《纳米科技》PPT课件

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1、第五章、纳米科技与人类生活◆前言◆仿生学的潜力◆蜘蛛丝的纳米尺度奥秘◆壁虎飞檐走壁的奥秘◆超坚韧的碳纳米管（CNT）纤维◆应用广泛的DNA芯片◆自清洁、自消毒的纳米表面材料◆DNA计算机◆方兴未艾的纳米科技──纳米组装机和网络生产前言纳米科技不仅对国家安全和社会发展有着巨大的影响，而且与人类生活也有着密切的关系。本章前三节以仿生学为线索介绍大自然中有趣的纳米现象。其余四节介绍四项既与人类生活、身体健康密切相关，又是最具应用潜力的纳米科技新发展。最后一节谈及三大高科技信息、生物和纳米技术的交叉综合领域，纳米组装机和网络生产。5.1仿生学的潜力在征服大自然的

2、奋斗中，人类从接触生物，认识生物中常常受到生物界的启发。许多发明创造便由这些启发而产生。例如，传说中鲁班因上山砍柴被带锋利小齿的野草划破了手指受到启发而发明锯子；鹰击长空，鸟飞千里激起了人类的飞天梦，发明了飞机，航天飞船和人造地球卫星；潜水艇、军舰和巨大的海轮的外壳都模拟了鲸鱼的流线型体形等等。生物界在亿万年的进化中，形成了许多特有的导航、识别、计算、生物合成和能量转换系统，其小巧性、灵活性、快速性、高效性、可靠性和抗干扰性都令人惊叹不已。人类把寻觅新技术原理的部分眼光转向了生物界，于是“仿生学”作为一门学科就在上世纪60年代应运而生了。仿生学——“bi

3、onics”一词是1960年由美国人斯蒂尔根据拉丁字“bios”(“生命方式”的意思)和词尾“nic”（“具有……的性质”的意思）构成的。他认为“仿生学就是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。仿生学研究的内容主要有：力学仿生——如模仿贝壳的“大跨度薄壳”结构等的静力学和生物体的运动力学；分子仿生——如模仿生物体中酶的作用，生物大分子的合成；能量仿生——如模仿生物器官中的化学能转化为机械能等能量转换过程；信息与控制仿生——亦称神经仿生，如模仿神经网络、高级智能活动中的信息处理。将从以上

4、研究中所获得的知识用来创造新的机械、仪器、建筑结构和工艺流程已成为现代发展新技术的重要途径之一。很显然这是一门综合生物学、数学和工程技术的交叉科学。纳米科技的发展将揭开生物系统的结构特征在纳米尺度上的许多奥秘，同样将给人类无限的启迪，又给分子仿生学注进了新的活力，分子仿生学将是纳米科技与分子生物学结合的科学。分子仿生学将在纳米层次上研究、模仿生物体的特殊结构、细胞生命过程的各个环节，以分子水平上的生物学原理为参考原型，研制、设计各种各样的可在纳米尺度上进行控制的“纳米机器人”，开发建筑学、医学、军事科学、纺织业、农业、环保事业及人民日常生活等所需要的材料

5、或功能器件。本章仅介绍两例，以体会分子仿生学在21世纪可能为人类带来的巨大影响。5.2蜘蛛丝的纳米尺度奥秘大家都见过蜘蛛和蜘蛛网吧，都见过蜘蛛怎样捕获猎物吧。在树丛、草丛、旧屋子等处的一个什么角落里，蜘蛛织好一张大网，就躲在一边“守株待兔”，静候误入歧途的小飞虫。只要一只糊里糊涂的小飞虫撞到蜘蛛网上，它就被粘住了，再也无法逃遁。求生的本能使那只被粘住的小飞虫还要挣扎一番，这种“震动”很快就被蜘蛛腿上的振动感受器发现了，闻讯后蜘蛛立刻赶往“出事”地点。等见到“美味”时，蜘蛛干的第一件事是用它那象喷壶样的有许多小喷嘴的丝囊喷出许多丝将这只倒霉的、自投罗网的飞

6、虫捆绑牢，然后用毒牙咬住猎物注射麻药，待被麻醉的“美味”不动了，蜘蛛才悠哉悠哉地饱食一顿美餐。蜘蛛网具有自然界里独一无二的悬索结构（图1），能造出这样的结构，关键在于蜘蛛丝具有特异的性能。图1具有悬索结构的蜘蛛网5.2.1蜘蛛丝的弹性与韧性为什么都好？蜘蛛丝虽细，但承受的张力可达3克重，即使拉伸10倍以上也不会断掉，它的强度是同样粗细的钢丝的5倍，它是强度最大的天然高分子化合物；蜘蛛丝的主要成份是氨基酸组成的蛋白质类高分子化合物，由于它呈酸性而且含有杀菌物质，故不易发霉；另外蜘蛛丝含有吸湿的呲咯烷酮，尽管在自然界免不了遭受风吹、雨打和日晒，却仍然保持一定

7、的粘着力；蜘蛛网还具有优美的对称性，怎么看都是生物建筑学上的重要成果。关于蜘蛛丝的弹性与韧性为什么都好的奥秘最近被美国加利福尼亚大学的科学家揭开了。他们发现在纳米尺度上蜘蛛丝结构形同一根极细的螺旋线，看上去像长长的浸泡过某种液体的“弹簧”。当它被拉伸时，象“弹簧”一样会竭力返回原来的长度，而当它缩短时，本身又会吸收振动能量并转变为热能，这种性能同样十分惊人。5.2.2种豆得瓜由于蜘蛛丝的特性，它是制造外科手术缝合线和防弹背心的理想材料。但是蜘蛛和蚕不同，很难进行大规模的人工饲养，而要在化工厂中造出有蛛丝特性的人造纤维，人类目前的技术与工艺均无可能。美国陆

8、军和加拿大的Nexia公司联手研制了一种叫“生物钢材”（Biosteel）的人造