纳米科技发展及远景

生物医学纳米技术张宇[e-mail]生物科学与医学工程学院第二讲：纳米科技发展及远景《生物医学纳米技术》RichardP.Feynman人工度RichardP.Feynman（Dec.1959,ASP)：我认为，物理学的原理并不排斥用一个一个地安排原子来制造东西。这样作并不违反任何定理，因而在原则上是可以实现的。它在实践中迄今未实现是因为我们太大了。如果我们能按照自己的愿望一个一个地安排原子，将会出现什么这些物质将有什么性质？这是十分有趣的理论问题。虽然我不能精确回答它，但我决不怀疑当我们能在如此小的尺度上进行操纵时，将得到具有大量独特性质的起源。HeinrichRohrer(1933-)GerdKarlBinnig(1947-)XenononNickel(110)IrononCopper(111)NanoLetter操纵化学反应纳米科技大事记１９５９年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，１９７４年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。１９８２年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。１９９０年７月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。１９９１年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的１０倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。１９９３年，继１９８９年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、１９９０年美国国际商用机器公司在镍表面用３６个氙原子排出“ＩＢＭ”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。１９９７年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在２０年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。１９９９年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。到１９９９年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到５００亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新５年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从１９９７年的１．１６亿美元增加到２００１年的４．９７亿美元。物质尺度用特殊尺度空间的物质来改变人们的认识！不同尺寸和形状的金纳米粒子具有不同的熔点500不同尺寸和形状的银纳米粒子具有不同的光学性质4nm纳米棒（4nm*40nm）金纳米粒子的光学性质随粒子的间距而变化17.5-0nm不同尺寸的钴纳米粒子具有不同的磁学性质(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量子点小于10nmCdSe纳米晶TEM照片纳米科技1.在纳米尺度内（1-100nm)控制物质,创造特定功能的材料、器件和系统2.在纳米尺度内（1-100nm)，探测物质的结构与性能3.在纳米尺度内（1-100nm)，认识物质的物理、化学和生物学性质变化的规律，加以利用纳米物理学纳米化学纳米材料学纳米加工学纳米测量学纳米机械学纳米电子学纳米生物学纳米医学。。。Nano-X1.IT(InformationTech.)和BT(BioTech.)持续发展的基础（NanoTech.)：支持硅芯片持续发展（≤10nm)与可能的替代技术：纳芯片支持BT的基础之一：纳米尺度内操纵基因2.社会和经济可持续发展的要求：省材料、能源和空间ↂPC数量以100%速度增长，2010年时PC年耗电3600billionKWh=美国2000年全年发电量ↂ2020年中国将有3.5亿台PC.3.大的市场和高利润驱动为什么要发展纳米科技？(1)1.创建的新材料、新器件2.发现独特的性质、现象和过程----对自然的深入理解3.多学科的交叉领域Living/non-living;Relevanceareas---morechances为什么要发展纳米科技？(2)纳器件：纳电子、纳光电子、纳传感器、纳存储及纳显示器件纳电子器件与微电子的关系：继承、相容、互补、互动1.Si-基MOSFET器件有超过40~50years的发展时期，它将不断地发展技术、优化性能、降低成本，是不可被替代的。2.发展纳电子或纳光电子器件必须考虑新的工作原理，实现高性能、低成本的目标。1,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0001,000,000,00010,000,000,00019701980199020002010Moore'sLawContinues4004808080868008Pentium®Processor486™DXProcessor386™Processor286Pentium®IIProcessorPentium®IIIProcessorItanium®ProcessorGoal:Over1billiontransistorsby2005Pentium®4ProcessorItanium®2ProcessorStanford/IBMITRSCMOS器件的挑战性问题Si-MOSFET极限GateLength10nm电子隧穿引起误差线路电容的延迟热积累引起性能恶化热和量子涨落误差纳米器件的集成和与微电子系统的联结单芯片的超级计算机15年？能源：太阳能的广泛利用:thenanorod-polymersolarcell100nmAbsorptionDepthExcitonDiffusionLengthPolymerITOe-h+Al20nmCdSeNanorodsSnP3HT100nmAbsorptionDepthExcitonDiffusionLengthPolymerITOe-h+Al20nmCdSeNanorodsSnP3HTSnP3HT(courtesyP.Alivisatos,Univ.California,Berkeley;andNanosys,Inc.).transmissionelectronmicrographofaCdSenanorodatthebottomMC.Roco,5/17/04纳生物传感器和纳米医学氨基酸氨基酸测序双螺旋蛋白质亚组元蛋白质多重组合不同结构的综合检测植入器官纳米材料吸附原子、分子的簧振动频率变化可检测单个原子或生物分子纳米生物传感器-全民健康网的基础集成微纳器件对人体的物理、化学和生命指标远程检测和治疗Tang/DARPABioFlips细胞内的多个基因改变导致癌症，纳米技术将实现更早期的发现和预防2015？10mYearXYearY现在mm早期发现和诊断恶性肿瘤和转移Prevention发现和诊断Prevention现状目标挑战:减少癌症的病痛和死亡—2015“AVisionNotaDream!”byusingnanotechnology,Av.Eschenbach,NCI靶向药物、饥饿疗法、热疗纳米技术在水处理方面的应用纳米技术给环境治理带来巨大的进步BAWSIIISmartDust100mNatureMaterials2002,1,39-41.SmallLowPowerHighlydistributedCheap纳米技术的生物安全性1.检测、治理已存在的纳米污染2.防止新的污染沙尘暴电焊汽车尾气工厂废气CatalyticNanostructuresPrashantKamat,NotreDameDualroleofZnOsemicondouctorfilmasasensorandphotocatalystfortreatmentoforganicpollutants300nmUVMultifunctionality,versatility,selectivityandefficiency检测微量高分子在紫外光下可降解污染物纳米技术应用于检测和防止物理、化学、生物和辐射污染物的伤害快速光快关军事上的应用CassiniMarsPathfinderPluto/KuiperExpress“Microspacecraft”1000kg100kg10kgPastPresentFutureSpa