化学与纳米技术化学与纳米技术背景介绍 纳米金表面的水滴 一滴水在用电铸方法 制备的纳米结构的金的表面。这些颜色由白光在表面反射 和那些表面等离子体激元产生。纳米技术纳米技术概论概论1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1 到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直 接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此， 纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的 技术。 纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容 涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括 ：纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工 学、纳米力学等 七个学科 我们主要介绍一下纳米技术在生物以及材料方面发挥 的推动力量，以及化学在其中起到的重要作用背景介绍 纳米棒棒糖 -这是一个侧面图，现实了搭在两 个镍电极间的一根硅纳米线。在右边的那一头， 纳米线连着一个小的纳米镍金属球，看起来就象 是个棒棒糖。所以偶们叫它“纳米棒棒糖“。此图 由日立S-4700场发射扫描电镜拍摄。样品法线 跟电子束成85度角。纳米材料的缤纷世界纳米材料的缤纷世界背景介绍 镍色子 边长为200微米，是利用自 组装技术制造的，图中色子的颜色 是后期制作时用电脑软件加上去的 。 纳米材料的概述与分类纳米材料的概述与分类概述-纳米材料统指合成材料的基本单元大小 限制在1100nm范围的材料，这大约相当于 10100个原子紧密排列在一起的尺度。、分类-纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤 维、纳米膜、纳米块体等四类。下面我们来一一介绍它们的特点及功能。 纳米纤维指直径为纳米尺度而长度 较大的线状材料。可用于 ：微导线、微光纤（极有 可能成为未来量子计算机 与光子计算机的重要元件 ）材料；新型激光或发光 二极管材料等。纳米纤维用于净水纳米纤维可将太阳能转换 成为燃料纳米膜纳米膜分为颗粒膜与致密 膜。颗粒膜是纳米颗粒粘 在一起，中间有极为细小 的间隙的薄膜。致密膜指 膜层致密但晶粒尺寸为纳 米级的薄膜。可用于：气 体催化（如汽车尾气处理 ）材料；过滤器材料；高 密度磁记录材料；光敏材 料；平面显示器材料；超 导材料等。纳米隔热电镀膜 用作防爆 膜以及汽车防爆膜纳米负离子远红外电热膜图为纳米镍粉电镜图图为纳米镍粉电镜图 可用作高效催化剂可用作高效催化剂纳米粉末 又称为超微粉或超细粉，一般指粒度 在100纳米以下的粉末或颗粒，是一 种介于原子、分子与宏观物体之间处 于中间物态的固体颗粒材料。可用于 ：高密度磁记录材料；磁流体材料； 防辐射材料；单晶硅和精密光学器件 抛光材料；微芯片导热基片与布线材 料；微电子封装材料；太阳能电池材 料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感 元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶 瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复 材料；抗癌制剂等。 总之，纳米粉末的应用领域十分广泛 。可以说是纳米材料中最“能干”的一 类。纳米材料的功能纳米材料的功能家电-用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具 有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用， 可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。 电子计算机和电子工业-可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为 目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在 普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。 环境保护-环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜 能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制 剂进行过滤，从而消除污染。 纺织工业-在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米 SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭 和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品， 可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。 纳纳 米 材 料 制 备备 方 法物理法化学法粉碎法构筑法沉淀法 水热热法 溶胶凝胶法 冷冻冻干燥法 喷雾喷雾 法干式粉碎 湿式粉碎气体冷凝法 溅溅射法 氢电氢电 弧等离子体法共沉淀法 均相沉淀法 水解沉淀法纳纳 米 材 料 合 成 方 法 分 类类气相反应应法液相反应应法气相分解法 气相合成法 气固反应应法可见在纳米材料合成方法中,化学方法不仅在使用而 且可操作性很强,其中，沉淀法、水热法溶胶、凝胶 法、冷冻干燥法、喷雾法都是制备纳米材料的有力方 法。可见化学与纳米材料的息息相关。具有电子存储磁性的硼 铁化钴纳米线材料阵列 。直径为100微米的镍锰 镓合金短纤维材料纳米材料简介之纳米材料简介之-碳纳米管碳纳米管在1991年日本NEC公司 基础研究实验室的电子 显微镜专家饭岛在高分 辨透射电子显微镜下检 验石墨电弧设备中产生 的球状碳分子时，意外 发现了由管状的同轴纳 米管组成的碳分子,这就 是现在被称作的 “Carbon nanotube”， 即碳纳米管。碳纳米管的分类 碳纳米管按照石墨烯片的层数分类 可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳 米管。多壁管的管壁上通常布满小 洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁 管是由单层圆柱型石墨层构成，其 直径大小的分布范围小，缺陷少， 具有更高的均匀一致性。 力学方面-由于碳纳米管中碳原子采取 SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨 道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高 强度。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥 有良好的柔韧性，可以拉伸。目前在工业上 常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键 因素是长径比，即长度和直径之比. 导电方面-碳纳米管上碳原子的P电子形成大范 围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具 有一些特殊的电学性质。 碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管 的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好 的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管 径和管壁的螺旋角。有关制备-目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光 烧蚀法、化学气相沉积法。放大后 的碳纳 米管纳米生物学的发展纳米生物学的发展1981年扫描隧道显微镜发明 后，诞生了一门以0.1到100 纳米长度为研究分子世界，它 的最终目标是直接以原子或分 子来构造具有特定功能的产品 。它便是纳米技术。因此，纳 米技术其实就是一种用单个原 子、分子射程物质的技术。纳米生物学和纳米药物学 是纳米技术在生物领域的分支扫描隧道显微镜纳米生物学研究的纳米生物学研究的任务任务纳米生物学研究的任务是，在纳米尺度上应用生 物学原理，发现新现象，最终制成可编程的分子 机器。由于纳米生物学的发展才刚刚起步，其广 泛的应用前景尚难全部预料到。 目前所能涉及的内容大体为： 在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其 与功能的联系； 在纳米尺度上获取生命信息； 分子机器的研制。 了解生物大分子的精细结构的成果了解生物大分子的精细结构的成果在纳米生物学中，应用扫描隧道显微镜STM研究蛋白质 结构是近年的进展。在观测蛋自质分子的表面结构形貌这方面，研究目前还处 在探索阶段。中科院化学所STM小组，报道了有关胰岛 素的研究工作。中科院上海原子核所和上海细胞生物学所 合作，获得了人体-珠蛋白质基因的某个调控过程中DNA形成环结构的STM图像。生物学家认为，这种环结 构对理解基因的调控机制有重要意义。英国Nature杂志有专文介绍，美国明尼苏达大学一 小组观察到了磷酸化激酶的形貌。目前，研究已涉及到氨 基酸、人工合成多肽、结构蛋白和功能蛋白等主要领域。 此外，应用STM观测蛋白质与DNA的复合物的报道也不 断传出。 应用扫描隧道显微镜STM研究蛋白质结构方面取 得的进展让我们对人体以及所有生命体的细微构 成物质有了具体的了解。这无疑是为化学家以及 生物学家研究如何更好的“管理”人体内部的组织 ，治愈疾病的理论基础。科学家测得的蛋白质的空间模型科学家测得的蛋白质的空间模型制造分子机器制造分子机器 -纳米科技的最终目的纳米科技的最终目的利用生物大分子制造分子器件 ，模仿和制造类似生物大分子 的分子机器这便是纳米科技的 最终目的-制造分子机器，而 分子机器的启发来源于生物体 系中存在的大量的生物大分子 ，它们被理查德菲利普费曼 在费曼说纳米中说成是微 小的机器，被看作是自然界的 分子机器。从这个意义上说， 纳米生物学应该是纳米科技中 的一个核心领域。）美国著名物理学家美国著名物理学家 理查德理查德 菲利普菲利普 费曼费曼利用DNA和某些特殊的蛋白质的特殊性质，有可 能制造出分子器件。目前研究的热点在分子马达 、硅神经细胞体系和DNA相关的纳米体系与器 件。利用纳米技术，人们已经可以操纵单个的生 物大分子。操纵生物大分子，被认为是有可能引 发第二次生物学革命的重要技术之一。纳米生物学在研究领域的纳米生物学在研究领域的 最新进展及介绍最新进展及介绍糖类包裹磁性纳米颗粒可用于清除病菌研究人员将甘露糖与二氧化硅包覆的磁性Fe3O4纳米颗粒通过三唑或 氨类化合物共价连接，使糖类均匀分布在磁性纳米颗粒表面构成磁性糖类- 纳米颗粒体系。磁性纳米颗粒巨大的比表面积、较小的粒径使其更容易、 更快速地吸附在菌体细胞表面。这种体系只需5分钟便能检测到大肠杆菌 的存在，能够根据响应模式的不同轻松分辨三种不同的大肠杆菌并清除 88%的靶向细菌。 糖类包覆的磁性纳米颗粒是磁性纳米颗粒首次被用来检测、量化以及分 辨菌体细胞，作为细菌快速检测、清除的方法在病菌的清除以及诊断中具 有巨大的应用前景。 -摘自美国化学会志(JACS) 药物药物 放入放入 磁性磁性 纳米纳米 颗粒颗粒 的内的内 部部研究人员将磁性纳米载体与 具有生物活性的碳水化合物 如甘露糖耦合，为检测、清 除大肠杆菌以及其他有害细 菌提供了有效的解决方法。 有效的防止农产品细菌污染 事件的发生以及生化恐怖袭 击的威胁。（许多细菌利用 哺乳动物细胞表面的碳水化 合物作为附着工具从而会引 发一系列农产品细菌污染事 件） 有关微生物的另一项纳米生物方面的最新研究美国加州大学的两名工程师发现了活细菌体内的半导体纳米管，他 们发现了细菌会产生由硫化砷组成的纳米管。这种纳米管与化工合成 的纳米管相比，有着独特的物理化学性质。此项发现将有助于开发出 一套全新的纳米电子器件。 关于癌症早期诊断-美国加州大学 洛杉矶分校的癌症研究中心说，他 们在原子显微镜下用一种极小的探 针接触到癌细胞，以此来确定其表 面的柔软度。由于癌细胞必须用挤 入的方式才能渗透到体内各严紧的 细胞组织，因此其柔软度比健康细 胞更加柔软。根据这一原理，我们 便可用纳米技术透过原子显微镜， 通过微型探针来确定人体的任何部 位是否含有癌细胞。 纳米生物的其他研究成果纳米生物的其他研究成果关于快速查出肝炎病毒-在沪举行的“第三 届上海国际纳米技术合作研讨会”上传出消 息，由上海交大等单位研制的纳米“侦探” 核酸分离转化性剂核，能在人体被肝炎 病毒感染后的两三天里让病毒现形，比传统 方法要大幅提前纳米技术的前景纳米技术的前景根据技术进化理论分析，纳米技术已经从背景技术发展到 二次技术阶段，即：“纳米科技会以纳米科技为核心，吸收其 它技术体系作为外围而发展成为一种新的纳米科技体系。” 总之，纳米科技发展到今天，已经不单纯是一项科学研 究活动，更重要的是，它越来越成为一项影响产业发展和国 家竞争力的社会化的科技，纳米科技将在新世纪对社会、经 济以及国家安全产生重大影响。同时我们也看到纳米科技与化学息息相关的一面，没有强大的化 学研究基础作为保证，纳米科技将寸步难行。具有知识经济时代特征的21世纪，将是生命科学和信息科技高速 发展和广泛应用的时代。而纳米科技将促进包括生命科学、信息科技 在内的几乎所有科技的飞速发展，将出现具有更多人造品格的具有智 能的新工具。