《纳米科技》PPT课件.ppt

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“bionics”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）的人造蜘蛛丝。他们采用了基因工程的办法，将蜘蛛的基因植进入山羊细胞的DNA中，培育出了能在乳汁中分泌蜘蛛丝蛋白的新品种山羊（图2），使“生物钢材”的大规模生产成为可能。人们期望用其来制造防弹背心，或组合成牢固的复合材料用于宇航和汽车工业。总之，基因工程让我们“种豆得瓜”了。,图2 能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊,阅读材料：长得很象未必有、长得不象未必没有亲缘关系 为什么“种瓜得瓜，种豆得豆”？为什么在地球上，不论小到病毒、细菌，还是大到植物、动物、人类，到处可见子代基本上继承了父母代的特征？经典遗传学不能令人信服地解决这个一直困惑人类的问题。分子生物学才使人类不再仅仅依靠推断、建立假设来研究生命现象，而能从遗传物质的分子水平上来揭示生命现象的本质。人类基因组计划完成后，美国国家基金会开始支持一项“巨科学”计划。“巨科学”计划又称为“生命之树”计划，它想干的事是希望用DNA分析的方法将地球上从纳米级大小的病毒、微米级大小的细菌到心脏和轿车一般大小的蓝鲸，一个不拉地重新绘制在同一张“树状图谱”中。分类学作为一门正式科学是瑞典植物学家卡罗勒斯林奈在18世纪创建的。林奈最初的做法是根据植物的外观：将同类生物称为“种”，相近的种组成“属”。这一系统使科学家能够将新发现的动植物也根据其外观进行分类编目。后人对此分类系统进行了改进，又加上将生物的形态和结构作为分类的依据。最近的研究表明：长得很象，未必有亲缘关系。,DNA好象一盘录象带，它储存了自然界中生命形式从最低级到最高级的全部演化资料。比如许多人类的基因（当然不是全部）可以在酵母菌中找到对应的基因，可以在一种简单的多细胞生物“线虫”身上找到相似的基因。记得有本书中对人说：“你们走完了从虫到人的路，可你们身上的许多东西还是虫”（图3）,此话是有遗传学的道理的,也就是说从遗传学的角度看，全世界的人都是虫的传人。自20世纪80年代开始，人类已用DNA测试方法作亲子鉴定、追踪罪犯，对尸体或遗骸作出失踪者鉴定。DNA分析手段强有力的原因有三点：1）准确率高；2）DNA来源多，容易取样。如唾液、血液、毛发、精液和骨骼内都有；3）需要的样品量很小，个别情况下甚至有一个细胞就足够了。在动物世界里，到底谁与谁有亲戚关系？DNA测试的结果常常让我们大吃一惊。,图3 长得不象，不一定没有亲缘关系,有种鸟叫“鸊鷉”（音piti），身体矮胖，其貌不扬，走路像鸭子，叫声像鸭子，而且也是通过潜水觅食生活。总之，看上去鸊鷉和鸭子很像。但DNA测试的结果表明，鸊鷉和鸭子没有亲缘关系。火烈鸟的双腿修长，羽毛的颜色鲜艳，生活习性是用它的长嘴滤取水中的食物，真看不出长得“酷”的火烈鸟和丑八怪的鸊鷉有什么共同之处，更想象不到的是在几千万年前它们的祖先居然是一家子。用DNA分析方法已揭示出，鲸鱼与河马和海豚曾是一家子，鲸鱼的祖先与河马，甚至于和奶牛、绵羊等家畜有较近的亲缘关系，都出人意料之外。我们人类的祖先与谁有较近的亲缘关系呢？外表的长相也隐瞒了事情的真相（图4）。,图4 长得象，不一定有亲缘关系,长久以来，动物学家一直将黑猩猩、猩猩和大猩猩归为同一类群称为“类人猿”，同时认为人类是这棵生物系统树上的一个旁支。现在根据DNA测试的结果，研究分析发现：虽然黑猩猩与猩猩长得很象，但黑猩猩与猩猩和大猩猩的亲缘关系没有黑猩猩与人类的亲缘关系近，人类98%以上的DNA居然与黑猩猩是相同的。所以，人不过是黑猩猩中的“帅哥”，是长相“酷”毙了的黑猩猩而已。当然，一位先哲说得好，世上没有两片相同的树叶，即使是人间的双胞胎兄弟或姐妹也不是完全相同的。问题是：为什么基因完全一样，在遗传特征上还有不同呢？从分子生物学目前的认识来看，大概有两个方面的原因：,1）人体大约有3万多种基因，每种基因都能控制生成大量不同种类的蛋白质，而且控制生成的蛋白质不仅种类不同，连数量也有很大的差别，即两个人可能具有完全一样的基因，但两人体内的蛋白质的种类与数量却相去甚远，结果就造成了他们在遗传特征的不同。究竟那些种类的基因能导致这个问题呢？迄今人类对此还知道得不多。都是分子生物学未来的任务。2）DNA的复制过程是按照碱基配对的原则，整个复制过程的要求是严格的，只允许出极少的例外，但例外还是有的，平均的出错概率为万分之一左右。若已有“例外”的“等外品”在复制中又出现“例外”，而且如果这样的复制中的错误一再发生，就造成了基因突变。基因组的变化最终影响蛋白成份的组成、蛋白质作用方式以及稳定性的变化，所以遗传结构就发生大的变化了。是什么细微的因素造成复制过程中有万分之一左右的出错率呢？目前也不清楚，也是分子生物学未来的任务。,不过我们有一点是明确的：这种在复制中出错的事有好、坏两重性。好处是造成了物种的多样化；坏处是可能产生动、植的疾病，给人类与病菌，特别是与病毒的斗争带来了很大的麻烦，病毒的多变性使人类难以彻底的免疫啊！,5.3 壁虎飞檐走壁的奥秘 壁虎身体扁平，四肢短，属夜行性的爬行动物，又叫蝎虎，旧名守宫。全世界约20种，我国产8种（图56）。,图5 世上有会飞的壁虎，你知道吗？,图6 壁虎及其脚趾的英姿,壁虎以捕食蚊、蝇、飞蛾等小昆虫为食，白天潜伏于壁缝、瓦角下、橱柜后面等隐蔽处，夜晚才外出觅食。一个晚上，一只壁虎能吞噬许多小害虫，对人类有益。壁虎生活在建筑物内，也能上树。与许多爬行动物不同，它能在垂直的墙壁甚至光滑的玻璃上迅速爬行，每秒的速度可高达1米。若问“壁虎为什么能飞檐走壁？”，人们会不加思索地回答，“因为壁虎的脚下有吸盘”。在过去的少年儿童科普读物中是这样来解释的：“它前后肢的每一个指、趾上，都有一褶一褶的瓣，形成一条条深沟。壁虎依靠这些瓣膜，能增加指、趾与光滑面之间的磨擦，同时它还有吸附能力，足以吸附住身体，使它在光滑的墙壁或室顶上自由地跑来跑去，甚至在玻璃上也不会滑倒。”这个过去的认识纯属猜测。其实从公元前人类认识壁虎起，就想弄清楚它的惊人爬行能力从何而来？现在有了能分辨纳米结构的“眼睛”，我们可以从纳米尺度上来了解壁虎飞檐走壁的奥秘了。,几年前美国科学家揭开了谜底：壁虎能在垂直的墙壁甚至光滑的玻璃上爬行主要靠分子之间的范德瓦尔斯（van der Waals）引力，此种分子引力是中性分子间的距离非常近时产生的剩余电磁相互作用，是由于它的脚的特殊的微米纳米结构造成的(图7)，从图可见，壁虎的每只脚底部长着数百万根极细的刚毛，刚毛的长度仅零点一毫米左右(图8)。而每根刚毛末端又有一千多根顶部呈刮铲状的更细的分支毛，每根分支毛的直径与毛间距都是几百纳米。这种精细的结构使得壁虎与墙壁或玻璃表面的分子间的距离非常近，从而产生分子引力。虽然每根刚毛产生的力微不足道，但几十亿个着力点累积起来就很可观。据估算，一根刚毛能够提起一只蚂蚁的重量，而一百万根刚毛虽然总面积不到一角钱小硬币的面积，但可以提起二十公斤的重量。如果壁虎同时使用全部刚毛，就能够支持一百二十五公斤重的物体。实际上，壁虎只需用一只脚趾，就能够支撑持整个身体。,图7 壁虎的脚底部长着数百万根极细的刚毛,图8 壁虎的每根刚毛末端又有一千多根顶部呈刮铲状的更细的分支毛,按理说，我们把手掌贴到墙上时，手掌与墙间也产生分子引力，手掌应当被吸附到墙壁上。为什么此事未发生过呢？道理很简单，当我们的手掌贴到墙上时，顶多只有数千个接触点，总的分子引力太小，所以手掌不会被吸附到墙壁上。,阅读材料,阅读材料,阅读材料,你想当蜘蛛人吗？在美国科幻片蜘蛛人中，男主角凭着蜘蛛丝飞檐走壁，勇救佳人。你能象他那样去攀登高楼或山峰吗？你忌妒他的那身本领吗？大可不必，因为过不了几年你就能有蜘蛛人的本领了。仿照壁虎脚趾的纳米结构和工作原理，科学家正在研制一种称做“壁虎带”的产品，希望把绒毛做得足够细后能产生与壁虎刚毛一样强大的黏合力，使人们依靠它可在光滑的天花板上疾步如飞。但难点也在这里，人造的“壁虎带”很难像壁虎脚那样巧夺天工，很难在23平方厘米的小面积上做出几十亿根绒毛，而且还要求绒毛不打结。一种解决的办法是，把“壁虎带”的面积做大些，以达到产生的总分子引力能支撑起人的重量。另外还得寻找一种特殊化的耐用物质，使制出的绒毛不打结，又使绒毛有足够的柔韧性，能保证粘到任何物体的表面。不过技术还远未成熟，离取得成功还有段路要走。怎么办？或者你要耐心地等待成功，或者你可想出高招助成功一臂之力。,阅读材料,范德瓦尔斯力的物理本质 关于这个力，其实也有个认识过程。过去是这样解释的（注：在一些著作中，现在可能还这么解释），中性的原子、分子因内部运动产生瞬间电矩，因而有电场，而引发范德瓦尔斯力。卡西米尔（H.Casimir）认为范德瓦尔斯力实际上源于量子世界中普遍存在的真空零点能(图9)，并由此导出了与距离的七次方成反比的公式，定量地解释了范德瓦尔斯力。1958年有人已用实验证实了卡西米尔的理论。关于“量子世界”的规律，关于“真空零点能”，都不是三言两语能解释清楚的。作者之一曾参加过关于卡西米尔效应的研究工作，并猜想该力将在微观世界和生命现象中有重要效应。有兴趣的同学可先记下“卡西米尔效应”和“真空零点能”这些古怪的名词，有机会时再深入探讨吧。,图9 量子世界中普遍存在的真空零点能可产生“卡西米尔”效应,问题与思考 1 苍蝇与蚊子也均能垂直地停留在光滑的玻璃上，其中的奥秘尚未完全揭开。你有什么猜测吗？,5.4 超坚韧的碳纳米管(CNT)纤维 1994年在东京的一次欢迎英国卡文迪许实验室主任的电镜科学报告会上，中国有位研究人员有幸看到饭岛澄男展示的他发现碳纳米管（CNT）的电镜照片，印象颇为深刻。在CNT中碳原子间的化学键合比在金刚钻中还要强。它的圆柱状结构使得CNT特别地坚固。自从CNT发现以来一直是研究热点，并且已取得多个纳米科技的闪光点，例由CNT构建的纳米晶体管和其它分子水平的电子器件。但单独的CNT是很微小的，其直径为纳米级，长为微米级。为了制备更大尺度的材料，CNT需聚合在一起。要从缠绕的CNT中抽出长丝，组成纤维会遇到许多问题，正如纺丝过程一样。最近事情有了突破，美国Texas大学（UTD）的鲍曼（Baughman）教授等，运用了化学技巧，利用化学试剂可以将单壁的CNT粘合起来纺织成CNT纤维，具有100米长和大约50微米直径的真正意义上的纤维。这种新纤维是超乎寻常的坚韧，比同样重量及长度的钢丝要强20倍。,已经用该纤维制造超级电容器和纺织了衣服织品。CNT纤维的坚韧性几乎是用于制备防弹衣的Kevlar纤维的17倍。鲍曼和他的合作者还指出了其它可能的用途，综合了它的电学和力学特性。CNT纤维纺织品还能用作传感器，电子学连接点和电磁屏弊。自1996年以来，我国中科院物理所，北京大学、清华大学与中科院沈阳金属所的科学家们在定向CNT，最长、最细的CNT的制备方面也开展了研究，并相继在Science,Nature 上发表文章，特别是大量制备单壁CNT方面，还取得了美国专利。最近IBM宣布开发成功世界上最小的CNT单分子发光元件（Science,2 May,2003），这将推进CNT在纳米电子工程和光元件领域的应用研究。上述这些进展，无疑是CNT研究和应用的突破，也是纳米科技的重大进展。,5.5 应用广泛的DNA芯片 随着社会的飞速发展和人民生活水平的极大提高，人们越来越关心自身的健康状况，希冀寿命更长、希冀生命质量更高。因此，人们最期盼知道的莫过于自身内部的生命信息了。家族遗传了什么?自己将来得癌症的危险性多大?哪些环境因素对自己生命影响最大?甚至想了解眼前体内生理代谢的总体状况如何?等等。在今后几年内，这些大量的与人体健康和人口优生密切相关的生命信息都将能通过一种称作“DNA芯片”的新技术快速而方便地获得。DNA芯片(或称基因芯片)是近年来在高新科技领域内出现的最具时代特征的重大进展。它是一门物理学、微电子学与生命科学交叉综合的高新技术，它具有重大的基础研究学术价值，又有产业化的前景，已成为科技界、企业界和科技管理部门的关注热点。,什么是DNA芯片 DNA芯片或称作基因芯片(Gene chips)，实质上是一种高密度的寡聚核苷酸(DNA探针)阵列。它采用在位组合合成化学和微电子芯片的光刻技术或其他方法将大量特定序列的DNA片段(探针)有序地固化在玻璃或硅衬底上；构成储存有大量生命信息的DNA芯片。DNA芯片有可能首次将人类的全部基因集约化地固化在1平方厘米的芯片上，目前已达到的密度是40万个探针芯片，每个探针间的空间尺度是1020微米在与待测样品DNA作用后，即可检测到大量相应的生命信息，其中包括基因识别与鉴定、基因突变和基因表达等等。目前，DNA芯片不作为分子的电子器件，也不作为DNA计算机用，主要起生命信息的储存和处理的功能。但正是基于它的对生命信息进行平行处理的原理，可利用其快速、高效、同时地获取空前规模的生命信息，DNA芯片很有可能成为今后生命科学研究和医学诊断中革命性的新方法（图10）。,图10 DNA芯片原理图,DNA芯片的应用初始的DNA芯片主要作基因鉴定识别或基因点突变的研究；随着DNA芯片制作技术的发展，芯片密度不断提高，大大扩展了其应用领域，主要如下：1生物医学、分子生物学基础研究寻找基因与疾病(癌、传染病、常见病和遗传病)的相关性，进而可发展相应药物和治疗，其中癌症的研究更为重要，可探测抑制肿瘤基因(如P53)的变异，已知60的癌症患者的P53有突变；或对影响面最广的一些致癌基因如乳腺癌(BRCAI)、肺癌等进行多基因扫描。2人类基因组研究(Genome)可开展基因表达活性和大规模的基因变异多态性研究。应用定制的DNA芯片可同时监测千百个基因甚至全部基因。3将来的医学临床诊断一旦弄清疾病与基因的相关性，DNA芯片即可提供高效的简便的诊断手段。在一些涉及多基因分析的诊断中，DNA芯片的高密度信息量和平行处理的优点不仅提供了可能性，而且保证了诊断的高效、廉价、快速和简便。,DNA芯片技术的展望 DNA芯片技术将不断地向更高密度的方向发展，恰如微电子芯片一样。权威人士估计，几年内DNA芯片空间分辨率将达到1微米水平如果有需要和可能的话，DNA芯片将由目前的微米级向亚微米乃至纳米级的方问发展，相应的检测技术也将由目前的共聚焦荧光显微术向包括扫描近场光学显微术(SNOM)和原子力显微术AFM在内的纳米显微术发展。DNA芯片使我们对信息的处理和应用深入至生命信息领域，对农业、人口与健康和环境等国家目标的实现将做出重大贡献。美国幸福杂志载文指出，在写20世纪科技史时有两件事是值得大书特书的一件是微电子芯片(microelectronics chips)。它是计算机和许多家电的心脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每个家庭；另一件则是DNA芯片，它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平在21世纪，DNA芯片对人类生活的影响比之微电子芯片可能有过之而无不及。,信 息 窗,实用例子：监测自来水受污染程度的基因芯片 日本久保田公司最近开发出利用基因芯片检测自来水是否受到致病微生物污染的技术。这种基因芯片检测法主要针对会引起人腹泻甚至死亡的隐胞子虫。这种微生物表面有坚硬的蛋白质外壳，常用的氯气消毒法很难杀灭它们，是自来水水质管理方面的一个难题。久保田公司的技术是将能与隐胞子虫的基因相结合的基因片断固定在芯片表面，如果被检测的样本中合有隐胞子虫，它们的基因和芯片上的基因片断结合在一起，芯片就会发出荧光。基因芯片检测法能从基因水平上检到出有害微生物，准确而简便。,图 11 监测自来水,信息窗,可用来识别身份和健康数据并帮助定位的人体芯片首先在墨上市新华社墨西哥城2003年7月18日电 美国应用数据解决方案公司推出的可植入人体皮下的微芯片18日在墨西哥城首次上市，它能用来识别植入者的身份和健康数据，并帮助定位，可应用于医疗和反绑架等领域。负责代理该产品的墨西哥卫星定位解决方案公司主管安东尼阿塞韦斯在产品发布会上说，这种微处理芯片只有米粒大小，用特殊的注射器植入人体，不会对健康造成任何伤害，而且植入过程中只需局部麻醉，没有疼痛感；芯片本身不能储存身份或健康等数据，而是通过外部扫描装置读取芯片中储存的唯一序列号，然后通过该序列号取得进入外部存储数据库的权限，从而对载体的身份等有关数据予以确认。此外用户还可以通过24小时服务热线随时修改自己的数据。,这种芯片被称作”Verichip”，在墨西哥的古均安装费用为175美元，每年的保养费用为48.5美元。产品发布会上墨西哥众多医疗和保安机构表现出浓厚的兴趣。据称，这种芯片可以帮助医护人员和警察在发生事故后对死伤者的身份或健康历史迅速进行确认，尤其在绑架活动频繁的墨西哥城，反绑架警察可以借助卫星定位系统与芯片来确定被绑架者的方位。阿塞韦斯说：”去年我们曾经尝试在美国上市，但遇到法律上的问题。美国食品和药物管理局以芯片中含有非医学信息为由迟迟不批准上市，因此我们选择了墨西哥，在这里我们可以合法销售。”阿塞韦斯预测，产品推出第一年，墨西哥将有近1万人成为植入芯片使用者，全国70的医疗机构将配备读取芯片数据的扫描装置。阿塞韦斯说，最初这种芯片仅被运用到宠物身上，去年应用数据解决方案公司以”测试使用”为由将其应用到人体。但此举招致美国食品和药物管理局的强烈不满，并在社会上引起不小的争论。,5.6 自清洁、自消毒的纳米表面材料 纳米科技中最接近实用的是纳米材料，而纳米材料中最贴近人们日常生活的是纳米表面材料。经纳米颗粒表面涂料处理过的玻璃、塑料表面具有抗摩擦的性能（示意图见图12），应用实例见图13，在有中间符号的地方应用了纳米涂层，明显具有抗擦功能。,图12 纳米表面涂层示意图,图13 抗摩擦的纳米表面涂层,精细的纳米涂层一般是由三种成分构成的复合物组成（见图14中的卡通人）即最底一层是粘着层，中间是结合粘着成分和顶端表面成份的纳米颗粒，而最上层（红伞表示的）是功能成份。经含二氧化钛纳米颗粒表面涂层处理过的物体表面则具有自清毒的功能，因为二氧化钛纳米颗粒经紫处光照后能有光催化反应，可杀菌，分解甲醛等有害气体，是绿色环保技术，在厨房、卫生间、食品工厂、医院等处均有广泛应用价值和市场。倘若最顶层（红伞层）换成铟锡氧化物纳米晶粒（ITO）则该表面涂层具有透明、导电（防静电）和热吸收（防红外）的特性，在电视显示屏幕、计算机显示屏、大屏玻璃幕墙等方面均有重要应用（见图15）。,图14 纳米涂层的“三明治”结构,图15 纳米涂层的应用,信息窗,疏水和双疏界面材料的应用前景 除了作高楼大厦外墙的涂料，将疏水界面涂料用在室外天线上，可以防积雪，以保证高质良地接收信号；双疏界面涂料用在海轮上，具有抗腐蚀作用，其性能可以优于目前所用的钛白粉或纳米钛白粉涂料；将它用于运送石油的输油管中，可以防止石油对输油管道壁的粘附，从而减少石油在运输过程中的损失，并防止了输油管堵塞事故；将它用于潜水艇外壳上，可减小水的阻力，提高行驶速度；用来修饰防织品，可制成永远干净的领带、丝巾和服装等等。,资料 中科院化学所科学家模拟荷叶表面结构，研制出双疏表面材料荷叶表面和水滴底部的正切线之间形成的夹角往往会超过140度，有时甚至于达到170度。这样荷叶与水滴的接触面积就会大大地减少。加上表面张力的作用，水滴在荷叶上就形成了一个个自由滚动的水珠。中科院化学所科学家制备了一种“仿荷叶列阵碳纳米管膜”，其形貌非常类似于荷叶的结构。膜的表面也是由许多大小不等的乳突组成，乳突的尺寸范围在15微米，平均大小约3微米，乳突之间的间距范围在110微米之间，平均间距约6微米。每个乳突是由许多直径为40纳米左右的碳纳米管组成的。当水滴落在碳纳米管膜上，测出的接触角为166度，其疏水效果非常接近于荷叶。在取得成功的基础上，他们用具有微米结构的乳突和纳米结构的精细结构相结合，又制备具有岛状结构和蜂房式结构的列阵碳纳米管膜。测试的接触角均大于160度，这也是一种疏水表面的碳纳米管膜。,5.7 DNA计算机 DNA分子是大自然经历几十亿年进化的产物，它是遗传信息的载体，既高效又稳定，而且随着时间、空间的变化相应地控制着生命过程。这么一种独特的生物大分子无论如何应当进一步发挥其信息处理的能力，成为一种最先进的信息技术。迄今所有电子计算机都是基于布尔代数，即二进制0，1代码方式。而DNA分子是由四种代码：A、T、C、G四种碱基构成的，另外还有A-T；C-G的配对原则。DNA利用这种”四代码”的不同序列，可以存储大量的生命信息，同时酶分子能以高度并行的方式处理这些信息，像现代的并行计算机似的。可见构建计算机的基本要素（代码，存储和处理）DNA和酶的系统均已具备了。最近，威斯康辛麦迪逊大学的史密斯（L.M.Smith）小组利用基因芯片实现了DNA计算机的想法，示意图参见图16。,图16 DNA计算机示意图,DNA计算机可能特别适合求解普通计算机极难求解的某些问题，例推销员行走路线问题等；但要使DNA计算机实用化要克服的困难还很多，例如，怎么将DNA计算系统与常规接口联接通讯的问题；DNA碱基配对错误导致计算错误高发率的问题等等。最近以色列科学家E.麦皮诺利用少量DNA片段和酶类，制造出了一台可自我驱动的分子计算机，能完成一系列简单的运算，（见图17）。在一般运算方面，DNA计算机与普通计算机相比不一定占优，但这是朝着研制生化计算机方向上迈出的第一步。DNA计算机的优势可能在于怎么快速扫描DNA序列的个体差异，怎么诊断疾病和按需在体内释放药物等这类的工作。这种生化用途的DNA计算机可能有朝一日会被广泛用于监控和改善身体健康。,图17 分子计算机,5.8 方兴未艾的纳米科技纳米科技自1990年诞生以来，已从少数前卫学者的象牙塔里走了出来，受到社会广泛的重视和认真对待。特别近年来，在纳米电子学方面的进展，更增加了人们期望在今后1015年内实现纳米科技的实用化，并将形成为一个年产出约1万亿美元的大产业。再进一步的发展，可能是要逐步实现纳米科技的最高目标，直接操纵一个个原子、分子构造有特殊功能的纳米器件；就是说要发明实用的纳米组装机（Nano Assembly Machine）。分子纳米技术的先驱者德雷克斯勒早在1986年就对这类”组装机”有过在很大程度上带有幻想成份的设想。这里我们要讨论的是比较现实的纳米组装机。5.8.1 第一步的纳米组装机 利用类似STM、AFM这样的仪器就能操纵单个原子、分子（见图18），而且现在微型的STM、AFM日渐成熟，这大概是纳米组装机的第一代。,图18 单原子操纵,5.8.2 分子组装实例量子点的组装 这种由几百个原子构成的量子点，能够发射特定波长的光，具有特定的功能，符合了纳米组装的基本要求，这类自组装模式是纳米组装的第二代。,图19 量子点的组装,5.8.3 向生命学习真正意义上的纳米组装机 事实上，细胞内的许多亚细胞器都是实实在在的纳米组装机，像核糖体就是根据mRNA的信息指令从环境中的氨基酸直接合成各种复杂的蛋白质分子（见图20）。向生命学习，向大自然学习，大概是最终完成纳米组装机的必由之路。那时纳米组装机将从装备少数几种原子（C、H、N、O.）和分子（CO2，氨基酸，核苷酸,-）的原料盒中取出一个个原子、分子组装成具有特定功能的纳米器件，乃至它自身。再下一步的发展将是什么呢？同学们不妨大胆思考一番。,图20 核糖体按照mRNA（紫色的）的信息制造蛋白质（金色的）,5.8.4 网络生产的新纪元 在本课程第1.2章节中同学们或许还记得在信息技术与纳米技术的交叉处，我们标着纳米电子学，实际还有更深的含意，即网络技术与纳米技术的交叉、综合网络化的纳米组装生产。这是纳米组装机的进一步发展，这是一个真正可与大自然比肩的发明创造！纳米科技与信息技术相结合的典型例子即网络STM（STM即扫描隧道显微镜）。1999年，中科院上海原子核研究所单分子探测和操纵实验室实现了网络遥控STM的实验，2000年又与上海爱建纳米科技发展有限公司合作完成了Internet STM的产品研制。网络STM的实现提示了网络生产的可能性；因为纳米技术通过STM/AFM（AFM即原子力显微镜）实现了对单个原子、分子的操纵，排布，原则上实现了直接由原子、分子制造有特定功能的器件（产品）的理想；与第二代网络技术的结合，即使生产网络化成为可能。这种全新的生产模式将是又一次工业革命的特征。将它与现存的生产模式相比较，主要差别如下图表：,表 1 网络生产的基本原理及与现存生产模式的比较,现存生产模式 网络生产模式,产品分解为各个部件,在装配流水线上将各个部件装配成产品,实现了大规模的标准化生产,生产线上的蓝领工人人数多于白领研发人员,软件编制，“纳米操纵器”研制的白领科研人员占主导，蓝领工人大为减少，正象工业革命导致农业人口急剧下降的现象一样。,实现了无界域的网络化生产，跨国公司将升华为物质生产的主体。（反垄断、世界多极化更为必要。更为迫切。）,通过因特网，操纵基于STM/AFM的“纳米操纵器”或纳米组装机构建纳米器件,将产品分解为（制造过程的）软件,汽车生产装配线,下载了一个定制的手机,有人预测：至2020或2030年，我们从因特网上不仅能下载软件，而且能下载硬件（产品）。,信 息 窗,图 21 网络SPM框图,信 息 窗,图22 2000年10月德国U.Haitmann教授在北京参观网络STM的实时表演,Remote Control Scanning Probe Microscope Based on the Internet 网络SPMSPM是一种既能观察又能操纵的纳米科技工具，网络SPM是纳米技术和网络技术的结合，并且很容易转化为网络生产。,