纳米技术与生命科学

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1、纳米技术与生命科学古德祥一、何谓“纳米”“纳米”是英文namometer译名。另一种说法，“纳米”一词源自拉丁文“NANO”，“矮小”的意思。纳米是一个度量单位，是一个长度单位：1纳米=10亿份之1米；1纳米=百万分之1毫米；是10个氢原子并排起来的长度；1000纳米=1微米；10纳米相当于1根头发丝宽度的1‰1982年随着扫描隧道显微镜发明，人类可研究0.1～100纳米长度的物体，诞生了一门纳米科学。纳米科学主要研究对象是纳米技术和纳米结构。纳米技术以空前的分辨率，为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子或分

2、子来构造具有特定功能的产品。1990年，世界上最小的“I-P-M”3个英文字母，共用了35原子在实验室排成，其长宽不超过一个病毒的面积。1993年，中国科学院真空物理实验室的科研人员，在显微镜下将一个个原子像下棋一样自如地摆放，“写”出了“中国”2字。这就是纳米技术。原子字“毛泽东”纳米技术之所以重要，是因为当金属或非金属被制成相当于100纳米的物质时，它的物理性能和化学性质会发生出乎意料的变化，主要表现在强度、韧度、比热、导电、磁吸收等方面。光学特性：当黄金被细分到小于光波波长的尺度时，即失去了原有富贵光泽而成黑色。事实上，所有的

3、金属在微颗粒状态都呈现为黑色，对光的折射率很低。利用这个特性可以作为高效率的热能、电能等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能；又可用于红外敏感元件、红外隐身技术等。热学特性：当固态物质的颗粒小于10纳米量级时，其熔点显著下降。超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时的元件基片可用塑料。又如，在钨颗粒中附加0.1%～0.5%重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200℃～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管基片。磁学特性：磁性超微粒实质上是一个生物磁罗盘。蜜蜂腹部的微磁粒是用于导航的。利用

4、磁性超微粒的特性已做成高储存密度磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等，也可制成广泛用途的磁性液体。力学特性：陶瓷在通常情况下呈脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料，却具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗金属硬3～5倍。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。因此，人类可以利用纳米技术，选定原子构成分子，制造出各种具有特殊功能的新材料，再添加到产品中，从而使产品表现出意想不到的新性能。这是纳米技术带来的奇迹。目前，纳米材料已在电子、化工、通讯、环保、医药等领域得广泛应用。导电

5、螺旋的SEM照片（放大14000倍）国际商用机器公司的科学家在世界上首次使用扫描隧道显微镜来移动和精确定位单个原子此图是铜表面的铁原子二、纳米粒子的制备方法1、物理方法：真空冷凝法(真空蒸发、加热、高频感应等)；物理粉碎法(机械粉粹、电火花爆炸等)；球磨法。2、化学方法：气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微乳液法、还原法。三、纳米技术对生物科学的影响1、生物电脑电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。科学家发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的电脑称为蛋白质

6、电脑，或称为生物电脑。利用蛋白质团已开发出的开关装置有：蛋白质芯片、遗传生成芯片、血红素芯片。特点：用蛋白质制造的电脑芯片，在1mm2面积上可容纳数亿个电路，存储量可达普通电脑的10亿倍；其集成电路大小只相当于硅片集成电路的10万分之一，且运转速度更快，大大超过人脑思维速度。生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低且具有生物的特点，具有自我组织和自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合，听从人的指挥，从人体中吸收营养。把生物大脑植入人的体内，可以使盲人复明，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体质增

7、强，使残疾人重新站起来。生物集成电路的制作方法，在技术上也有所突破。目前采用的方法把聚赖氨酸分布在玻璃基底上，形成单分子层，再在上面涂一层塑料绝缘膜。然后用电子计算机控制的狭窄的一束聚焦的X光束或电子束，在该簿膜上画出一条条互相平行的条纹。条纹的宽度几十纳米，条纹之间的距离为200～250纳米。用酒精把光束照射的那部分塑料溶解掉，蚀出一条条缝隙，让赖氨酸分子从缝隙中暴露出来，把另一种蛋白质“嫁接”上去。如果聚赖氨酸的特性符合设计要求，就可以涂上传输电脉冲所需的金属(如银)。这就是生物集成电路，其体积在1cm3之内，其记忆可溶纳一个大

8、型电子计算机的记忆装置，应用前景十分诱人。DNA电脑更为诱人。其原理是，DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子之间可以在某种酶的作用下瞬间完成生物化学反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。反应前的基因代码可作为输入数据，反应