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1、2023/2/22,1,第11章 纳米材料,2023/2/22,2,什么是纳米？这一定是每一个首次接触纳米的人提出的第一个问题。,一、概述,其实，纳米就字面来说，只是一种尺度，它和我们所熟悉的米、毫米、微米一样都是长度计量单位。,1纳米等于10-9 m，也就是说，l纳米只有10亿分之一米。,1纳米大约是34个原子排列在一起的长度；是人头发直径的万分之一。,而纳米材料一般指至少在一个方向上尺寸在1-100nm之间的材料。,2023/2/22,3,纳米纪事 最早的纳米材料：中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡中国古代的墨及染料 1857年，法拉第制备出金纳米颗粒 1861年，胶体化学的的建立 196
2、2年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论,2023/2/22,4,上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究 1985年，Kroto和Smalley等人发现C60 1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议 1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程,2023/2/22,5,2023/2/22,6,2023/2/22,7,2023/2/22,8,自然界的纳米材料 人体和兽类的牙齿 海洋中的生命粒子 蜜蜂的“罗盘”腹部的磁性纳米粒子 螃蟹的横行磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱 海龟在大西洋的巡航头部磁性粒子的导航,2023/2/22,9,纳米材料的分类按结构：
3、零维纳米材料：量子点纳米粒子一维纳米材料：如纳米线(量子线)、纳米管二维纳米材料：薄层纳米孔材料：如介孔分子筛,2023/2/22,10,按组成：金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米材料,复合纳米材料：无机纳米粒子与有机高分子复合材料无机半导体的核壳结构量子阱(超晶格)材料,2023/2/22,11,1.尺寸效应Kubo 理论2.表面效应3.库仑阻塞和量子隧穿4.介电限域效应,二、纳米材料(纳米粒子)的特性,2023/2/22,12,尺寸效应1)量子尺寸效应(Kubo公式)：=(4/3)(EF/N)V-1,相临电子能级间距；N，粒子内总导电电子数；EF，费米能级；V，粒
4、子体积当粒子为球形时，1/d3金属能级的不连续和半导体能级间隙变宽,2023/2/22,13,2)小尺寸效应：粒子尺寸与光的波长、单磁筹临界尺寸、超导态的相干长度相当或更小时，引起的相关物理性质的变化。光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态过渡；超导相向正常相转变；纳米粒子熔点的改变：金：熔点1337K，2nm粒子为600K,2023/2/22,14,2.表面效应,纳米微粒尺寸与表面原子数的关系,2023/2/22,15,3.库仑堵塞与量子隧穿,Ec=e2/2C充入一个电子所需要的能量也称库仑堵塞能。这种小体系中单电子输运行为称为库仑堵塞效应。,2023/2/22,1
5、6,在第一个量子点上所加的电压必须克服Ec，电子才能隧穿，Ve/C通常，库仑堵塞和量子隧穿都是在低温下才能观察到，条件是(e2/2C)kbT。如果粒子特别小，一般在1nm左右时就可以在室温下观察到。,2023/2/22,17,4.介电限域效应 纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象。介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等性质都有影响。,2023/2/22,18,分类：物理方法和化学方法物理方法：物理粉碎法、激光蒸发法、喷雾法、分子束外延法化学方法：沉淀法、溶胶-凝胶法、微反应器法、水热及溶剂热法、化学气相沉积法,三、纳米材料的制备,2023/2/22,19,2.几种化学方法简
6、介1)化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition,CVD）利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术。20世纪60年代John M Blocher Jr等首先提出Vapor Deposition，根据过程的性质分为PVD 和CVD。,2023/2/22,20,CVD技术被广泛应用于半导体和集成电路技术：CVD是目前超纯多晶硅的唯一生产方法；化合物半导体的制备，比如III-V族半导体；各种搀杂半导体薄膜的生长，以及绝缘薄膜的生长,2023/2/22,21,2023/2/22,22,2）水热和溶剂热法hydrothermal Solvothermal
7、Synthesis较高温度和较高压力下溶液中的化学合成。水热法最初是为了模拟地矿生成条件。水热法被广泛用于分子筛合成，晶体生长等。近些年被用于纳米材料的制备。特征：体系一般处于非理想、非平衡状态溶剂处于接近临界、临界或超临界状态。,2023/2/22,23,优点：反应物活性改变和提高，有可能代替固相反应，并可制备出固相反应难以制备出的材料；中间态、介稳态以及特殊相易于生成，能合成介稳态或者其他特殊凝聚态的化合物、新化合物。能够合成熔点低、蒸气压高、高温分解的物质；,2023/2/22,24,低温、等压、溶液条件，有利于生长缺陷少、取向好、完美的晶体，并且产物晶体的粒度可控；由于环境气氛可调，因
8、而可合成低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成，并能进行均匀搀杂。,2023/2/22,25,3)溶胶凝胶法sol-gel采用无机盐或金属有机化合物，如醇盐为前驱物，前驱物在水中水解（或者在其他溶剂中溶剂解），反应生成物聚集形成溶胶。然后经蒸发干燥从溶胶转变为凝胶。典型的软化学合成。,2023/2/22,26,5）模板法制备纳米材料Template-directed Synthesis of nanomaterials,硬模板,2023/2/22,27,四、几种典型的纳米材料,1.防护材料 由于某些纳米材料透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用，在产品和材料中添加少量（一般不超过含量的2）的纳米材
9、料，就会大大减弱紫外线对这些产品和材料的损伤作用，使之更加具有耐久性和透明性。被广泛用于护肤、装饰材料、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等方面。,2023/2/22,28,2.精细陶瓷材料 使用纳米材料可以在低温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷。因为这些纳米粒子非常小，很容易压实在一起。,此外，这些粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透明塑料，喷涂在诸如玻璃、塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石上，具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料镜片即轻又耐磨、还不易破碎。,2023/2/22,29,3.磁性材料 纳米粒子属单磁畴区结构的粒子，它的磁化过程完全由旋转磁化
10、进行，即使不磁化也是永久性磁体，因此用它可做永久性磁性材料。,磁性纳米粒子具有单磁畴结构及矫顽力很高的特征，用它来做磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。,2023/2/22,30,当磁性材料的粒径小于临界半径时，粒子就变得有顺磁性，称之为超顺磁性，这时磁相互作用弱。利用这种超顺磁性可做磁流体，磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性，它在工业废液处理方面有着广阔的应用前景。,2023/2/22,31,4.传感材料 纳米粒子具有高比表面积、高活性、特殊的物理性质及超微小型等特征，是适合用作传感器材料的最有前途的材料。外界环境的改变会迅速引起纳米粒子表面或界面离子价态和电子运输的变化，利用其电阻的显
11、著变化可做成传感器，其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。,2023/2/22,32,5.光电材料与光学材料 纳米材料由于其特殊的电子结构与光学性能，作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料，以及包括太阳能电池在内的储能及能量转换材料等具有很高的应用价值。,2023/2/22,33,6.增强材料 纳米结构的合金具有很高的延展性等，在航空航天工业与汽车工业中是一类很有应用前景的材料。,纳米硅作为水泥的添加剂可大大提高其强度；,纳米纤维作为硫化橡胶的添加剂可增强橡胶并提高其回弹性；,纳米管在做纤维增强材料方面也有潜在的应用前景。,2023/2/22,34,7.纳米滤膜 采用
12、纳米材料发展出分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物，实现高能分离的纳米滤膜。,其它还有将纳米材料用作火箭燃料推进剂、H2分离膜、颜料稳定剂及智能涂料、复合磁性材料等。,2023/2/22,35,碳家族,8.碳纳米材料,2023/2/22,36,8.1碳纳米材料发展简史,1985年 发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。因此，1996年获得诺贝尔化学奖。1991年 日本电气公司的S.Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30n
13、m，叫Carbonnanotubes，(CNTs）；,2023/2/22,37,1992年 瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)；2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了=0.33nm的碳纳米管,但稳定性较差;2002年4月5日，美国纽约州的伦斯勒工业大学（RPI RensselarPolytechnic Institute）材料科学工学专业教授P.M.Ajayan的研究小组报道制备出了“雏菊”,2023/2/22,38,2023/2/22,39,2003年5月4日，日本信州大学和三井物产下属的CNRI子公司研制成功=
14、0.4nm的碳纳米管。同年，日本名古屋大学筱原久典教授制备出了纳米电缆；2004年3月下旬,中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯分子C141;2004年4月30日 Science杂志报道，我国科学家合成出了C50Cl10(厦门大学)；,2023/2/22,40,8.2 碳纳米材料的分类,富勒烯:碳的第四种同素异形体(金刚石、石墨和无定形碳)富勒烯包括：巴基球（C50、C60、C70、C76、C80、C82、C84、C90、C94等）、巴基管（单壁和多壁碳纳米管）和巴基葱纳米金刚石,2023/
15、2/22,41,富勒烯,C80,2023/2/22,42,2023/2/22,43,a.C60的发现及命名,1985年11月14日，Kroto，Curl和Smalley等人在自然杂志上正式宣布C60的发现及结构模型；1996年，获得诺贝尔化学奖。C60亦称footballene,2023/2/22,44,C60由20个六边形环和12个五边形环组成的球形32面体，其中五边形环只与六边形环相邻，而不相互连接。C60分子中的键有两种：单键和双键。五边形环只有单键，而在六边形环中单键与双键交替排列，故六边形与五边形的公共棱边为单键，而两个六边形环的公共棱边则为双键。,2023/2/22,45,b.C6
16、0的合成方法,电弧放电法 苯火焰燃烧法 1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及其实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富勒烯。高频加热蒸发石墨法,2023/2/22,46,c.C60的物理化学性质,（1）物理性质 黑色粉末，密度1.65g/cm30.05g/cm3，熔点700，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪烃中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大。能在不裂解情况下升华。生成热为Hf(C)=2280KJ/mol，电离势为2.61ev0.02ev，电子亲合势2.6ev2.8ev，可压缩率为7.010-12cm3/dyn，抗冲击能力强。具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适当的金属掺杂后
17、的C60表现出良好的导电性和超导性。,2023/2/22,47,（2）化学性质 芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于C60笼内部：MC60；金属和C60在球外表起反应：MC60。C60和金属的反应 C60的氧化还原反应 C60与自由基反应C60的加成反应 C60聚合反应,2023/2/22,48,碳60超导体,已经试验过往C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子，可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。,d.C60的奇异性能举例,2023/2/22,49,分子算盘,1996年11月，IBM公司在瑞士苏黎士研究室工作的物理学家金泽夫斯基等，想能否用一台扫
18、描隧道显微镜和一些巴基球，制成一个能计算的机器。结果研究出第一台分子算盘，储存信息容量是常规电子计算机存储器的10亿倍，可能是将来制造出分子般大小的机器的第一步。移动单个分子或原子的技术，将是下一代电子元件和开发纳电子集成电路的关键。,2023/2/22,50,碳纳米管的制备,电弧放电法催化裂解法(复合电极电弧催化法、碳氢化合物催化分解法)CVD-化学气相沉积法激光蒸发（烧蚀）法等离子体法增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法PE-HF-CVD热解聚合物法（化学热解法）离子（电子束）辐射法催化裂解无基体法电解法,2023/2/22,51,碳纳米管的物理化学性质,超长单壁碳纳米管束的性能,超长单壁碳
19、纳米管细丝(直径50500nm)在90300K间，电阻率=57/m,单壁碳纳米管长丝的应力(载荷)应变曲线,2023/2/22,52,碳纳米管的低能态性能,碳纳米管在极端物理条件下转变为金刚石采用热丝化学气相沉积技术，在硅衬底上涂覆碳纳米管取代金刚石粉作为粒晶，在真空度为13.3kPa的条件下，得到了优质的金刚石薄膜，成膜时间缩短了一倍。金刚石晶粒密度达108cm-2在激光辐照下，碳纳米管能够转变为巴基葱，进而得到金刚石。,2023/2/22,53,碳纳米管的力学性能,(1)高机械强度：钢100倍强度，1/6重量(2)高长径比:103数量级(3)高比表面:400-500m2/g,2023/2/
20、22,54,碳纳米管的电化学性能,碳纳米管的压制体（超级双电层电容器）金属性半导体性,立体各向异性的阵列碳纳米管薄膜,2023/2/22,55,碳纳米管的场发射特性,碳纳米管之所以可以作为场发射材料，取决于其结构特点和力学、电学性能。首先，电导体，载流能力特别大；其次，直径可以小到1nm左右；第三，化学性质稳定，机械强度高、韧性好。,定向碳纳米管的场发射特性,2023/2/22,56,碳纳米管的物理储氢性能,FCNTs表示浮动法制备的碳纳米管；SCNTs表示基种法制备的碳纳米管,室温和10MPa下碳纳米管的储氢量,2023/2/22,57,碳纳米管的电化学储氢性能,瑞士福来堡大学物理系的N t
21、zenadel等最先使用电化学方法检测了碳纳米管储氢性能,比较了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混以铜粉或金粉制成的电极的恒流充放电性能。结果表明，单壁碳纳米管的最大比电容量仅为110mAh/g,对应储氢质量分数为0.39%。,2023/2/22,58,韩国Jeonbuk大学半导体科学技术及半导体物理研究中心的Lee等通过实验及理论计算认为,氢以分子形式存在于碳纳米管内腔中,并且预言单壁碳纳米管的储氢量与管径成正比，多壁碳纳米管的储氢量则与管径无关。定向多壁碳纳米管混以铜粉后表现出显著的储氢性能,最高比电容量达1625 mAh/g，对应储氢质量分数为5.7%。,2023/2/22,59,碳纳米管的吸
22、附性能,硝酸氧化处理后的碳纳米管对铅，铜和镉离子显示出了良好的吸附效果，单一金属离子的吸附研究结果表明，碳纳米管对铅、铜和镉离子的最大吸附容量分别为97.08，28.49和10.86mg/g；碳纳米管对Pb2+的亲合性最强，Cu2+次之，Cd2+最弱；碳纳米管对3种金属离子的吸附量随着溶液pH值的升高和离子强度的减小而增加。,2023/2/22,60,碳纳米管的应用,a.高强度碳纤维材料 决定增强型纤维强度的一个关键是长 度和直径之比。目前材料工程师 希望得到的长度直径比至少是201。纳米管的长度也是直径的几千倍，因而号称“超级纤维”。它们的强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。,202
23、3/2/22,61,b.复合材料,碳纳米管增强陶瓷复合材料 碳纳米管/金属基与高分子基复合材料,碳纳米管复合材料合成的可行性,2023/2/22,62,由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶解”，因此它们可以作为易于处理的模具。只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。本法可进一步地缩小微电子技术的尺寸，从而达到纳米的尺度。,c.纳米电子器件,2023/2/22,63,d.催化纤维和膜工业,碳纳米管“列阵”制成的取向膜可被制成超滤膜,2023/2/22,64,e.碳纳米管在环保中的应用,污水处理较大的比表面积,可以用作固体杂质的吸附剂。环境中存在的重金属,如铅、铜、铬、汞
24、、镉、锌等对各种生物都有危害作用。用硝酸氧化后的碳纳米管对这些重金属的单一和多元离子据有很强的吸附性能。,2023/2/22,65,f.碳纳米管作为电子显微镜等的探针,分辨率、探测深度更高，可以探测狭缝和深层次的特性。可以避免损坏样品及探针针尖，可以对碳纳米管的端部有选择性地进行化学修饰,2023/2/22,66,g.用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧,莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相当于水下18000千米深的压力）做实验。不料未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。应用：科学家得到启发，发明
25、了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。,2023/2/22,67,纳米管做成的“纳米秤”,更令人惊奇的是，最近美国、中国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量一亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。,2023/2/22,68,碳纳米管制造人造卫星的拖绳,在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。,2023/2/22,69,碳纳米管整流器,Intra
26、molecular Nanotube Junctions,2023/2/22,70,碳纳米管仿效骨胶原纤维帮骨折痊愈,美国加利福尼亚大学罗伯特哈顿博士及其同事发现，碳纳米管是骨组织生长的理想基体。,2023/2/22,71,日本制成双层纳米管电缆,新华社东京2003年月日电（记者何德功）日本名古屋大学筱原久典教授研制出一种双层纳米管，外层为半导体，内层为导体，可作为极微细电子元件的配线用于薄形装置的关键部位。,2023/2/22,72,据日本经济新闻报道，双层纳米管是利用了在碳电极间断续放电的方法合成的，内层可以像金属一样导电，直径为.纳米，外层具有半导体的特性，直径为纳米。筱原教授把双层纳米
27、管称为纳米同轴电缆，因为在通信中使用的同轴电缆多呈导体和绝缘体多层结构，以提高导电性能。由于双层纳米管是由不同导电性能的纳米管构成，因此可以根据需要发挥不同的导电性能，这意味着它在超小型精密器械制造等对导电性能要求高的领域将大有用武之地。,2023/2/22,73,迄今，纳米管很难按照人的设想制成导体和半导体，双层纳米管把导体和半导体套在一起，而且不发生短路现象，是纳米技术的新收获。,2023/2/22,74,1.微电子和计算机技术,可以阅读硬盘的读卡机以及存储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，可以缩小为“掌上电脑”。纳米结构的微处理器的效率提高
28、1兆倍，并实现太比特的存储器（提高1000倍）；,五、纳米科技前景的展望,2023/2/22,75,纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。,最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。,2023/2/22,76,将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。,2023/2/22,77,2.环境和能源,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
29、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。,制备孔径1nm的纳米孔材料和纳米膜材料（孔径10100nm）用来消除水和空气中的污染，成倍的提高太阳能电池的能量转换效率。,2023/2/22,78,3.医学与健康,纳米技术将给医学带来变革：纳米级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，科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位癌变治疗，以减少副作用等；,2023/2/22,79,在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应，用于研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件，
30、以及疾病早期诊断的纳米传感器系统。,2023/2/22,80,研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗。,2023/2/22,81,纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物，它可以用于生物医学，如用纳米技术制造的微型机器人，可让它安全地进入人体内对健康状况进行检测，必要时还可用它直接进行治疗：用纳米技术制造的“芯片实验室”可对血液和病毒进行检测，几分钟即可获得检测结果。,4.生物技术,2023/2/22,82,在纳米尺度上按照预定
31、的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等；,在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其它功能的生物仿生化学药品和生物可降解材料；,动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。,2023/2/22,83,虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件.其中，细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位物质的存储和信息处理能力提高上百万倍。,2023/2/22,84,例1 生物芯片技术,生物芯片是不同于半导
32、体电子芯片的另一类芯片。,半导体电子芯片是集成具有特定电子学功能的微单元所形成的电子集成电路；,而生物芯片则是在很小几何尺寸的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，既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，以及他们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。,2023/2/22,85,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（既DNA芯片）等几类，都有集成，并行的快速检测的优点，已成为二十一世纪生物医学工程的前沿科技。,2023/2/22,86,近两年，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
33、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Whitesides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（soft lithography）。,2023/2/22,87,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，研究细胞分泌和细胞间通讯。,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改性，即可达到选择和固定细胞，以及细胞面密度控制。,2023/2/22,88,随着人类基因工程的发展，基因芯片（即DNA芯片）得到迅速的发展。DNA芯片又称为寡
34、核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术。,DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息，从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息；,可以用于人类基因组中遗传信息的分析；,2023/2/22,89,具特殊用途的DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选已知的DNA序列；,DNA芯片还可用于检测不同的人体细胞和组织基因表达，以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变换。,随着DNA芯片及杂交技术的发展，DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断、药物开发和人类遗传诊断。,2023/2/22,90,例2 分子马达,分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功
35、的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要的生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。,2023/2/22,91,美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备-“纳米直升机”。,该设备共包括三个组件：两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。,2023/2/22,92,其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。,这种技术仍处于研制初期，
36、它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。,2023/2/22,93,5.化工领域,纳米二氧化钛（TiO2）作为一种新型的光催化剂、抗紫外线剂、光电效应剂等，以其神奇的功能，将在抗菌防霉、排气净化、脱臭、水处理、防污、耐候、抗老化、汽车面漆等领域显示广阔的应用前景。,2023/2/22,94,随着其产品工业化生产和功能性应用发展的日趋成熟，它在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生等领域的技术革命中将起到不可低估的作用。,将纳米TiO2 粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。,2023/2/22,95,此外，添加约1纳米TiO2 粉体的抗菌塑料，可
37、广泛应用于食品包装、电器、家具、餐具、公共设施等，以防止病菌的繁殖和交叉感染。抗菌纤维可制作医疗用品等，还可生产抑菌除臭的保健纺织品、卫生纺织品等，以提供安全有效的保健功能。,2023/2/22,96,6.航空和航天技术,纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。这方面的研究内容包括：研制低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米集成的测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。,2023/2/22,97,采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。,2023/2/22,98,7.国家安全,由于纳米技术对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。,通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应；,2023/2/22,99,用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高；,通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、港艇和战斗机等。,通过纳米机械学、微小机器人的应用，将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性；,
