纳米技术与纳米医学

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第十四讲

纳米技术与纳米医学

一、纳米科学技术简介

Nanoscale science & technology

人类对客观世界的认识分为两个层次：

一是宏观领域，二是微观领域。

宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体；

微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限的领域。

基本粒子：电子、质子、中子等；亚粒子：夸克。

介观领域：

在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女地”。三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的崭新的物理性能。

1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。

这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。

介观领域中产生以相干量子输运现象为主的介观物理，成为当今凝聚态物理学的热点。（导体与绝缘体的转变，磁性变化、纳米碳管导电性等）。

从广义上来说，凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系。

纳米体系和团簇就从这种介观范围独立出来，形成一个单独的领域（狭义的介观领域）。

20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究

在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、

分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。

纳米科学技术(Nano-ST)

创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。

要研究内容:

米科技研究的重要仪器

--扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM) M 的工作原理是：把极小的针尖和被研究的物质表面作为两个电极，当表面与针尖的距离非常小(<1nm)

时，在外电场作用下电子即会穿过两极绝缘层流向另一极，产生隧道电流，并通过反馈电路传递到计算机上表

来。

右图是荣获1986年诺

贝尔物理奖的扫描隧

道显微镜(STM )原理

示意图

STM 扫描模式示意图

（a）恒电流模式；（b）恒高度模式

S 为针尖与样品间距，I、Vb为隧道电流和偏置电压，Vz为控制针尖在z 方向高度的反馈电压。

扫描探针显微镜工作原理

Zhong Lin (ZL) Wang Younan

Xia

应用举例

纳米发电机

王中林教授成功地在纳米尺度下将机械能转换成电能，在世界上首次研制成功纳米发电机,能达到17％－30％的发电效率。

王中林巧妙的利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质，在原子力显微镜的帮助下，研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置－纳米发电机。

他们利用氧化锌纳米线容易被弯曲的特性而在纳米线内部外部分别造成压缩和拉伸。同时，竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构，同时具有半导体性能和压电效应。

过ZnO 纳米线将纳米机械能转换为电能的实验设计图。A)在α-Al 2O 3基片生长的ZnO 纳米线的扫描照片；B)ZnO 纳米线的透射照片；C)以导电性的子力显微镜(AFM)探针使ZnO 纳米线产生变形，从而根据压电效应产生电的示意图。

Wang ZL, Song JH. Science, 2006, 312: 242

驱动的纳米发电机。A)纳米发电机结构示意图，在聚合物和固体基片上生长的ZnO 线阵列上覆盖了一层Z型电极；B)生长在GaN基片上ZnO纳米线阵列，以Au作为催；C)在电极上覆盖200nm的Pt后经过激光刻蚀得到的不均匀Z型电极表面；D)纳米截面的扫描照片图。

Wang XD, Song JH, Liu J, Wang ZL. Science, 200 102

超声驱动下ZnO纳米线发生变形，从而由于压电效应产生电压的示意

哈佛大学国际纳米技术领军人Charles Lieber教授高度评价说 “该工作是极其令人振奋的，因为它提出了解决纳米技术中一个极其要害问题的方案，那就是如何来实现许多研究组所发明的纳米器件的供电问题…在认识和解决该重大科学和技术问题上王教授充分发挥了他的原创性，那就是利用他所先创的氧化锌纳米线来实现把力能转换为电能”。

•Younan Xia

haped controlled synthesis of gold and siliver nanoparticles •硝酸银在乙二中进行还原应，PVP结构指剂

米科学在医学方面的应用

在诊断方面的应用

遗传病诊断

纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现儿细胞。美国科学家用纳米SiO2微粒很容易将怀孕8星期左右妇女的血样中极少量细胞分离出来,并能准确地判断是否有遗传缺陷；不需要进行羊水穿刺。目前美国

。目前美国已项技术应用于临床诊断中。

2、生化检查

利诺依大学迈尔·斯特拉诺

ichael Strano)的研究组

研究用碳纳米管验血。

理：给纳米管涂上一层酶，它就能在有糖的环境下制造过氧化氢，然后发电子流，当激发的电子流与红外线接触会发出光照——这是纳米管的种独特反应。

碳纳米管有奇异的

电学和光学特性

威工科大学的研究人员,利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中肿胞的分离；利用纳米微粒进行细胞分离技术很可能在肿瘤早期从血液中出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。

病理学诊断

肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力显微镜(atomic ce microscope，AFM)可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通rce microscope

寻找特异性的异常纳米级结构改变，以解决肿瘤诊断的难题。