光波长更短超紫外光波长更短超紫外光波长更短超紫外光波长更短，光刻的最小线宽达到，光刻的最小线宽达到7070纳米左纳米左右。右。n n缺点：缺点：缺点：缺点：需要在真空条件下进行，增加了成本。需要在真空条件下进行，增加了成本。X射线加工技术n nX射线射线的刻蚀精度可以达到50纳米左右；n n如果采用电子束电子束，有可能达到10纳米左右的刻蚀精度。n n缺点缺点：刻蚀速度慢，刻蚀一块晶片约需要一天的时间。n n扫描隧
18、道显微镜和原子力显微镜n n碳材料的应用n nDNA生物计算机n n光子计算机n n量子计算机影片影片纳米技术将使电脑自动组装纳米技术将使电脑自动组装影片影片数据的存储将由专门的探针来完成数据的存储将由专门的探针来完成影片影片宇航与宇航与DNA计算机计算机第九章 长生不老梦重温不老梦n n对酒当歌，人生几何。譬如朝露，去日苦多。对酒当歌，人生几何。譬如朝露，去日苦多。n n古往今来，帝王梦想长生不老。古往今来，帝王梦想长生不老。人寿命在提高n n新石器时代，人的平均寿命为20岁；n n20世纪90年代，我国人均寿命提高到70岁以上。n n如果攻克危害人类的主要疾病，如癌症、心脏病、艾滋病、糖尿
19、病等之后，人类的平均寿命还会增长15年。能否长生？n n衰老不可抗拒，生命是有限的；衰老不可抗拒，生命是有限的；n n美国麻省理工学院的德雷克斯勒，认为可以制造美国麻省理工学院的德雷克斯勒，认为可以制造“细胞修复细胞修复机机”，纠正，纠正DNADNA的错误，衰老可以停止。的错误，衰老可以停止。n n纳米技术给长生以很大的希望。纳米技术给长生以很大的希望。人的组成n n世界上有100多种元素；n n人体由60多种元素构成，其中碳、氢、氧、氮、钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁等11种元素占人体质量的99.95%。能进入细胞的微型机械-分子马达n n康奈尔大学科学家Montemagno，制作出体积只有红细
20、胞1/5大小的生物分子马达。n n分子马达关键部分是附在轴上的一种来自大肠杆菌的蛋白质和推进器。所需能量来自ATP（三磷酸腺苷）。看不见的手n n莫雷认为，用微型机器来操纵原子和分子永远不可能达到创造目的，这是因为有三种困难难以解决。1.1.化学原理问题2.2.胖手指问题3.3.粘手指问题纳米制造模式-病毒n n大部分病毒是纳米级的，构造：由大部分病毒是纳米级的，构造：由遗传信息遗传信息和包裹在外面的和包裹在外面的蛋白质外壳蛋白质外壳组成。组成。n nDNADNA病毒，病毒，RNARNA病毒；病毒；n n寄生在生物活细胞内，寄生在生物活细胞内，“强行征用强行征用”细胞内的各种生物体材细胞内的各
21、种生物体材料。料。n n纳米机器人纳米机器人纳米制造模式-细胞n n人的人的细胞是一个细胞是一个“纳米加工厂纳米加工厂”。n n线粒体线粒体是细胞的是细胞的“发电站发电站”；n n细胞核细胞核使细胞有生长、分裂的能力。使细胞有生长、分裂的能力。人类的DNAn n双螺旋结构双螺旋结构，两条核苷酸聚合而成的，两条核苷酸聚合而成的“纳米链纳米链”构成。构成。碱基对的顺序，决定了人的各种遗传信息。碱基对的顺序，决定了人的各种遗传信息。n n基因发生意外变化基因发生意外变化，就可能，就可能导致某些疾病的发生导致某些疾病的发生，如癌，如癌症、心脏病等等。症、心脏病等等。n n利用利用“纳米机器人纳米机器人
22、”修复基因修复基因，避免疾病的发生。，避免疾病的发生。n nDNADNA的顶端以单条基因链结束，叫做端粒。端粒是控制的顶端以单条基因链结束，叫做端粒。端粒是控制衰老的关键。一个细胞分裂一次，端粒就减少衰老的关键。一个细胞分裂一次，端粒就减少100100对碱对碱基对的长度，一旦端粒的碱基对长度减少到基对的长度，一旦端粒的碱基对长度减少到3000-50003000-5000对长时，细胞进入衰老期，然后死亡。对长时，细胞进入衰老期，然后死亡。n n认为认为增加端粒长度，改变自然衰老增加端粒长度，改变自然衰老。n n影片影片纳米技术有望使人长生不老纳米技术有望使人长生不老第十章 应用医疗克顽症1.纳米
23、机器人的医疗应用n n纳米机器人的作用 1）.细胞与基因的修复 2）.清理体内垃圾 3）.养护血管人造机械红细胞人造机械红细胞 球型，直径约球型，直径约球型，直径约球型，直径约1 1 1 1微米，含微米，含微米，含微米，含1.8101.8101.8101.81010101010按金刚石方式排按金刚石方式排按金刚石方式排按金刚石方式排列的碳原子。表面有气体传感器，可泵入列的碳原子。表面有气体传感器，可泵入列的碳原子。表面有气体传感器，可泵入列的碳原子。表面有气体传感器，可泵入9109109109109 9 9 9O O O O2 2 2 2和和和和COCOCOCO2 2 2 2分子。分子。分子。
24、分子。2.纳米药物n n纳米药物的应用纳米药物的应用 药物中的纳米粒子可以分成两类：药物中的纳米粒子可以分成两类：纳米载体纳米载体纳米载体纳米载体和和纳纳纳纳米药物米药物米药物米药物。纳米载体纳米载体纳米载体纳米载体：溶解或分散有药物的各种纳米粒，如溶解或分散有药物的各种纳米粒，如纳米脂质体纳米脂质体、聚合物纳米囊聚合物纳米囊、纳米球纳米球、聚合物胶聚合物胶束束等。等。纳米药物：纳米药物：纳米药物：纳米药物：直接将原料药物加工成的纳米粒。直接将原料药物加工成的纳米粒。治疗癌症方面：治疗癌症方面：药物制成纳米级的药物制成纳米级的磁性药物粒子磁性药物粒子磁性药物粒子磁性药物粒子，用外加磁场加以引导
25、，把它们定位于病灶，达到用外加磁场加以引导，把它们定位于病灶，达到靶向给药的目的。靶向给药的目的。交变磁场加热磁性药物粒子交变磁场加热磁性药物粒子交变磁场加热磁性药物粒子交变磁场加热磁性药物粒子，烧死癌细胞，周围健康组织不受损害。烧死癌细胞，周围健康组织不受损害。治疗艾滋病：治疗艾滋病：艾滋病毒喜欢艾滋病毒喜欢C C6060粒子粒子，容易与之结合。加拿大研制了以C60为核心的靶向药物。纳米药物的优点纳米药物的优点1.改善难溶性药物的口服吸收；2.靶向和定位释药纳米粒；增加药物的靶向性，是抗肿瘤药物、抗寄生虫药物的载体3.生物大分子载体；药物纳米粒类型1 1）纳米脂质体）纳米脂质体：粒径在100
26、纳米左右，可作为改善生物大分子药物的口服吸收以及其他途径吸收的载体，如胰岛素纳米脂质体。2 2）固体脂质纳米粒）固体脂质纳米粒：多种类脂材料如脂肪酸、脂肪醇及磷脂等形成的固体颗粒。具有一定的缓释作用，适合于难溶性药物的包裹，作为靶向定位和控释作用的载体。3 3）纳米囊和纳米球）纳米囊和纳米球：聚乳酸、明胶等高分子材料制备而成，用于包裹药物，缓控释作用。4 4）聚合物胶束）聚合物胶束：共聚物在水中溶解成高分子胶束，完成对药物的增溶和包裹。5 5）纳米混悬剂）纳米混悬剂：在表面活性和水等附加剂存在下，直接将药物粉碎加工成纳米混悬剂，提高药物吸收或靶向性。纳米技术应用于中药中药中药是世界历史曾经有的
27、四个传统医药体系四个传统医药体系（埃及、印度、罗马、中国）之一之一，其他三个都消亡了，只有中医药体系保存至今只有中医药体系保存至今；日本和韩国日本和韩国对中医药的研究力度很大，中国是中药生产大国，但不中国是中药生产大国，但不是生产强国是生产强国，主要是技术落后，所以需运用先进的纳米技术发展中药。中药传统是煎煮方法煎煮方法，难以入口，中药制剂中药制剂的改良只提取了中药成只提取了中药成分的分的10%-30%10%-30%，药效大受影响。纳米技术纳米技术可以充分提取中药中的有效成分，既节省中药原材料节省中药原材料，又可使药物吸收加快，增加疗效药物吸收加快，增加疗效。中药加工成纳米级微粒子纳米级微粒子，针对性直达病灶；降低毒副作用直达病灶；降低毒副作用。n n影片纳米医疗纳米医疗n n影片纳米机器人在医疗中的应用纳米机器人在医疗中的应用n n影片纳米靶向医疗技术纳米靶向医疗技术n n影片纳米技术被应用于治疗脑瘤纳米技术被应用于治疗脑瘤n n影片纳米治疗毒瘾纳米治疗毒瘾