納米醫(yī)學(xué)概論課件

納米醫(yī)學(xué)NanomedicinePrediction21世紀(jì)納米技術(shù)將出現(xiàn)重大進(jìn)展，醫(yī)生可能應(yīng)用納米機(jī)器人或機(jī)器直接打通腦血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，治療腫瘤，……，到2020年將出現(xiàn)一個(gè)全新的領(lǐng)域

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納米醫(yī)學(xué)（nanomedicine)。Earth1.2x107m

Mostscientistsbelievethatnanotechnologywillstartseriouslyinfluenceourlivesaroundtheyear2020!第一節(jié)

基本概念和定義第二節(jié)納米科技的內(nèi)涵第三節(jié)納米粒的四大效應(yīng)第四節(jié)納米粒的結(jié)構(gòu)與形貌第五節(jié)納米醫(yī)學(xué)的主要研究方向作業(yè)思考題及課外閱讀文獻(xiàn)第一講

納米醫(yī)學(xué)概論1.1什么是納米(nanometer)？

納米是一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)量單位，1納米=10-9米。

InGreek,“nano”meansdwarf.§1基本概念和定義人高20億

納米100萬(wàn)納米

針頭紅血球DNA分子1000納米1

納米0.1

納米氫原子冠狀病毒

100納米whichmeansone-billionthpartofsomething.

Earth1.2x107m1.1.1物理意義

Ananometreisabillionthofametre,ortoputitcomparatively,about1/80,000ofthediameterofahumanhair.Theimagebelowshowsafurthersizecomparison.1.1.2社會(huì)意義

“納米”概念的提出標(biāo)志著介觀領(lǐng)域體系一種新的物質(zhì)觀，新的世界觀和新的方法論的產(chǎn)生。1.2什么是納米結(jié)構(gòu)？

納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下（1-100nm）的微小結(jié)構(gòu)。1.3什么是納米材料?

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料的基本單元可分為：①零維（三維尺度均在納米尺度）：納米粒，原子團(tuán)簇等；②一維（兩維處于納米尺度）：納米絲（線），納米棒，納米管等；③二維（一維處于納米尺度）：超薄膜，多層膜等。

1.4Whatisnanomedicine？納米醫(yī)學(xué)是借助納米科技在分子水平上，利用分子（操作）技術(shù)和人體的分子間相互作用知識(shí)，開(kāi)展疾病預(yù)防、診治及康復(fù)，改善健康狀況等醫(yī)（藥）學(xué)應(yīng)用的一門新型科學(xué)技術(shù)。

1.6什么是納米科學(xué)？

在納米尺度上研究材料的制備、性質(zhì)、現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)。

其研究領(lǐng)域是人類過(guò)去從未涉及的非宏觀、非微觀的介觀領(lǐng)域（0.1~1μm)。1.7什么是納米科技？

研究尺寸在0.1-100nm之間的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)?！?納米科技的內(nèi)涵如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子，那將創(chuàng)造什么樣的奇跡？物體就能得到大量的異乎尋常的特性。

當(dāng)2000年人們回顧歷史的時(shí)候,他們會(huì)為直到1959年才有人想到直接用原子,分子來(lái)制造機(jī)器而感到驚訝。

“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”

“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”

-RichardFeynman(1959)

PhysicsNobelLaureateHewastalkingaboutnanotechnologybeforethewordexisted!2.1原創(chuàng)思想的提出NanotechnologyVision2.2納米科技的發(fā)展

Taniguchi1974年Taniguchi最早使用納米技術(shù)(Nanotechnology)一詞描述精細(xì)機(jī)械加工;

1977年美國(guó)麻省理工學(xué)院

Drexler

教授提出,可以從模擬活細(xì)胞的生物分子的人工類似物---分子裝置開(kāi)始研究,并稱之為納米科技.他70年代末在斯坦福大學(xué)建立第一個(gè)納米科技研究小組。

20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的掃描隧道顯微鏡（STM）極大促進(jìn)了納米科技的發(fā)展。

1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)。

（Note:1996/9/8-12，Nano-STIV,Beijing）EricDrexler3.納米科技的科學(xué)意義（1）納米科技將促使人類認(rèn)知的革命;

（2）納米科技將引發(fā)一場(chǎng)新的工業(yè)革命;（3）納米科技是一門綜合性的交叉學(xué)科.師昌緒院士為國(guó)家自然科學(xué)基金資助納米科技研究成果展覽題詞

(2)納米科技將引發(fā)一場(chǎng)新的工業(yè)革命納米技術(shù)將用于下一代的微電子器件即納米電子器件，使未來(lái)的電腦、電視機(jī)、衛(wèi)星、機(jī)器人等的體積變得越來(lái)越小.

1）可以制造一種材料，其強(qiáng)度為鋼的幾倍，而重量?jī)H為鋼的幾分之一。

2）可以將國(guó)會(huì)圖書館的信息都存儲(chǔ)在一塊方糖大小的存儲(chǔ)器上。

3）可以檢測(cè)出幾個(gè)癌細(xì)胞。

納米技術(shù)可能是下個(gè)世紀(jì)前二十年最重要的技術(shù).

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克林頓納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，會(huì)有一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命.

-------錢學(xué)森正像20世紀(jì)70年代微電子技術(shù)產(chǎn)生了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下一世紀(jì)信息時(shí)代的核心。-------Armstrong(IBM首席科學(xué)家)

微米與農(nóng)民的“命運(yùn)”MicrometerNote:Thesamefatetonanometer!!!!!納米技術(shù)的確是通向新世界的一扇門。

--------RitaColwell

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金主任

Nanotechnology–Applications

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國(guó)家自然科學(xué)基金與納米科技國(guó)家自然科學(xué)基金資助"納米"科技項(xiàng)目和經(jīng)費(fèi)逐年增加(根據(jù)題目上出現(xiàn)"納米"字樣的部分基金項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果)納米科技是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，各科學(xué)部分別從不同角度予以了資助

§3納米粒的四大效應(yīng)3.1納米粒的四大效應(yīng)（1）表面效應(yīng)

是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。（2）量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸降低到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗?jí)和納米半導(dǎo)體微粒的能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。（3）小尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米粒子尺寸與德布羅意波以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，對(duì)于晶體其周期性的邊界條件將被破壞，對(duì)于非晶態(tài)納米粒子其表面層附近原子密度減小，這些都會(huì)導(dǎo)致電、磁、光、聲、熱力學(xué)等性質(zhì)的變化，這稱為小尺寸效應(yīng)。（4）宏觀量子隧道效應(yīng)

微觀粒子具有穿越勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，故稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。（2）量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸極小時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)將由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級(jí)的現(xiàn)象。

量子尺寸效應(yīng)可導(dǎo)致納米顆粒的磁、光、聲、電、熱以及超導(dǎo)電性與同一物質(zhì)原有性質(zhì)有顯著差異，即出現(xiàn)反常現(xiàn)象。例如金屬都是導(dǎo)體，但納米金屬顆粒在低溫時(shí)，由于量子尺寸效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)絕緣性。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體硒化鎘顆粒隨尺寸的減小能帶間隙加寬，發(fā)光顏色由紅色向藍(lán)色轉(zhuǎn)移。美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室控制硒化鎘納米顆粒尺寸，所制備的發(fā)光二極管可在紅、綠和藍(lán)光之間變化。

尺寸及形貌導(dǎo)致顏色不同（3）小尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米粒子尺寸與德布羅意波以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，對(duì)于晶體其周期性的邊界條件將被破壞，對(duì)于非晶態(tài)納米粒子其表面層附近原子密度減小，這些都會(huì)導(dǎo)致電、磁、光、聲、熱力學(xué)等性質(zhì)的變化，這稱為小尺寸效應(yīng)。隨著納米顆粒尺寸的減小，與體積成比例的能量，如磁各向異性等亦相應(yīng)降低，當(dāng)體積能與熱能相當(dāng)或更小時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)磁狀態(tài)向超順磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變。當(dāng)顆粒尺寸與光波的波長(zhǎng)、傳導(dǎo)電子德布羅意波長(zhǎng)、超導(dǎo)體的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特性尺度相當(dāng)或更小時(shí)，其聲、光、電、磁和熱力學(xué)等特性均會(huì)呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。將導(dǎo)致光的等離子共振頻移、介電常數(shù)與超導(dǎo)性能發(fā)生變化。

（4）宏觀量子隧道效應(yīng)

微觀粒子具有穿越勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，故稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者說(shuō)它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。

納米粒的奇異特性納米金屬的熔點(diǎn)比普通金屬低幾百度；氣體在納米材料中的擴(kuò)散速度比在普通材料中快幾千倍；納米磁性材料的磁記錄密度可比普通的磁性材料提高１０倍；納米復(fù)合材料對(duì)光的反射度極低，但對(duì)電磁波的吸收性能極強(qiáng)，是隱形材料技術(shù)的突破；納米材料顆粒與生物細(xì)胞結(jié)合力很強(qiáng)；

納米粒的奇異特性納米陶瓷的強(qiáng)度和韌性顯著提高；納米氧化鋁粉體添加到常規(guī)85瓷、95瓷中，觀察到強(qiáng)度和韌性均提高50％以上；ＴｉＯ２納米材料具有奇特韌性，在１８０℃經(jīng)受彎曲不斷裂；ＣａＦ２納米材料在８０—１８０℃溫度下，塑性提高１００％。催化活性增強(qiáng)；以粒徑小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超細(xì)微粒為主要成分制成的催化劑，可使有機(jī)物氫化的效率提高到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍。直徑幾十納米的Si3N4納米線的彎曲強(qiáng)度在103Mpa量級(jí)，比塊體Si3N4材料高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

§4納米粒的結(jié)構(gòu)與形貌Al2O34.1形貌特征NATUREVol.4371September2005AgAunanofibresNanobelt/

nanoribbonZnOSCIENCEVOL2919MARCH2001ZnONanotechnology15(2004)622–626ZnOMaterialsLetters59(2005)1696–1700Nanopeapodhigh-resolution,low-temperaturescanningtunnelingmicroscope(STM)(Science----1February2002)

NanoringsJACS2005SemiconductorRingsFabricatedbySelf-AssemblyofNanocrystals

BinLiuandHuaChunZeng*

ContributionfromtheDepartmentofChemicalandBiomolecularEngineering,FacultyofEngineering,NationalUniVersityofSingapore,10KentRidgeCrescent,Singapore119260

ReceivedAugust22,2005;E-mail:Nano-flowers中科院物理所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室李超榮副研究員、張曉娜、表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹則賢研究員通過(guò)應(yīng)力自組裝在無(wú)機(jī)體系A(chǔ)g/SiOx微米級(jí)的內(nèi)核/殼層結(jié)構(gòu)上成功地獲得了三角格子鋪排和斐波納契數(shù)花樣。研究?jī)?nèi)容以Report形式于2005年8月5日發(fā)表在Science上。文章發(fā)表后在國(guó)際上引起了強(qiáng)烈的反響。Nanotechweb和ORFONScience網(wǎng)站當(dāng)天就分別以“應(yīng)變的微結(jié)構(gòu)形成類植物花樣”

和“微觀世界的花朵”作了長(zhǎng)篇介紹。4.2納米粒子形貌的觀察TEMFourbasictypesofnanotechtoolsareavailable:?Visualizationtools,primarilyscanningprobeandelectronmicroscopes;?Measurement(ormetrology)tools,includingspectroscopicandopticsbased;?Fabrication/productiontools,includingnano-manipulatorsandnano-lithographicdevices;?Simulation/modelingtools,whichaidinthedesignanddevelopmentofnanotechnologyproducts.SEMAFMSTM國(guó)產(chǎn)大氣掃描隧道顯微鏡§5納米醫(yī)學(xué)的主要研究方向5.1BaseddrugdeliverySystemsNanoparticlescanbeusedintargeteddrugdeliveryatthesiteofdiseasetoimprovetheuptakeofpoorlysolubledrugs,thetargetingofdrugstoaspecificsite,anddrugbioavailability.Aschematiccomparisonofuntargetedandtargeteddrugdeliverysystems.

Nanomedicine–baseddrugdeliverySystemsDrugDeliveryCarriersApplicationsofNanotechnology5.2DiagnosticsSensorsformedicalandenvironmentalmonitoringandforpreparingpurechemicalsandpharmaceuticals.Lightandstrongmaterialsfordefence,medicalapplications.Lab-on-a-chipdiagnostictechniques.Sunscreenswithultraviolet-lightabsorbingnanoparticles.Thefollowingapplicationsareexpectedinthenextdecade:?Longer-lastingmedicalimplants.?Thecapabilitytomapanindividual’sentiregeneticcodealmostinstantaneously.?Theabilitytoextendlifeby50%frompresentexpectations.5.3NanodrugsTheactivecompoundmightbeinsertedinananotubeorbondedtoaparticle’ssurface.Othertypesofnanopowdersorbiomoleculesarealsousefulandareclosertothemarketplace.Pharmaceuticalcompaniesdonotexpectnanostructuredmaterialstobecomenewdrugcompounds.However,carbonbuckyballsandnanotubesmightbeusefulasdrugdeliveryvehiclesbecausetheirnanometersizeenablesthemtomoveeasilyinsidethebody.納米科技的前景展望材料和制備微電子和

計(jì)算機(jī)技術(shù)環(huán)境和能源醫(yī)學(xué)與健康生物技術(shù)航天和航空國(guó)家安全FROM:

TheFuture'sBright...

Healthandmedicine

Withadvancesindiagnostictechnologies,doctorswillbeabletogivepatientscompletehealthchecksquicklyandroutinely.Ifanymedicationisrequiredthiswillbetailoredspecificallytotheindividualbasedontheirgeneticmake-up,thuspreventingunwantedside-effects.Asaresult,thehealthsystemwillbecomepreventativeratherthancurative.

Newmaterials

Nanomaterialssuchasquantumdots,carbonnanotubesandfullereneswillhaveapplicationsinmanydifferentsectorsbecauseoftheirnewproperties.Soquantumdotscanbeusedinsolarcells,butalsoinoptoelectronics,andasimagingagentsinmedicaldiagnostics.Carbonnanotubescanbeusedindisplays,aselectronicconnectors,asstrengtheningmaterialsforpolymercomposites,andevenasnanoscaledrugdispensers.Fullerenescanbeusedincosmetics,as“containers”forthedeliveryofdrugs,inmedicaldiagnostics,andevenasnanoscalelubricants.三位名人的名言啟迪：如何進(jìn)行科學(xué)研究？安德森

朱棣文

克拉克

自由寬松的研究環(huán)境

安德森說(shuō)：“在工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室，你必須能做到一個(gè)以完成任務(wù)為目標(biāo)的工程師做不到的創(chuàng)新工作，有能力發(fā)現(xiàn)對(duì)未來(lái)工業(yè)有重大指導(dǎo)意義的新的科學(xué)規(guī)律，而貝爾實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)良好的氛圍和廣泛自由的創(chuàng)新空間。必須給科技人員提供一個(gè)他們認(rèn)為對(duì)有價(jià)值的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行自由探索的機(jī)會(huì)。”

安德森還說(shuō)他在任何時(shí)候都從未在外界壓力之下做過(guò)科學(xué)的決定。

（獲得1977年的諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者）

學(xué)科碰撞

朱棣文說(shuō)：“美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室寬松的科研氛圍、濃厚的學(xué)術(shù)氣氛和強(qiáng)烈的創(chuàng)新意識(shí)，保證了事業(yè)的成功……，在自助餐廳中的偶然談話有時(shí)會(huì)標(biāo)志著一個(gè)新合作的