納米科技發(fā)展及遠(yuǎn)景

生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)張宇zhangyu@生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院第二講：納米科技發(fā)展及遠(yuǎn)景

《生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)》RichardP.Feynman人工度RichardP.Feynman（Dec.1959,ASP)：

我認(rèn)為，物理學(xué)的原理并不排斥用一個(gè)一個(gè)地安排原子來制造東西。這樣作并不違反任何定理，因而在原則上是可以實(shí)現(xiàn)的。它在實(shí)踐中迄今未實(shí)現(xiàn)是因?yàn)槲覀兲罅恕Ｈ绻覀兡馨凑兆约旱脑竿粋€(gè)一個(gè)地安排原子，將會(huì)出現(xiàn)什么這些物質(zhì)將有什么性質(zhì)？這是十分有趣的理論問題。雖然我不能精確回答它，但我決不懷疑當(dāng)我們能在如此小的尺度上進(jìn)行操縱時(shí)，將得到具有大量獨(dú)特性質(zhì)的起源。

HeinrichRohrer(1933-)GerdKarlBinnig(1947-)XenononNickel(110)IrononCopper(111)NanoLetter操縱化學(xué)反應(yīng)納米科技大事記１９５９年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。

七十年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想，１９７４年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。

１９８２年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。

１９９０年７月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。

１９９１年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的１０倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級(jí)電子線路等。

１９９３年，繼１９８９年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字、１９９０年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用３６個(gè)氙原子排出“ＩＢＭ”之后，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。

１９９７年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在２０年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計(jì)算機(jī)。

１９９９年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。

到１９９９年，納米技術(shù)逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達(dá)到５００億美元。

近年來，一些國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新５年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從１９９７年的１．１６億美元增加到２００１年的４．９７億美元。物質(zhì)尺度用特殊尺度空間的物質(zhì)來改變?nèi)藗兊恼J(rèn)識(shí)！不同尺寸和形狀的金納米粒子具有不同的熔點(diǎn)500不同尺寸和形狀的銀納米粒子具有不同的光學(xué)性質(zhì)4nm納米棒（4nm*40nm）金納米粒子的光學(xué)性質(zhì)隨粒子的間距而變化17.5-0nm不同尺寸的鈷納米粒子具有不同的磁學(xué)性質(zhì)(A)Emissionmaximaandsizesofquantumdotsofdifferentcomposition.Quantumdotscanbesynthesizedfromvarioustypesofsemiconductormaterials(II-VI:CdS,CdSe,CdTeI;III-V:InP,InAsI;IV-VI:PbSeI)characterizedbydifferentbulkbandgapenergies.Thecurvesrepresentexperimentaldatafromtheliteratureonthedependenceofpeakemissionwavelengthonqdotdiameter.Therangeofemissionwavelengthis400to1350nm,withsizevaryingfrom2to9.5nm(organicpassivation/solubilizationlayernotincluded).Allspectraaretypicallyaround30to50nm(fullwidthathalfmaximum).Inset:Representativeemissionspectraforsomematerials.Dataarefrom(12,18,27,76–82).DataforCdHgTe/ZnShavebeenextrapolatedtothemaximumemissionwavelengthobtainedinourgroup.(B)Absorption(uppercurves)andemission(lowercurves)spectraoffourCdSe/ZnSqdotsamples.Theblueverticallineindicatesthe488-nmlineofanargon-ionlaser,whichcanbeusedtoefficientlyexciteallfourtypesofqdotssimultaneously.[Adaptedfrom(28)](C)Sizecomparisonofqdotsandcomparableobjects.FITC,fluoresceinisothiocyanate;GFP,greenfluorescentprotein;qdot,green(4nm,top)andred(6.5nm,bottom)CdSe/ZnSqdot;qrod,rod-shapedqdot(sizefromQuantumDotCorp.’sWebsite).Threeproteins—streptavidin(SAV),maltosebindingprotein(MBP),andimmunoglobulinG(IgG)—havebeenusedforfurtherfunctionalizationofqdots(seetext)andaddtothefinalsizeoftheqdot,inconjunctionwiththesolubilizationchemistrySCIENCE2005（307）538量子點(diǎn)小于10nmCdSe納米晶TEM照片納米科技在納米尺度內(nèi)（1-100nm)控制物質(zhì),創(chuàng)造特定功能的材料、器件和系統(tǒng)在納米尺度內(nèi)（1-100nm)，探測物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能在納米尺度內(nèi)（1-100nm)，認(rèn)識(shí)物質(zhì)的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)變化的規(guī)律，加以利用納米物理學(xué)納米化學(xué)納米材料學(xué)納米加工學(xué)納米測量學(xué)納米機(jī)械學(xué)納米電子學(xué)納米生物學(xué)納米醫(yī)學(xué)。。。Nano-XIT(InformationTech.)和BT(BioTech.)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)（NanoTech.)：

支持硅芯片持續(xù)發(fā)展（≤10nm)與可能的替代技術(shù)：納芯片

支持BT的基礎(chǔ)之一：納米尺度內(nèi)操縱基因社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求：省材料、能源和空間

?PC數(shù)量以100%速度增長，2010年時(shí)PC年耗電

3600billionKWh=美國2000年全年發(fā)電量

?2020年中國將有3.5億臺(tái)PC.大的市場和高利潤驅(qū)動(dòng)為什么要發(fā)展納米科技？(1)創(chuàng)建的新材料、新器件發(fā)現(xiàn)獨(dú)特的性質(zhì)、現(xiàn)象和過程----對(duì)自然的深入理解多學(xué)科的交叉領(lǐng)域

Living/non-living;Relevanceareas---morechances

為什么要發(fā)展納米科技？(2)納器件：納電子、納光電子、納傳感器、納存儲(chǔ)及納顯示器件納電子器件與微電子的關(guān)系：繼承、相容、互補(bǔ)、互動(dòng)Si-基MOSFET器件有超過40~50years的發(fā)展時(shí)期，它將不斷地發(fā)展技術(shù)、優(yōu)化性能、降低成本，是不可被替代的。2.發(fā)展納電子或納光電子器件必須考慮新的工作原理，實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的目標(biāo)。Moore'sLawContinues4004808080868008Pentium?Processor486?DXProcessor386?Processor286Pentium?IIProcessorPentium?IIIProcessorItanium?ProcessorGoal:Over1billiontransistorsby2005Pentium?4ProcessorItanium?2ProcessorStanford/IBMITRSCMOS器件的挑戰(zhàn)性問題Si-MOSFET極限GateLength<10nm電子隧穿引起誤差線路電容的延遲熱積累引起性能惡化熱和量子漲落誤差

納米器件的集成和與微電子系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)單芯片的超級(jí)計(jì)算機(jī)15年？能源：太陽能的廣泛利用:

thenanorod-polymersolarcell(courtesyP.Alivisatos,Univ.California,Berkeley;andNanosys,Inc.).transmissionelectronmicrographofaCdSenanorodatthebottomMC.Roco,5/17/04納生物傳感器和納米醫(yī)學(xué)氨基酸氨基酸測序雙螺旋蛋白質(zhì)亞組元蛋白質(zhì)多重組合不同結(jié)構(gòu)的綜合檢測植入器官納米材料吸附原子、分子的簧振動(dòng)頻率變化可檢測單個(gè)原子或生物分子納米生物傳感器-全民健康網(wǎng)的基礎(chǔ)集成微納器件對(duì)人體的物理、化學(xué)和生命指標(biāo)遠(yuǎn)程檢測和治療Tang/DARPABioFlips細(xì)胞內(nèi)的多個(gè)基因改變導(dǎo)致癌癥，納米技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更早期的發(fā)現(xiàn)和預(yù)防2015？10m

YearX

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現(xiàn)在mm早期發(fā)現(xiàn)和診斷惡性腫瘤和轉(zhuǎn)移Prevention發(fā)現(xiàn)和診斷Prevention現(xiàn)狀目標(biāo)

挑戰(zhàn):減少癌癥的病痛和死亡—2015

“AVisionNotaDream!”byusingnanotechnology,Av.Eschenbach,NCI

靶向藥物、饑餓療法、熱療納米技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用納米技術(shù)給環(huán)境治理帶來巨大的進(jìn)步BAWSIIISmartDust100mmNatureMaterials

2002,1,39-41.SmallLowPowerHighlydistributedCheap納米技術(shù)的生物安全性檢測、治理已存在的納米污染防止新的污染沙塵暴電焊汽車尾氣工廠廢氣CatalyticNanostructuresPrashantKamat,NotreDameDualroleofZnOsemicondouctorfilmasasensorandphotocatalystfortreatmentoforganicpollutants>300nmUVMultifunctionality,versatility,selectiv