納米技術(shù)與生命科學(xué)課件

納米技術(shù)與生命科學(xué)

古德祥一、何謂“納米”“納米”是英文namometer譯名。另一種說法，“納米”一詞源自拉丁文“NANO”，“矮小”的意思。納米是一個(gè)度量單位，是一個(gè)長(zhǎng)度單位：1納米=10億份之1米；1納米=百萬分之1毫米；是10個(gè)氫原子并排起來的長(zhǎng)度；1000納米=1微米；10納米相當(dāng)于1根頭發(fā)絲寬度的1‰

1982年隨著掃描隧道顯微鏡發(fā)明，人類可研究0.1～100納米長(zhǎng)度的物體，誕生了一門納米科學(xué)。納米科學(xué)主要研究對(duì)象是納米技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)以空前的分辨率，為人類揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。1990年，世界上最小的“I-P-M”3個(gè)英文字母，共用了35原子在實(shí)驗(yàn)室排成，其長(zhǎng)寬不超過一個(gè)病毒的面積。1993年，中國(guó)科學(xué)院真空物理實(shí)驗(yàn)室的科研人員，在顯微鏡下將一個(gè)個(gè)原子像下棋一樣自如地?cái)[放，“寫”出了“中國(guó)”2字。這就是納米技術(shù)。納米技術(shù)之所以重要，是因?yàn)楫?dāng)金屬或非金屬被制成相當(dāng)于100納米的物質(zhì)時(shí)，它的物理性能和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生出乎意料的變化，主要表現(xiàn)在強(qiáng)度、韌度、比熱、導(dǎo)電、磁吸收等方面。光學(xué)特性：當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺度時(shí)，即失去了原有富貴光澤而成黑色。事實(shí)上，所有的金屬在微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色，對(duì)光的折射率很低。利用這個(gè)特性可以作為高效率的熱能、電能等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?；又可用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。熱學(xué)特性：當(dāng)固態(tài)物質(zhì)的顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)，其熔點(diǎn)顯著下降。超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)的元件基片可用塑料。又如，在鎢顆粒中附加0.1%～0.5%重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200℃～1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管基片。磁學(xué)特性：磁性超微粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤。蜜蜂腹部的微磁粒是用于導(dǎo)航的。利用磁性超微粒的特性已做成高儲(chǔ)存密度磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等，也可制成廣泛用途的磁性液體。力學(xué)特性：陶瓷在通常情況下呈脆性，而由納米超微粒制成的納米陶瓷材料，卻具有良好的韌性。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗金屬硬3～5倍。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。因此，人類可以利用納米技術(shù)，選定原子構(gòu)成分子，制造出各種具有特殊功能的新材料，再添加到產(chǎn)品中，從而使產(chǎn)品表現(xiàn)出意想不到的新性能。這是納米技術(shù)帶來的奇跡。目前，納米材料已在電子、化工、通訊、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域得廣泛應(yīng)用。導(dǎo)電螺旋的SEM照片

（放大14000倍）國(guó)際商用機(jī)器公司的科學(xué)家在世界上首次使用掃描隧道顯微鏡來移動(dòng)和精確定位單個(gè)原子

此圖是銅表面的鐵原子三、納米技術(shù)對(duì)生物科學(xué)的影響

1、生物電腦電腦的性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關(guān)速度來決定的。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子作元件制成的集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的電腦稱為蛋白質(zhì)電腦，或稱為生物電腦。利用蛋白質(zhì)團(tuán)已開發(fā)出的開關(guān)裝置有：蛋白質(zhì)芯片、遺傳生成芯片、血紅素芯片。生物集成電路的制作方法，在技術(shù)上也有所突破。目前采用的方法把聚賴氨酸分布在玻璃基底上，形成單分子層，再在上面涂一層塑料絕緣膜。然后用電子計(jì)算機(jī)控制的狹窄的一束聚焦的X光束或電子束，在該簿膜上畫出一條條互相平行的條紋。條紋的寬度幾十納米，條紋之間的距離為200～250納米。用酒精把光束照射的那部分塑料溶解掉，蝕出一條條縫隙，讓賴氨酸分子從縫隙中暴露出來，把另一種蛋白質(zhì)“嫁接”上去。如果聚賴氨酸的特性符合設(shè)計(jì)要求，就可以涂上傳輸電脈沖所需的金屬(如銀)。這就是生物集成電路，其體積在1cm3之內(nèi)，其記憶可溶納一個(gè)大型電子計(jì)算機(jī)的記憶裝置，應(yīng)用前景十分誘人。神經(jīng)電腦：人腦有140億神經(jīng)元及10億多神經(jīng)節(jié)，每個(gè)神經(jīng)元都與數(shù)千個(gè)神經(jīng)元交叉相聯(lián)，它的作用相當(dāng)于一臺(tái)微型電腦。用許多微處理機(jī)模仿人腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，采用大量的并行分布式網(wǎng)絡(luò)，就構(gòu)成了神經(jīng)電腦。它具有聯(lián)想、記憶、視覺和聲音識(shí)別能力。日本富通研究所開發(fā)的神經(jīng)電腦，每秒更新數(shù)據(jù)速度近千億次。日本電氣公司推出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲音識(shí)別系統(tǒng)，能識(shí)別任何人的聲音，正確率達(dá)99.8%。美國(guó)研究出由左腦和右腦兩個(gè)神經(jīng)塊連接而成的神經(jīng)電腦，右腦為經(jīng)驗(yàn)功能部分，有1萬多個(gè)神經(jīng)元，適用于圖像識(shí)別；左腦為識(shí)別功能部分，含有100萬個(gè)神經(jīng)元，用于存儲(chǔ)單詞和語法規(guī)則。現(xiàn)在，紐約、邁阿密和倫敦的飛機(jī)場(chǎng)已經(jīng)用神經(jīng)電腦來檢查爆炸物，每小時(shí)可查600～700件行李，檢出率為95%，誤差率為2%。2、納米級(jí)的生物工程產(chǎn)業(yè)以微生物技術(shù)、酶技術(shù)、細(xì)胞技術(shù)、基因技術(shù)為主導(dǎo)的新型納米農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系即將形成，微生物工業(yè)產(chǎn)業(yè)將興起。生物納米技術(shù)是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，生物體系，就是生物組裝、細(xì)胞、酶等，采用工程技術(shù)原理，向人類提供商品或提供社會(huì)服條的綜合性科學(xué)技術(shù)。將逐步出現(xiàn)以動(dòng)植物工程、藥物及疫苗、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞融合、基因組、生物芯片及生物智能機(jī)等為基本內(nèi)涵的生物工程產(chǎn)業(yè)，使人類生產(chǎn)和生活發(fā)生巨大的變化。3、對(duì)付害蟲的微型“殺手”

美國(guó)一家研究所正在追蹤監(jiān)視逐漸向北遷移的巴西“殺人蜂”。在捕獲的蜂的背部粘上一個(gè)微芯片和一個(gè)紅外線發(fā)射器，然后釋放，研究其習(xí)性，試圖阻止其遷移。這是最小的“間諜武器”，用于對(duì)付昆蟲。未來開發(fā)的納米級(jí)的微型裝置，是一個(gè)類似整個(gè)昆蟲形狀的微型智能機(jī)械“蟲”，不僅可以預(yù)報(bào)蟲害情況，也可以大量殺死害蟲。4、醫(yī)用的微型機(jī)械人小人國(guó)的童話故事聽了不少。如今用特制超細(xì)的納米材料制成的“納米機(jī)械人”，可以進(jìn)入人的血管和心臟，完成醫(yī)生不能完成的血管修補(bǔ)，清除心臟動(dòng)脈的脂肪沉積物，疏通腦血管中的血栓等“細(xì)活”。因其體積很小，對(duì)人體健康不會(huì)產(chǎn)生影響。瑞典一大學(xué)研究出一種能移動(dòng)單細(xì)胞或捕捉細(xì)菌的機(jī)械人，外型似人的手臂，其肘部和腕部很靈活，有2～4個(gè)手指。這種機(jī)械人能在血液、尿液和細(xì)胞介質(zhì)中工作。如用殺菌的分子機(jī)械人與病菌“決斗”，又將無數(shù)臺(tái)分子攝像機(jī)械放入血管中，進(jìn)行現(xiàn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝，其真實(shí)性則大大超過人們用電腦合成的仿生動(dòng)畫片。有的科學(xué)家用磁性納米顆粒，成功地分離了動(dòng)物的癌細(xì)胞和正常細(xì)胞，已在治療人骨髓癌的臨床實(shí)驗(yàn)中獲得成功。還有，用納米藥物來阻斷血管餓死癌細(xì)胞等等。5、“納米生物導(dǎo)彈”軍事上的導(dǎo)彈，既然識(shí)別目標(biāo)，又能摧毀目標(biāo)。所謂“納米生物導(dǎo)彈”，就是具有識(shí)別腫瘤細(xì)胞和殺死腫瘤細(xì)胞雙重功能的藥物。一旦進(jìn)入體內(nèi)，便隨血液流動(dòng)，專門尋找癌細(xì)胞進(jìn)行攻擊，而不損傷其他正常細(xì)胞。首先制備出多種抗腫瘤的單克隆抗體，再在抗體上裝上殺死腫瘤細(xì)胞的武器—藥物，如白喉毒素分子、蓖麻毒素、相思豆毒素等一類毒蛋白與抗腫瘤的單克隆抗體相聯(lián)。6、人造血漿醫(yī)療上輸血，需要大量的血液。由于獻(xiàn)血人數(shù)有限，血庫(kù)經(jīng)常緊缺。全球面臨的另一個(gè)大難題是血庫(kù)污染，輸血傳染上肝炎、艾滋病，累見不鮮。在美國(guó)，通過輸血傳播艾滋病的發(fā)病率，在過去的10年里至少有9000例。我國(guó)每年需血量為800噸，若按目前我國(guó)每單位新鮮血液400元計(jì)，則至少有16億元潛在市場(chǎng)。為了解決血漿缺乏問題，我國(guó)有關(guān)企業(yè)研制開發(fā)人造血漿。以全氟溴烷為原料，研制開發(fā)具有攜氧功能的人造血液、器官灌注和保存液等產(chǎn)品。全氟碳化合物是一種化學(xué)隋性與生物隋性的有機(jī)化合物。一方面，它對(duì)氣體有非常高的溶解度，可以使其成為身體呼吸系統(tǒng)與細(xì)胞組織中進(jìn)行氣體傳輸?shù)拿浇?；另一方面，由于?duì)射線的不透過性，可作為造影劑。合成的全氟溴烷，可解決人造血漿、造影劑、器官灌注與保存液的需求。我國(guó)對(duì)納米技術(shù)大規(guī)模有組織的研究開始于20世紀(jì)80年代末。在過去的10年，我國(guó)已使用了多種化學(xué)方法制造納米材料，研制了氣體蒸發(fā)、磁控濺射、激光誘導(dǎo)CVD、等離子加熱氣相合成等制備裝置，發(fā)展了化學(xué)共沉淀、溶膠--凝膠、微乳液溶劑。非臨界液相合成制造，包括金屬、合金、氧化物、氮化物、離子晶體和半導(dǎo)體等多種納米材料的方法，研制了性能優(yōu)良的多種納米復(fù)合材料。近年來，根據(jù)國(guó)際納米材料研究的發(fā)展趨勢(shì)，建立和發(fā)展了制造納米結(jié)構(gòu)組裝體系的多種方法。特別是自裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長(zhǎng)、介孔內(nèi)延生長(zhǎng)等組裝體系。10年來，我國(guó)學(xué)者在國(guó)內(nèi)外發(fā)表納米材料與結(jié)構(gòu)的論文2400篇，在國(guó)際上排名第五。到2000年為止，納米材料研究獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)