纳米技术在各领域的应用(ppt 49页)
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➢ 传统的电子器件，只利用了电子波粒二象性中的粒 子性，而且都是通过电子数量来实现信号处理的
➢ 纳米器件或称量子器件是利用量子效应原理制成的， 它的尺寸在纳米级，具有更高的响应速度、更低的 功耗、更大集成度，同时器件还具有结构简单、可 靠性好、成本低的优点
➢ 现代电子学正经历一个从微电子学到纳米电子 学的发展时期，并引起新的电子技术革命，把 电子工业技术推向一个更高的阶段
➢ 用分子来存储信息的元器件研究很多，但多数分子存储器不是 采用单个的分子，而是分子团存储信息；而存储和读写的方式 也多采用光学方法。例用激光照射这些分子团，激发分子团发 光，以此实现信息的存储
➢ 1999年，耶鲁大学研制的分子存储器是选用一种十分特殊的 分子，它可以直接用电子学的方法存储和读取信息
生物分子计算机是人们长久以来的
梦想，它的实现将可以彻底实现当今计
算机无法真正实现的模糊推理功能和神
源自文库
经网络运算功能，而这些都是人工智能
的重大突破口之一。
分子马达
美国波士顿大学制造出了世界上一种最小的分 子马达。该马达仅由78个原子组成。几乎同时，日 本和荷兰的科学家也研制出另一种用太阳能驱动的 分子马达，它能在光的照射下连续不断地旋转。分 子马达将能够为未来的分子机械提供动力，为今后 开发和研制微小的分子机械奠定了一定的基础。
美国纽约大学研制出一台纳米机器人，其手臂是用两个DNA 分子制作的，可以自如地在固定的位置间旋转。最近，瑞典也 研制出一台微型医用机器人，由多层聚合物和黄金制成，外表 类似人的手臂，其手臂、肘部和腕部都十分灵活，有2～4个手 指，实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的 阶段。
基于分子反应的DNA计算机运算速度极快，它几天的运算量就可相当于计算 机问世以来世界上所有计算机的总计算量。另外，由于每个DNA分子都含有 大量的基因，因此DNA分子的存储容量十分巨大，如1m3的DNA溶液可存储 1万亿亿比特的数据，这将超过目前所有计算机存储器容量的总和。不仅如此， DNA计算机所消耗的能量却小的出奇，只有普通半导体计算机的10亿分之一。
图1 两种不同的分子在分子之间力的作用下在 溶液中自组装的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳 米机械必须具有自组装、自我复制等功能
纳米机器人
1990年，美国贝尔实验室成功地制造出了极其微小的纳米机 器人。这种只有跳蚤般大小的机器人由许多齿轮等零件、涡轮 机和微型电脑组成，其零件小得犹如空气中漂浮的尘埃。该纳 米机器人在当年美国麻省理工学院举办的科技博览会上一亮相， 就引起了人们的极大的兴趣。
DNA生物计算机
DNA含有大量的遗传密码——基因，这些基因通过生物化学反应传递着遗 传信息，并可以一代传给一代。DNA计算机将利用DNA分子这些独特的遗传 信息传递方式来实现计算机的计算功能。
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，从一种基因代码变为另一种基因代码。如果将反 应前的基因代码作为系统的输人数据，而将反应后的基因代码作为运算结果 的话，那么只要控制得当就可以利用这种反应过程制成DNA计算机。
分子齿轮
2000年2月，日本东京大学宣布，他们在世 界上首次研制成功可自由控制转速的分子齿轮。 该分子齿轮的结构由两个直径约为1nm的卟啉 分子夹着一个直径约为0.1nm的金属离子。如 将卟啉分子和金属离子放人一种溶液中，并对 溶液加热到特定的温度，就可以使卟啉分子和 金属离子组合成分子齿轮。目前这种分子齿轮 只能分别单独旋转，倘若要构成一个齿轮传动 系统，就必须将多个分子齿轮按一定的方式组 合起来。
第六讲 纳米材料应用
普通的材料通过纳米化，能增添许多神奇 特性； 利用纳米化材料特殊性质，可以开发出难以计 数的新的元器件。
➢ 纳米技术在电子信息领域的应用 ➢ 纳米技术在生物医学领域的应用 ➢ 纳米技术在国防军事中的应用
一、纳米技术 在电子信息领域的应用
➢ 纳米技术发展的一个主要推动力来自于信息产业， 微电子器件薄、轻、小的客观要求与发展趋势，迫 使人们研究和使用纳米科技
➢ 纳米电子学的目标是将集成电路的几何尺度进 一步减小，超越目前发展的极限，因而使得该 功能密度和数据通过量率达到新的水平
➢ 如50年前，微电子器件取代真空电子管器件给 信息技术带来革命一样，纳米结构将再次给信 息技术硬件带来革命
纳米电路
➢ 1996年，美国耶鲁大学就首次完成了对单个分子的电学测量。 实验表明：电子在穿过分子时是一个一个依次通过的，这样， 流过分子的电子将不会产生相互作用和碰撞，分子也就不会 因电子在其间流动而发热。特定有机分子导电性的测量为研 制分子器件打下一定的基础
目前，美日欧和俄罗斯在生物计算机的原型器件和系统 方面进行了大量研究，取得了很大的进展，如美国和俄 罗斯研制的细菌视紫红蛋白质计算机处理器。该生物材 料具有非常独特的热，光，化学物理特性和良好的稳定 性，并且其奇的光学循环特性可以用于信息的储存，有 望代替当今计算机的信息处理和存储的作用。
美国在3～5年内能大批量生产这种计算机。生物计算机 的造价比半导体计算机的造价要低得多，因为它所用的 生物材料可利用通过基因技术改造后的细菌大量生产。
➢ 2000年底，英国成功地将有机分子形成的导线分别与纳米金 颗粒和金电极相连，组装成能承载电流的纳米电路。在这个 纳米电路中，纳米金颗粒和金电极之间连接了数十个有机分 子。这种纳米电路有望用于制造超大容量存储器件，应用于 将来的纳米计算机
计算机存储器
➢ 纳米存储器可以用单个的分子存储一个信息单位(bit)，并且可 以写、读和像计算机中的随机存储器一样用电子学的方法存取 信息，其外观和性能几乎完全和普通的计算机存储器一样，但 体积却小得多
生物计算机
生物计算机主要研究目标是寻找或创造一些特定的生物 分子，并期待这些生物分子能够更加快速地完成计算机的基 本运算和存储功能，代替目前的半导体计算机中央处理器 (CPU)和存储器。
蛋白质生物计算机 DNA生物计算机
蛋白质生物计算机
以蛋白质分子为材料制造的生物计算机，不仅体积 小，质量轻，能耗小，环境适应性强，而且运算速度和 信息储存能力比现有的计算机要高出数亿倍。同时具有 和人脑一样非常优越的分析，判断，联想，记忆等智能。
➢ 纳米器件或称量子器件是利用量子效应原理制成的， 它的尺寸在纳米级，具有更高的响应速度、更低的 功耗、更大集成度，同时器件还具有结构简单、可 靠性好、成本低的优点
➢ 现代电子学正经历一个从微电子学到纳米电子 学的发展时期，并引起新的电子技术革命，把 电子工业技术推向一个更高的阶段
➢ 用分子来存储信息的元器件研究很多，但多数分子存储器不是 采用单个的分子，而是分子团存储信息；而存储和读写的方式 也多采用光学方法。例用激光照射这些分子团，激发分子团发 光，以此实现信息的存储
➢ 1999年，耶鲁大学研制的分子存储器是选用一种十分特殊的 分子，它可以直接用电子学的方法存储和读取信息
生物分子计算机是人们长久以来的
梦想，它的实现将可以彻底实现当今计
算机无法真正实现的模糊推理功能和神
源自文库
经网络运算功能，而这些都是人工智能
的重大突破口之一。
分子马达
美国波士顿大学制造出了世界上一种最小的分 子马达。该马达仅由78个原子组成。几乎同时，日 本和荷兰的科学家也研制出另一种用太阳能驱动的 分子马达，它能在光的照射下连续不断地旋转。分 子马达将能够为未来的分子机械提供动力，为今后 开发和研制微小的分子机械奠定了一定的基础。
美国纽约大学研制出一台纳米机器人，其手臂是用两个DNA 分子制作的，可以自如地在固定的位置间旋转。最近，瑞典也 研制出一台微型医用机器人，由多层聚合物和黄金制成，外表 类似人的手臂，其手臂、肘部和腕部都十分灵活，有2～4个手 指，实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的 阶段。
基于分子反应的DNA计算机运算速度极快，它几天的运算量就可相当于计算 机问世以来世界上所有计算机的总计算量。另外，由于每个DNA分子都含有 大量的基因，因此DNA分子的存储容量十分巨大，如1m3的DNA溶液可存储 1万亿亿比特的数据，这将超过目前所有计算机存储器容量的总和。不仅如此， DNA计算机所消耗的能量却小的出奇，只有普通半导体计算机的10亿分之一。
图1 两种不同的分子在分子之间力的作用下在 溶液中自组装的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳 米机械必须具有自组装、自我复制等功能
纳米机器人
1990年，美国贝尔实验室成功地制造出了极其微小的纳米机 器人。这种只有跳蚤般大小的机器人由许多齿轮等零件、涡轮 机和微型电脑组成，其零件小得犹如空气中漂浮的尘埃。该纳 米机器人在当年美国麻省理工学院举办的科技博览会上一亮相， 就引起了人们的极大的兴趣。
DNA生物计算机
DNA含有大量的遗传密码——基因，这些基因通过生物化学反应传递着遗 传信息，并可以一代传给一代。DNA计算机将利用DNA分子这些独特的遗传 信息传递方式来实现计算机的计算功能。
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，从一种基因代码变为另一种基因代码。如果将反 应前的基因代码作为系统的输人数据，而将反应后的基因代码作为运算结果 的话，那么只要控制得当就可以利用这种反应过程制成DNA计算机。
分子齿轮
2000年2月，日本东京大学宣布，他们在世 界上首次研制成功可自由控制转速的分子齿轮。 该分子齿轮的结构由两个直径约为1nm的卟啉 分子夹着一个直径约为0.1nm的金属离子。如 将卟啉分子和金属离子放人一种溶液中，并对 溶液加热到特定的温度，就可以使卟啉分子和 金属离子组合成分子齿轮。目前这种分子齿轮 只能分别单独旋转，倘若要构成一个齿轮传动 系统，就必须将多个分子齿轮按一定的方式组 合起来。
第六讲 纳米材料应用
普通的材料通过纳米化，能增添许多神奇 特性； 利用纳米化材料特殊性质，可以开发出难以计 数的新的元器件。
➢ 纳米技术在电子信息领域的应用 ➢ 纳米技术在生物医学领域的应用 ➢ 纳米技术在国防军事中的应用
一、纳米技术 在电子信息领域的应用
➢ 纳米技术发展的一个主要推动力来自于信息产业， 微电子器件薄、轻、小的客观要求与发展趋势，迫 使人们研究和使用纳米科技
➢ 纳米电子学的目标是将集成电路的几何尺度进 一步减小，超越目前发展的极限，因而使得该 功能密度和数据通过量率达到新的水平
➢ 如50年前，微电子器件取代真空电子管器件给 信息技术带来革命一样，纳米结构将再次给信 息技术硬件带来革命
纳米电路
➢ 1996年，美国耶鲁大学就首次完成了对单个分子的电学测量。 实验表明：电子在穿过分子时是一个一个依次通过的，这样， 流过分子的电子将不会产生相互作用和碰撞，分子也就不会 因电子在其间流动而发热。特定有机分子导电性的测量为研 制分子器件打下一定的基础
目前，美日欧和俄罗斯在生物计算机的原型器件和系统 方面进行了大量研究，取得了很大的进展，如美国和俄 罗斯研制的细菌视紫红蛋白质计算机处理器。该生物材 料具有非常独特的热，光，化学物理特性和良好的稳定 性，并且其奇的光学循环特性可以用于信息的储存，有 望代替当今计算机的信息处理和存储的作用。
美国在3～5年内能大批量生产这种计算机。生物计算机 的造价比半导体计算机的造价要低得多，因为它所用的 生物材料可利用通过基因技术改造后的细菌大量生产。
➢ 2000年底，英国成功地将有机分子形成的导线分别与纳米金 颗粒和金电极相连，组装成能承载电流的纳米电路。在这个 纳米电路中，纳米金颗粒和金电极之间连接了数十个有机分 子。这种纳米电路有望用于制造超大容量存储器件，应用于 将来的纳米计算机
计算机存储器
➢ 纳米存储器可以用单个的分子存储一个信息单位(bit)，并且可 以写、读和像计算机中的随机存储器一样用电子学的方法存取 信息，其外观和性能几乎完全和普通的计算机存储器一样，但 体积却小得多
生物计算机
生物计算机主要研究目标是寻找或创造一些特定的生物 分子，并期待这些生物分子能够更加快速地完成计算机的基 本运算和存储功能，代替目前的半导体计算机中央处理器 (CPU)和存储器。
蛋白质生物计算机 DNA生物计算机
蛋白质生物计算机
以蛋白质分子为材料制造的生物计算机，不仅体积 小，质量轻，能耗小，环境适应性强，而且运算速度和 信息储存能力比现有的计算机要高出数亿倍。同时具有 和人脑一样非常优越的分析，判断，联想，记忆等智能。