纳米科技课件

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1、第五章、纳米科技与人类生活第五章、纳米科技与人类生活 前言前言仿生学的潜力仿生学的潜力 蜘蛛丝的纳米尺度奥秘蜘蛛丝的纳米尺度奥秘壁虎飞檐走壁的奥秘壁虎飞檐走壁的奥秘 超坚韧的碳纳米管（超坚韧的碳纳米管（CNT）纤维）纤维 应用广泛的应用广泛的DNA芯片芯片 自清洁、自消毒的纳米表面材料自清洁、自消毒的纳米表面材料 DNA计算机计算机 方兴未艾的纳米科技方兴未艾的纳米科技 纳米组装机和网络生产纳米组装机和网络生产纳米科技前言前言 纳米科技不仅对国家安全和社会发展有着巨大的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。本章前影响，而且与人类生活也有着密切的关系。本

2、章前三节以仿生学为线索介绍大自然中有趣的纳米现象。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。合领域，纳米组装机和网络生产。 纳米科技5.1 仿生学的潜力仿生学的潜力 在在征征服服大大自自然然的的奋奋斗斗中中，人人类类从从接接触触生生物物，认认识识生生物物中中常常常常受受到到生生物物界界的的启启发发。许

3、许多多发发明明创创造造便便由由这这些些启启发发而而产产生生。例例如如，传传说说中中鲁鲁班班因因上上山山砍砍柴柴被被带带锋锋利利小小齿齿的的野野草草划划破破了了手手指指受受到到启启发发而而发发明明锯锯子子；鹰鹰击击长长空空，鸟鸟飞飞千千里里激激起起了了人人类类的的飞飞天天梦梦，发发明明了了飞飞机机，航航天天飞飞船船和和人人造造地地球球卫卫星星；潜潜水水艇艇、军军舰舰和和巨巨大大的的海海轮轮的的外外壳壳都都模模拟拟了了鲸鲸鱼鱼的的流流线线型型体体形形等等等等。生生物物界界在在亿亿万万年年的的进进化化中中，形形成成了了许许多多特特有有的的导导航航、识识别别、计计算算、生生物物合合成成和和能能量量转转

4、换换系系统统，其其小小巧巧性性、灵灵活活性性、快快速速性性、高高效效性性、可可靠靠性性和和抗抗干干扰扰性性都都令令人人惊惊叹叹不不已已。人人类类把把寻寻觅觅新新技技术术原原理理的的部部分分眼眼光光转转向向了了生生物物界界，于于是是“仿仿生生学学”作作为为一一门门学学科科就就在在上上世世纪纪60年年代代应应运运而而生生了了。仿仿生生学学“bionics”一一词词是是1960年年由由美美国国人人斯斯蒂蒂尔尔根根据据拉拉丁丁字字“bios”(“生生命命方方式式”的的意意思思)和和词词尾尾“nic”（“具具有有的的性性质质”的的意意思思）构构成成的的。他他认认为为“仿仿生生学学就就是是研研究究以以模模

5、仿仿生生物物系系统统的的方方式式、或或是是以以具具有有生生物物系系统统特特征征的的方方式式、或或是是以以类类似似于于生生物物系系统统方方式式工工作作的的系系统统的的科科学学”。 仿生学研究的内容主要有：仿生学研究的内容主要有：纳米科技力学仿生力学仿生如模仿贝壳的如模仿贝壳的“大跨度薄壳大跨度薄壳”结构等结构等的静力学和生物体的运动力学；的静力学和生物体的运动力学； 分子仿生分子仿生如模仿生物体中酶的作用，生物大分如模仿生物体中酶的作用，生物大分子的合成；子的合成； 能量仿生能量仿生如模仿生物器官中的化学能转化为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；机械能等能量转换过程； 信息与控

6、制仿生信息与控制仿生亦称神经仿生，如模仿神经亦称神经仿生，如模仿神经网络、高级智能活动中的信息处理。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、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。工程技术的交叉科学。 纳米科技 纳纳米米科科技技的的发发展展将将揭揭开开生生物物系系统统的的结结构构特特征征在在纳纳米米尺尺度度上上的的许许多多奥奥秘秘，同同样样将将给给人人

7、类类无无限限的的启启迪迪，又又给给分分子子仿仿生生学学注注进进了了新新的的活活力力，分分子子仿仿生生学学将将是是纳纳米米科科技技与与分分子子生生物物学学结结合合的的科科学学。分分子子仿仿生生学学将将在在纳纳米米层层次次上上研研究究、模模仿仿生生物物体体的的特特殊殊结结构构、细细胞胞生生命命过过程程的的各各个个环环节节，以以分分子子水水平平上上的的生生物物学学原原理理为为参参考考原原型型，研研制制、设设计计各各种种各各样样的的可可在在纳纳米米尺尺度度上上进进行行控控制制的的“纳纳米米机机器器人人”，开开发发建建筑筑学学、医医学学、军军事事科科学学、纺纺织织业业、农农业业、环环保保事事业业及及人人

8、民民日日常常生生活活等等所所需需要要的的材材料料或或功功能能器器件件。本本章章仅仅介介绍绍两两例例，以以体体会会分分子子仿仿生生学学在在21世纪可能为人类带来的巨大影响。世纪可能为人类带来的巨大影响。纳米科技5.2 蜘蛛丝的纳米尺度奥秘蜘蛛丝的纳米尺度奥秘 大大家家都都见见过过蜘蜘蛛蛛和和蜘蜘蛛蛛网网吧吧，都都见见过过蜘蜘蛛蛛怎怎样样捕捕获获猎猎物物吧吧。在在树树丛丛、草草丛丛、旧旧屋屋子子等等处处的的一一个个什什么么角角落落里里，蜘蜘蛛蛛织织好好一一张张大大网网，就就躲躲在在一一边边“守守株株待待兔兔”，静静候候误误入入歧歧途途的的小小飞飞虫虫。只只要要一一只只糊糊里里糊糊涂涂的的小小飞飞虫

9、虫撞撞到到蜘蜘蛛蛛网网上上，它它就就被被粘粘住住了了，再再也也无无法法逃逃遁遁。求求生生的的本本能能使使那那只只被被粘粘住住的的小小飞飞虫虫还还要要挣挣扎扎一一番番，这这种种“震震动动”很很快快就就被被蜘蜘蛛蛛腿腿上上的的振振动动感感受受器器发发现现了了，闻闻讯讯后后蜘蜘蛛蛛立立刻刻赶赶往往“出出事事”地地点点。等等见见到到“美美味味”时时，蜘蜘蛛蛛干干的的第第一一件件事事是是用用它它那那象象喷喷壶壶样样的的有有许许多多小小喷喷嘴嘴的的丝丝囊囊喷喷出出许许多多丝丝将将这这只只倒倒霉霉的的、自自投投罗罗网网的的飞飞虫虫捆捆绑绑牢牢，然然后后用用毒毒牙牙咬咬住住猎猎物物注注射射麻麻药药，待待被被麻

10、麻醉醉的的“美美味味”不不动动了了，蜘蜘蛛蛛才才悠悠哉哉悠悠哉哉地地饱饱食食一顿美餐。一顿美餐。 蜘蜘蛛蛛网网具具有有自自然然界界里里独独一一无无二二的的悬悬索索结结构构（图图1），能能造造出出这样的结构，关键在于蜘蛛丝具有特异的性能。这样的结构，关键在于蜘蛛丝具有特异的性能。纳米科技图图1 1 具有悬索结构的蜘蛛网具有悬索结构的蜘蛛网 纳米科技5.2.1 蜘蛛丝的弹性与韧性为什么都好？蜘蛛丝的弹性与韧性为什么都好？ 蜘蛛丝虽细，但承受的张力可达蜘蛛丝虽细，但承受的张力可达3克重，即使拉伸克重，即使拉伸10倍以倍以上也不会断掉，它的强度是同样粗细的钢丝的上也不会断掉，它的强度是同样粗细的钢丝的

11、5倍，它是强度倍，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。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

12、好的奥秘最近被美国加利福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“弹簧弹簧”。当它被拉伸时，象。当它被拉伸时，象“弹簧弹簧”一样会竭力返回原来的长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。种性能同样十分惊人。 纳米科技5.2.2 种豆得瓜种豆得瓜 由由于于蜘蜘蛛蛛丝

13、丝的的特特性性，它它是是制制造造外外科科手手术术缝缝合合线线和和防防弹弹背背心心的的理理想想材材料料。但但是是蜘蜘蛛蛛和和蚕蚕不不同同，很很难难进进行行大大规规模模的的人人工工饲饲养养，而而要要在在化化工工厂厂中中造造出出有有蛛蛛丝丝特特性性的的人人造造纤纤维维，人人类类目目前前的的技技术术与与工工艺艺均均无无可可能能。美美国国陆陆军军和和加加拿拿大大的的Nexia公公司司联联手手研研制制了了一一种种叫叫“生生物物钢钢材材”（Biosteel）的的人人造造蜘蜘蛛蛛丝丝。他他们们采采用用了了基基因因工工程程的的办办法法，将将蜘蜘蛛蛛的的基基因因植植进进入入山山羊羊细细胞胞的的DNA中中，培培育育

14、出出了了能能在在乳乳汁汁中中分分泌泌蜘蜘蛛蛛丝丝蛋蛋白白的的新新品品种种山山羊羊（图图2），使使“生生物物钢钢材材”的的大大规规模模生生产产成成为为可可能能。人人们们期期望望用用其其来来制制造造防防弹弹背背心心，或或组组合合成成牢牢固固的的复复合合材材料料用用于于宇宇航航和和汽汽车车工工业业。总总之之，基基因因工工程程让让我我们们“种豆得瓜种豆得瓜”了。了。纳米科技图图2 能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊 纳米科技阅读材料：阅读材料： 长得很象未必有长得很象未必有、长得不象未必没有亲缘关系长得不象未必没有亲缘关系 为为什什么么“种种瓜瓜得得瓜瓜，种种豆豆得得豆豆

15、”？为为什什么么在在地地球球上上，不不论论小小到到病病毒毒、细细菌菌，还还是是大大到到植植物物、动动物物、人人类类，到到处处可可见见子子代代基基本本上上继继承承了了父父母母代代的的特特征征？经经典典遗遗传传学学不不能能令令人人信信服服地地解解决决这这个个一一直直困困惑惑人人类类的的问问题题。分分子子生生物物学学才才使使人人类类不不再再仅仅仅仅依依靠靠推推断断、建建立立假假设设来来研研究究生生命命现现象象，而而能能从从遗遗传传物物质质的的分分子子水水平平上上来来揭揭示示生生命命现现象的本质。象的本质。 人人类类基基因因组组计计划划完完成成后后，美美国国国国家家基基金金会会开开始始支支持持一一项项

16、“巨巨科科学学”计计划划。“巨巨科科学学”计计划划又又称称为为“生生命命之之树树”计计划划，它它想想干干的的事事是是希希望望用用DNA分分析析的的方方法法将将地地球球上上从从纳纳米米级级大大小小的的病病毒毒、微微米米级级大大小小的的细细菌菌到到心心脏脏和和轿轿车车一一般般大大小小的的蓝蓝鲸鲸，一一个个不不拉拉地地重重新新绘绘制制在在同同一一张张“树树状状图图谱谱”中中。分分类类学学作作为为一一门门正正式式科科学学是是瑞瑞典典植植物物学学家家卡卡罗罗勒勒斯斯林林奈奈在在18世世纪纪创创建建的的。林林奈奈最最初初的的做做法法是是根根据据植植物物的的外外观观：将将同同类类生生物物称称为为“种种”，相

17、相近近的的种种组组成成“属属”。这这一一系系统统使使科科学学家家能能够够将将新新发发现现的的动动植植物物也也根根据据其其外外观观进进行行分分类类编编目目。后后人人对对此此分分类类系系统统进进行行了了改改进进，又又加加上上将将生生物物的的形形态态和和结结构构作作为为分类的依据。最近的研究表明：长得很象，未必有亲缘关系。分类的依据。最近的研究表明：长得很象，未必有亲缘关系。纳米科技 DNA好好象象一一盘盘录录象象带带，它它储储存存了了自自然然界界中中生生命命形形式式从从最最低低级级到到最最高高级级的的全全部部演演化化资资料料。比比如如许许多多人人类类的的基基因因（当当然然不不是是全全部部）可可以以

18、在在酵酵母母菌菌中中找找到到对对应应的的基基因因，可可以以在在一一种种简简单单的的多多细细胞胞生生物物“线线虫虫”身身上上找找到到相相似似的的基基因因。记记得得有有本本书书中中对对人人说说：“你你们们走走完完了了从从虫虫到到人人的的路路，可可你你们们身身上上的的许许多多东东西西还还是是虫虫”（图图3）, 此此话话是是有有遗遗传传学学的的道道理理的的, 也也就就是是说说从从遗遗传传学学的的角角度度看看，全全世世界界的的人人都都是是虫虫的的传传人人。自自20世世纪纪80年年代代开开始始，人人类类已已用用DNA测测试试方方法法作作亲亲子子鉴鉴定定、追追踪踪罪罪犯犯，对对尸尸体体或或遗遗骸骸作作出出失

19、失踪踪者者鉴鉴定定。DNA分分析析手手段段强强有有力力的的原原因因有有三三点点：1）准准确确率率高高；2）DNA来来源源多多，容容易易取取样样。如如唾唾液液、血血液液、毛毛发发、精精液液和和骨骨骼骼内内都都有有；3）需需要要的的样样品品量量很很小小，个个别别情情况况下下甚甚至至有有一一个细胞就足够了。个细胞就足够了。 在动物世界里，到底谁与谁有亲戚关系？在动物世界里，到底谁与谁有亲戚关系？DNA测试的结测试的结果常常让我们大吃一惊。果常常让我们大吃一惊。 纳米科技图图3 长得不象，不一定没有亲缘关系长得不象，不一定没有亲缘关系纳米科技 有有种种鸟鸟叫叫“鸊鸊鷉鷉”（音音piti），身身体体矮矮

20、胖胖，其其貌貌不不扬扬，走走路路像像鸭鸭子子，叫叫声声像像鸭鸭子子，而而且且也也是是通通过过潜潜水水觅觅食食生生活活。总总之之，看看上上去去鸊鸊鷉鷉和和鸭鸭子子很很像像。但但DNA测测试试的的结结果果表表明明，鸊鸊鷉鷉和和鸭鸭子子没没有有亲亲缘缘关关系系。火火烈烈鸟鸟的的双双腿腿修修长长，羽羽毛毛的的颜颜色色鲜鲜艳艳，生生活活习习性性是是用用它它的的长长嘴嘴滤滤取取水水中中的的食食物物，真真看看不不出出长长得得“酷酷”的的火火烈烈鸟鸟和和丑丑八八怪怪的的鸊鸊鷉鷉有有什什么么共共同同之之处处，更更想想象象不不到到的的是是在在几几千千万万年年前它们的祖先居然是一家子。前它们的祖先居然是一家子。 用

21、用DNA分分析析方方法法已已揭揭示示出出，鲸鲸鱼鱼与与河河马马和和海海豚豚曾曾是是一一家家子子，鲸鲸鱼鱼的的祖祖先先与与河河马马，甚甚至至于于和和奶奶牛牛、绵绵羊羊等等家家畜畜有有较较近近的的亲亲缘缘关系，都出人意料之外。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（图隐瞒了事情的真相（图4 4）。）。 纳米科技图图4 4 长得象，不一定有亲缘关系长得象，不一定有亲缘关系 纳米科技 长长久久以以来来，动动物物学学家家一一直直将将黑黑猩猩猩猩、猩猩猩猩和和大大猩猩猩猩归归为为同同一一类类群群称称为为“

22、类类人人猿猿”，同同时时认认为为人人类类是是这这棵棵生生物物系系统统树树上上的的一一个个旁旁支支。现现在在根根据据DNA测测试试的的结结果果，研研究究分分析析发发现现：虽虽然然黑黑猩猩猩猩与与猩猩猩猩长长得得很很象象，但但黑黑猩猩猩猩与与猩猩猩猩和和大大猩猩猩猩的的亲亲缘缘关关系系没没有有黑黑猩猩猩猩与与人人类类的的亲亲缘缘关关系系近近，人人类类98%以以上上的的DNA居居然然与与黑黑猩猩猩猩是是相相同同的的。所所以以，人人不不过过是是黑黑猩猩猩猩中中的的“帅帅哥哥”，是是长相长相“酷酷”毙了的黑猩猩而已。毙了的黑猩猩而已。 当当然然，一一位位先先哲哲说说得得好好，世世上上没没有有两两片片相相

23、同同的的树树叶叶，即即使使是是人人间间的的双双胞胞胎胎兄兄弟弟或或姐姐妹妹也也不不是是完完全全相相同同的的。问问题题是是：为为什什么么基基因因完完全全一一样样，在在遗遗传传特特征征上上还还有有不不同同呢呢？从从分分子子生生物物学学目目前前的的认认识识来来看看，大大概概有有两两个个方方面的原因：面的原因：纳米科技1）人人体体大大约约有有3万万多多种种基基因因，每每种种基基因因都都能能控控制制生生成成大大量量不不同同种种类类的的蛋蛋白白质质，而而且且控控制制生生成成的的蛋蛋白白质质不不仅仅种种类类不不同同，连连数数量量也也有有很很大大的的差差别别，即即两两个个人人可可能能具具有有完完全全一一样样的

24、的基基因因，但但两两人人体体内内的的蛋蛋白白质质的的种种类类与与数数量量却却相相去去甚甚远远，结结果果就就造造成成了了他他们们在在遗遗传传特特征征的的不不同同。究究竟竟那那些些种种类类的的基基因因能能导导致致这这个个问问题题呢呢？迄迄今今人人类类对对此此还还知知道道得得不不多多。都都是是分分子子生生物物学学未未来来的任务。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，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。若已有平均的出错概率为万分之一左右。

25、若已有“例外例外”的的“等外等外品品”在复制中又出现在复制中又出现“例外例外”， 而且如果这样的复制中的错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。物学未来的任务。 纳米科技 不不过过我

26、我们们有有一一点点是是明明确确的的：这这种种在在复复制制中中出出错错的的事事有有好好、坏坏两两重重性性。好好处处是是造造成成了了物物种种的的多多样样化化；坏坏处处是是可可能能产产生生动动、植植的的疾疾病病，给给人人类类与与病病菌菌，特特别别是是与与病病毒毒的的斗斗争争带带来来了了很很大大的的麻麻烦烦，病病毒毒的的多多变变性性使使人人类类难难以以彻彻底底的的免免疫疫啊！啊！纳米科技5.3 壁虎飞檐走壁的奥秘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。全世界约虎，旧名守宫。全世界约20种，我国产种，我国产8种（图

27、种（图5 56） 。图图5 5 世上有会飞的壁虎，你知道吗？世上有会飞的壁虎，你知道吗？ 纳米科技图图6 6 壁虎及其脚趾的英姿壁虎及其脚趾的英姿 纳米科技 壁壁虎虎以以捕捕食食蚊蚊、蝇蝇、飞飞蛾蛾等等小小昆昆虫虫为为食食，白白天天潜潜伏伏于于壁壁缝缝、瓦瓦角角下下、橱橱柜柜后后面面等等隐隐蔽蔽处处，夜夜晚晚才才外外出出觅觅食食。一一个个晚晚上上，一一只壁虎能吞噬许多小害虫，对人类有益。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，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，每秒的速度可它能在垂直的墙壁甚

28、至光滑的玻璃上迅速爬行，每秒的速度可高达高达1米。若问米。若问“壁虎为什么能飞檐走壁？壁虎为什么能飞檐走壁？”， 人们会不加思人们会不加思索地回答，索地回答，“因为壁虎的脚下有吸盘因为壁虎的脚下有吸盘”。在过去的少年儿童科。在过去的少年儿童科普读物中是这样来解释的：普读物中是这样来解释的：“它前后肢的每一个指、趾上，都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

29、由地跑来跑去，甚至附住身体，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。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，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结构的“眼睛眼睛”，我们可以从纳米尺度上来了解壁虎飞檐走壁，我们可以从纳米尺度上来了解壁虎飞檐走壁的奥秘了。的奥秘了。 纳米科技 几几年年前前美美国国科科学学家家揭揭开开了了谜谜底底：壁壁虎虎能能在在垂垂直直的的墙墙壁壁甚甚至至光光滑滑的的玻玻璃璃上上爬爬行行主主要

30、要靠靠分分子子之之间间的的范范德德瓦瓦尔尔斯斯（van der Waals）引引力力，此此种种分分子子引引力力是是中中性性分分子子间间的的距距离离非非常常近近时时产产生生的的剩剩余余电电磁磁相相互互作作用用，是是由由于于它它的的脚脚的的特特殊殊的的微微米米纳纳米米结结构构造造成成的的(图图7)，从从图图可可见见，壁壁虎虎的的每每只只脚脚底底部部长长着着数数百百万万根根极极细细的的刚刚毛毛，刚刚毛毛的的长长度度仅仅零零点点一一毫毫米米左左右右(图图8)。而而每每根根刚刚毛毛末末端端又又有有一一千千多多根根顶顶部部呈呈刮刮铲铲状状的的更更细细的的分分支支毛毛，每每根根分分支支毛毛的的直直径径与与毛

31、毛间间距距都都是是几几百百纳纳米米。这这种种精精细细的的结结构构使使得得壁壁虎虎与与墙墙壁壁或或玻玻璃璃表表面面的的分分子子间间的的距距离离非非常常近近，从从而而产产生生分分子子引引力力。虽虽然然每每根根刚刚毛毛产产生生的的力力微微不不足足道道，但但几几十十亿亿个个着着力力点点累累积积起起来来就就很很可可观观。据据估估算算，一一根根刚刚毛毛能能够够提提起起一一只只蚂蚂蚁蚁的的重重量量，而而一一百百万万根根刚刚毛毛虽虽然然总总面面积积不不到到一一角角钱钱小小硬硬币币的的面面积积，但但可可以以提提起起二二十十公公斤斤的的重重量量。如如果果壁壁虎虎同同时时使使用用全全部部刚刚毛毛，就就能能够够支支持

32、持一一百百二二十十五五公公斤斤重重的的物物体体。实实际际上上，壁壁虎虎只只需需用用一一只只脚脚趾趾，就就能能够支撑持整个身体。够支撑持整个身体。纳米科技图图7 壁虎的脚底部壁虎的脚底部长着数百万根极细的刚毛长着数百万根极细的刚毛 图图8 壁虎的每根刚毛末端又有一千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多根顶部呈刮铲状的更细的分支毛纳米科技 按理说，我们把手掌贴到墙上时，手掌与按理说，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，壁上。为什么此事未发生过呢？道理很简单，当我们的手掌

33、贴到墙上时，顶多只有数千个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，所以手掌不会接触点，总的分子引力太小，所以手掌不会被吸附到墙壁上被吸附到墙壁上 。纳米科技阅阅读读材材料料 阅阅读读材材料料 阅阅读读材材料料 你想当蜘蛛人吗？你想当蜘蛛人吗？ 在在美美国国科科幻幻片片蜘蜘蛛蛛人人中中，男男主主角角凭凭着着蜘蜘蛛蛛丝丝飞飞檐檐走走壁壁，勇勇救救佳佳人人。你你能能象象他他那那样样去去攀攀登登高高楼楼或或山山峰峰吗吗？你你忌忌妒妒他他的的那那身身本本领领吗吗？大大可可不不必必，因因为为过过不不了了几几年年你你就就能能有有蜘蜘蛛蛛人人的的本本领领了了。仿仿照照壁壁虎虎脚脚趾趾的

34、的纳纳米米结结构构和和工工作作原原理理，科科学学家家正正在在研研制制一一种种称称做做“壁壁虎虎带带”的的产产品品，希希望望把把绒绒毛毛做做得得足足够够细细后后能能产产生生与与壁壁虎虎刚刚毛毛一一样样强强大大的的黏黏合合力力，使使人人们们依依靠靠它它可可在在光光滑滑的的天天花花板板上上疾疾步步如如飞飞。但但难难点点也也在在这这里里，人人造造的的“壁壁虎虎带带”很很难难像像壁壁虎虎脚脚那那样样巧巧夺夺天天工工，很很难难在在23平平方方厘厘米米的的小小面面积积上上做做出出几几十十亿亿根根绒绒毛毛，而而且且还还要要求求绒绒毛毛不不打打结结。一一种种解解决决的的办办法法是是，把把“壁壁虎虎带带”的的面面

35、积积做做大大些些，以以达达到到产产生生的的总总分分子子引引力力能能支支撑撑起起人人的的重重量量。另另外外还还得得寻寻找找一一种种特特殊殊化化的的耐耐用用物物质质，使使制制出出的的绒绒毛毛不不打打结结，又又使使绒绒毛毛有有足足够够的的柔柔韧韧性性，能能保保证证粘粘到到任任何何物物体体的的表表面面。不不过过技技术还远未成熟，离取得成功还有段路要走。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。招助成功一臂之力。 纳米科技阅阅读读材材料料 范德瓦尔斯力的物理本质范德瓦尔斯力的物理本质 关关于于这这

36、个个力力，其其实实也也有有个个认认识识过过程程。过过去去是是这这样样解解释释的的（注注：在在一一些些著著作作中中，现现在在可可能能还还这这么么解解释释），中中性性的的原原子子、分分子子因因内内部部运运动动产产生生瞬瞬间间电电矩矩，因因而而有有电电 场场 ， 而而 引引 发发 范范 德德 瓦瓦 尔尔 斯斯 力力 。 卡卡 西西 米米 尔尔 （ H. Casimir）认认为为范范德德瓦瓦尔尔斯斯力力实实际际上上源源于于量量子子世世界界中中普普遍遍存存在在的的真真空空零零点点能能(图图9)，并并由由此此导导出出了了与与距距离离的的七七次次方方成成反反比比的的公公式式，定定量量地地解解释释了了范范德德

37、瓦瓦尔尔斯斯力力。1958年年有有人人已已用用实实验验证证实实了了卡卡西西米米尔尔的的理理论论。关关于于“量量子子世世界界”的的规规律律，关关于于“真真空空零零点点能能”，都都不不是是三三言言两两语语能能解解释释清清楚楚的的。作作者者之之一一曾曾参参加加过过关关于于卡卡西西米米尔尔效效应应的的研研究究工工作作，并并猜猜想想该该力力将将在在微微观观世世界界和和生生命命现现象象中中有有重重要要效效应应。有有兴兴趣趣的的同同学学可可先先记记下下“卡卡西西米米尔尔效效应应”和和“真真空空零零点点能能”这这些些古古怪怪的的名名词词，有有机机会会时再深入探讨吧。时再深入探讨吧。纳米科技图图9 9 量子世界

38、中普遍存在的真空零点能可产生量子世界中普遍存在的真空零点能可产生“卡西米尔卡西米尔”效效应应 纳米科技 问题与思考问题与思考 1 苍蝇与蚊子也均能垂直地停留在光滑的玻璃上，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。其中的奥秘尚未完全揭开。你有什么猜测吗？你有什么猜测吗？ 纳米科技5.4 超坚韧的碳纳米管超坚韧的碳纳米管(CNT)纤维纤维 1994年年在在东东京京的的一一次次欢欢迎迎英英国国卡卡文文迪迪许许实实验验室室主主任任的的电电镜镜科科学学报报告告会会上上，中中国国有有位位研研究究人人员员有有幸幸看看到到饭饭岛岛澄澄男男展展示示的的他他发发现现碳碳纳纳米米管管（CN

39、T）的的电电镜镜照照片片，印印象象颇颇为为深深刻刻。在在CNT中中碳碳原原子子间间的的化化学学键键合合比比在在金金刚刚钻钻中中还还要要强强。它它的的圆圆柱柱状状结结构构使使得得CNT特别地坚固。特别地坚固。自自从从CNT发发现现以以来来一一直直是是研研究究热热点点，并并且且已已取取得得多多个个纳纳米米科科技技的的闪闪光光点点，例例由由CNT构构建建的的纳纳米米晶晶体体管管和和其其它它分分子子水水平平的的电电子子器器件件。但但单单独独的的CNT是是很很微微小小的的，其其直直径径为为纳纳米米级级，长长为为微微米米级级。为为了了制制备备更更大大尺尺度度的的材材料料，CNT需需聚聚合合在在一一起起。要

40、要从从缠缠绕绕的的CNT中中抽抽出出长长丝丝，组组成成纤纤维维会会遇遇到到许许多多问问题题，正正如如纺纺丝丝过过程程一一样样。最最近近事事情情有有了了突突破破，美美国国Texas大大学学（UTD）的的鲍鲍曼曼（Baughman）教教授授等等，运运用用了了化化学学技技巧巧，利利用用化化学学试试剂剂可可以以将将单单壁壁的的CNT粘粘合合起起来来纺纺织织成成CNT纤纤维维，具具有有100米米长长和和大大约约50微微米米直直径径的的真真正正意意义义上上的的纤纤维维。这这种种新新纤纤维维是是超超乎乎寻寻常常的的坚坚韧，比同样重量及长度的钢丝要强韧，比同样重量及长度的钢丝要强20倍。倍。纳米科技 已已经经

41、用用该该纤纤维维制制造造超超级级电电容容器器和和纺纺织织了了衣衣服服织织品品。CNT纤纤维维的的坚坚韧韧性性几几乎乎是是用用于于制制备备防防弹弹衣衣的的Kevlar纤纤维维的的17倍倍。鲍鲍曼曼和和他他的的合合作作者者还还指指出出了了其其它它可可能能的的用用途途，综综合合了了它它的的电电学学和和力力学学特特性性。CNT纤纤维维纺纺织织品品还还能能用用作作传传感感器器，电电子子学学连连接接点点和和电电磁磁屏弊。屏弊。 自自1996年年以以来来，我我国国中中科科院院物物理理所所，北北京京大大学学、清清华华大大学学与与中中科科院院沈沈阳阳金金属属所所的的科科学学家家们们在在定定向向CNT，最最长长、

42、最最细细的的CNT的的制制备备方方面面也也开开展展了了研研究究，并并相相继继在在Science, Nature 上上发发表表文文章章，特特别别是是大大量量制制备备单单壁壁CNT方方面面，还还取取得得了了美美国国专专利。利。 最最近近IBM宣宣布布开开发发成成功功世世界界上上最最小小的的CNT单单分分子子发发光光元元件件（Science,2 May,2003），这这将将推推进进CNT在在纳纳米米电电子子工工程程和和光光元元件领域的应用研究。件领域的应用研究。 上上述述这这些些进进展展，无无疑疑是是CNT研研究究和和应应用用的的突突破破，也也是是纳纳米米科科技的重大进展。技的重大进展。纳米科技5.

43、5 应用广泛的应用广泛的DNA芯片芯片 随随着着社社会会的的飞飞速速发发展展和和人人民民生生活活水水平平的的极极大大提提高高，人人们们越越来来越越关关心心自自身身的的健健康康状状况况，希希冀冀寿寿命命更更长长、希希冀冀生生命命质质量量更更高高。因因此此，人人们们最最期期盼盼知知道道的的莫莫过过于于自自身身内内部部的的生生命命信信息息了了。家家族族遗遗传传了了什什么么? 自自己己将将来来得得癌癌症症的的危危险险性性多多大大?哪哪些些环环境境因因素素对对自自己己生生命命影影响响最最大大?甚甚至至想想了了解解眼眼前前体体内内生生理理代代谢谢的的总总体体状状况况如如何何? 等等等等。在在今今后后几几年

44、年内内，这这些些大大量量的的与与人人体体健健康康和和人人口口优优生生密密切切相相关关的的生生命命信信息息都都将将能能通通过过一一种种称称作作“DNA芯芯片片”的新技术快速而方便地获得。的新技术快速而方便地获得。 DNA芯芯片片(或或称称基基因因芯芯片片)是是近近年年来来在在高高新新科科技技领领域域内内出出现现的的最最具具时时代代特特征征的的重重大大进进展展。它它是是一一门门物物理理学学、微微电电子子学学与与生生命命科科学学交交叉叉综综合合的的高高新新技技术术，它它具具有有重重大大的的基基础础研研究究学学术术价价值值，又又有有产产业业化化的的前前景景，已已成成为为科科技技界界、企企业业界界和和科

45、科技技管管理部门的关注热点。理部门的关注热点。纳米科技什什么是么是DNA芯片芯片 DNA芯芯片片或或称称作作基基因因芯芯片片(Gene chips)，实实质质上上是是一一种种高高密密度度的的寡寡聚聚核核苷苷酸酸(DNA探探针针)阵阵列列。它它采采用用在在位位组组合合合合成成化化学学和和微微电电子子芯芯片片的的光光刻刻技技术术或或其其他他方方法法将将大大量量特特定定序序列列的的DNA片片段段(探探针针)有有序序地地固固化化在在玻玻璃璃或或硅硅衬衬底底上上；构构成成储储存存有有大大量量生生命命信信息的息的DNA芯片。芯片。 DNA芯芯片片有有可可能能首首次次将将人人类类的的全全部部基基因因集集约约

46、化化地地固固化化在在1平平方方厘厘米米的的芯芯片片上上，目目前前已已达达到到的的密密度度是是40万万个个探探针针芯芯片片，每每个个探探针针间间的的空空间间尺尺度度是是1020微微米米在在与与待待测测样样品品DNA作作用用后后，即即可可检检测测到到大大量量相相应应的的生生命命信信息息，其其中中包包括括基基因因识识别别与与鉴鉴定定、基因突变和基因表达等等。基因突变和基因表达等等。 目目前前，DNA芯芯片片不不作作为为分分子子的的电电子子器器件件，也也不不作作为为DNA计计算算机机用用，主主要要起起生生命命信信息息的的储储存存和和处处理理的的功功能能。但但正正是是基基于于它它的的对对生生命命信信息息

47、进进行行平平行行处处理理的的原原理理，可可利利用用其其快快速速、高高效效、同同时时地地获获取取空空前前规规模模的的生生命命信信息息，DNA芯芯片片很很有有可可能能成成为为今今后后生生命科学研究和医学诊断中革命性的新方法（图命科学研究和医学诊断中革命性的新方法（图10） 。纳米科技图图10 DNA芯片原理图芯片原理图 纳米科技DNA芯片的应用芯片的应用初初始始的的DNA芯芯片片主主要要作作基基因因鉴鉴定定识识别别或或基基因因点点突突变变的的研研究究；随随着着DNA芯芯片片制作技术的发展，芯片密度不断提高，大大扩展了其应用领域，主要如下：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

48、如下：1生物医学、分子生物学基础研究生物医学、分子生物学基础研究寻寻找找基基因因与与疾疾病病(癌癌、传传染染病病、常常见见病病和和遗遗传传病病)的的相相关关性性，进进而而可可发发展展相相应应药药物物和和治治疗疗，其其中中癌癌症症的的研研究究更更为为重重要要，可可探探测测抑抑制制肿肿瘤瘤基基因因(如如P53)的的变变异异，已已知知60的的癌癌症症患患者者的的P53有有突突变变；或或对对影影响响面面最最广广的的一一些些致致癌癌基基因因如如乳腺癌乳腺癌(BRCAI)、肺癌等进行多基因扫描。、肺癌等进行多基因扫描。2人类基因组研究人类基因组研究(Genome) 可可开开展展基基因因表表达达活活性性和和

49、大大规规模模的的基基因因变变异异多多态态性性研研究究。应应用用定定制制的的DNA芯芯片片可同时监测千百个基因甚至全部基因。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将来的医学临床诊断一一旦旦弄弄清清疾疾病病与与基基因因的的相相关关性性，DNA芯芯片片即即可可提提供供高高效效的的简简便便的的诊诊断断手手段段。在在一一些些涉涉及及多多基基因因分分析析的的诊诊断断中中，DNA芯芯片片的的高高密密度度信信息息量量和和平平行行处处理理的的优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。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。纳米科技DNA芯片技术的展望芯片

50、技术的展望 DNA芯芯片片技技术术将将不不断断地地向向更更高高密密度度的的方方向向发发展展，恰恰如如微微电电子子芯芯片片一一样样。权权威威人人士士估估计计，几几年年内内DNA芯芯片片空空间间分分辨辨率率将将达达到到1微微米米水水平平如如果果有有需需要要和和可可能能的的话话，DNA芯芯片片将将由由目目前前的的微微米米级级向向亚亚微微米米乃乃至至纳纳米米级级的的方方问问发发展展，相相应应的的检检测测技技术术也也将将由由目目前前的的共共聚聚焦焦荧荧光光显显微微术术向向包包括括扫扫描描近近场场光光学学显显微微术术(SNOM)和和原子力显微术原子力显微术AFM在内的纳米显微术发展。在内的纳米显微术发展。

51、 DNA芯芯片片使使我我们们对对信信息息的的处处理理和和应应用用深深入入至至生生命命信信息息领领域域，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。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，在写美国幸福杂志载文指出，在写20世纪科技史时有两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。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；另一件则是是

52、DNA芯片，它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断芯片，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和治疗，极大地提高人口素质和健康水平在21世纪，世纪，DNA芯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。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。 纳米科技信信 息息 窗窗 实用例子：实用例子： 监测自来水受污染程度的基因芯片监测自来水受污染程度的基因芯片 日日本本久久保保田田公公司司最最近近开开发发出出利利用用基基因因芯芯片片检检测测自自来来水水是是否否受到致病微生物污染的技术。受到致病微生物污染的技术。 这这种种基基因因芯芯片片检

53、检测测法法主主要要针针对对会会引引起起人人腹腹泻泻甚甚至至死死亡亡的的隐隐胞胞子子虫虫。这这种种微微生生物物表表面面有有坚坚硬硬的的蛋蛋白白质质外外壳壳，常常用用的的氯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。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。 久久保保田田公公司司的的技技术术是是将将能能与与隐隐胞胞子子虫虫的的基基因因相相结结合合的的基基因因片片断断固固定定在在芯芯片片表表面面，如如果果被被检检测测的的样样本本中中合合有有隐隐胞胞子子虫虫，它它们们的的基基因因和和芯芯片片上上的的基基因因片片断断结结合合在在一一起起，芯芯片片就就会会发发出出荧荧光光。基基因因

54、芯芯片片检检测测法法能能从从基基因因水水平平上上检检到到出出有有害害微微生生物物，准确而简便。准确而简便。纳米科技图图 11 监测自来水监测自来水 纳米科技信信息息窗窗 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新华华社社墨墨西西哥哥城城2003年年7月月18日日电电 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

55、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。 纳米科技 这这种种芯芯片片被被称称作作”Verichip”，在在墨墨西西哥哥的的古古均均安安装装费费用用为为175美美元元，每每年年的的保保养养费费用用为为48.5美美元元。产产品品发发布布会会上上墨墨西西哥哥众众多多医医疗疗和和保保安安机机构构表表现现出出浓浓厚厚的的兴兴趣趣。据据称称，这这种种芯芯片片可可以以帮帮助助医医护护人人员员和和警

56、警察察在在发发生生事事故故后后对对死死伤伤者者的的身身份份或或健健康康历历史史迅迅速速进进行行确确认认，尤尤其其在在绑绑架架活活动动频频繁繁的的墨墨西西哥哥城城，反反绑绑架架警警察察可可以以借借助助卫卫星星定位系统与芯片来确定被绑架者的方位。定位系统与芯片来确定被绑架者的方位。 阿阿塞塞韦韦斯斯说说：”去去年年我我们们曾曾经经尝尝试试在在美美国国上上市市，但但遇遇到到法法律律上上的的问问题题。美美国国食食品品和和药药物物管管理理局局以以芯芯片片中中含含有有非非医医学学信信息息为为由由迟迟迟迟不不批批准准上上市市，因因此此我我们们选选择择了了墨墨西西哥哥，在在这这里里我我们们可可以以合合法法销销

57、售售。”阿阿塞塞韦韦斯斯预预测测，产产品品推推出出第第一一年年，墨墨西西哥哥将将有有近近1万万人人成成为为植植入入芯芯片片使使用用者者，全全国国70的的医医疗疗机机构构将将配配备备读读取取芯芯片片数数据据的的扫描装置。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数据解决方案公司以”测试使用测试使用”为由将其应用到人体。但此举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。争论。 纳米科技5.6 自清洁、自消毒的

58、纳米表面材料自清洁、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），应用实例见图1313，在有中间符号的地方应用了纳米涂，在有中间符号的地方应用了纳米涂层，明显具有抗擦功能。层，明显具有抗擦功能。 图图12 12 纳米表面涂层示意纳米表面涂层示意图图 纳米科技图图13 13 抗摩擦的纳米表面涂层抗摩擦

59、的纳米表面涂层 纳米科技 精精细细的的纳纳米米涂涂层层一一般般是是由由三三种种成成分分构构成成的的复复合合物物组组成成（见见图图14中中的的卡卡通通人人）即即最最底底一一层层是是粘粘着着层层，中中间间是是结结合合粘粘着着成成分分和和顶顶端端表表面面成成份份的的纳纳米米颗颗粒粒，而而最最上上层层（红红伞伞表表示示的的）是是功功能能成成份份。经经含含二二氧氧化化钛钛纳纳米米颗颗粒粒表表面面涂涂层层处处理理过过的的物物体体表表面面则则具具有有自自清清毒毒的的功功能能，因因为为二二氧氧化化钛钛纳纳米米颗颗粒粒经经紫紫处处光光照照后后能能有有光光催催化化反反应应，可可杀杀菌菌，分分解解甲甲醛醛等等有有害

60、害气气体体，是是绿绿色色环环保保技技术术，在在厨厨房房、卫卫生生间间、食食品品工工厂厂、医医院院等等处处均均有有广广泛泛应应用用价价值值和和市市场场。倘倘若若最最顶顶层层（红红伞伞层层）换换成成铟铟锡锡氧氧化化物物纳纳米米晶晶粒粒（ITO）则则该该表表面面涂涂层层具具有有透透明明、导导电电（防防静静电电）和和热热吸吸收收（防防红红外外）的的特特性性，在在电电视视显显示示屏屏幕幕、计计算算机机显显示示屏屏、大大屏屏玻玻璃璃幕幕墙墙等等方方面面均均有有重重要要应应用用（见图（见图15）。）。纳米科技图图14 14 纳米涂层的纳米涂层的“三明治三明治”结构结构 纳米科技图图1515 纳米涂层的应用纳

61、米涂层的应用 纳米科技信信息息窗窗 疏水和双疏界面材料的应用前景疏水和双疏界面材料的应用前景 除除了了作作高高楼楼大大厦厦外外墙墙的的涂涂料料，将将疏疏水水界界面面涂涂料料用用在在室室外外天天线线上上，可可以以防防积积雪雪，以以保保证证高高质质良良地地接接收收信信号号；双双疏疏界界面面涂涂料料用用在在海海轮轮上上，具具有有抗抗腐腐蚀蚀作作用用，其其性性能能可可以以优优于于目目前前所所用用的的钛钛白白粉粉或或纳纳米米钛钛白白粉粉涂涂料料；将将它它用用于于运运送送石石油油的的输输油油管管中中，可可以以防防止止石石油油对对输输油油管管道道壁壁的的粘粘附附，从从而而减减少少石石油油在在运运输输过过程程

62、中中的的损损失失，并并防防止止了了输输油油管管堵堵塞塞事事故故；将将它它用用于于潜潜水水艇艇外外壳壳上上，可可减减小小水水的的阻阻力力，提提高高行行驶驶速速度度；用用来来修修饰饰防防织织品品，可可制制成成永永远远干干净净的的领领带带、丝巾和服装等等丝巾和服装等等。纳米科技资资料料 中中科科院院化化学学所所科科学学家家模模拟拟荷荷叶叶表表面面结结构构，研研制制出出双双疏疏表表面材料面材料荷荷叶叶表表面面和和水水滴滴底底部部的的正正切切线线之之间间形形成成的的夹夹角角往往往往会会超超过过140度度，有有时时甚甚至至于于达达到到170度度。这这样样荷荷叶叶与与水水滴滴的的接接触触面面积积就就会会大大

63、大大地地减减少少。加加上上表表面面张张力力的的作作用用，水水滴滴在在荷荷叶叶上上就就形形成成了了一一个个个个自自由滚动的水珠。由滚动的水珠。 中中科科院院化化学学所所科科学学家家制制备备了了一一种种“仿仿荷荷叶叶列列阵阵碳碳纳纳米米管管膜膜”，其其形形貌貌非非常常类类似似于于荷荷叶叶的的结结构构。膜膜的的表表面面也也是是由由许许多多大大小小不不等等的的乳乳突突组组成成，乳乳突突的的尺尺寸寸范范围围在在15微微米米，平平均均大大小小约约3微微米米，乳乳突突之之间间的的间间距距范范围围在在110微微米米之之间间，平平均均间间距距约约6微微米米。每每个个乳乳突突是是由由许许多多直直径径为为40纳纳米

64、米左左右右的的碳碳纳纳米米管管组组成成的的。当当水水滴滴落落在在碳碳纳纳米米管管膜膜上上，测测出出的的接接触触角角为为166度度，其其疏疏水水效效果果非非常常接接近近于于荷荷叶叶。在在取取得得成成功功的的基基础础上上，他他们们用用具具有有微微米米结结构构的的乳乳突突和和纳纳米米结结构构的的精精细细结结构构相相结结合合，又又制制备备具具有有岛岛状状结结构构和和蜂蜂房房式式结结构构的的列列阵阵碳碳纳纳米米管管膜膜。测测试试的的接接触触角角均均大大于于160度度，这这也也是是一一种种疏水表面的碳纳米管膜。疏水表面的碳纳米管膜。纳米科技5.7 DNA计算机计算机 DNA分分子子是是大大自自然然经经历历

65、几几十十亿亿年年进进化化的的产产物物，它它是是遗遗传传信信息息的的载载体体，既既高高效效又又稳稳定定，而而且且随随着着时时间间、空空间间的的变变化化相相应应地地控控制制着着生生命命过过程程。这这么么一一种种独独特特的的生生物物大大分分子子无无论论如如何何应应当当进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。一步发挥其信息处理的能力，成为一种最先进的信息技术。 迄迄今今所所有有电电子子计计算算机机都都是是基基于于布布尔尔代代数数，即即二二进进制制0，1代代码码方方式式。而而DNA分分子子是是由由四四种种代代码码：A、T、C、G四四种种碱碱基基构构成成的的，另另外外还还有有A-T；C-G

66、的的配配对对原原则则。DNA利利用用这这种种”四四代代码码”的的不不同同序序列列，可可以以存存储储大大量量的的生生命命信信息息，同同时时酶酶分分子子能能以以高高度度并并行行的的方方式式处处理理这这些些信信息息，像像现现代代的的并并行行计计算算机机似似的的。可可见见构构建建计计算算机机的的基基本本要要素素（代代码码，存存储储和和处处理理）DNA和和酶酶的的系系统统均均已已具具备备了了。最最近近，威威斯斯康康辛辛麦麦迪迪逊逊大大学学的的史史密密斯斯（L.M.Smith）小小组组利利用用基基因因芯芯片片实实现现了了DNA计计算算机机的的想想法法，示意图参见图示意图参见图16。纳米科技图图16 DNA

67、计算机示意图计算机示意图 纳米科技 DNA计计算算机机可可能能特特别别适适合合求求解解普普通通计计算算机机极极难难求求解解的的某某些些问问题题，例例推推销销员员行行走走路路线线问问题题等等；但但要要使使DNA计计算算机机实实用用化化要要克克服服的的困困难难还还很很多多，例例如如，怎怎么么将将DNA计计算算系系统统与与常常规规接接口口联联接接通通讯讯的问题；的问题；DNA碱基配对错误导致计算错误高发率的问题等等。碱基配对错误导致计算错误高发率的问题等等。 最近以色列科学家最近以色列科学家E.麦皮诺利用少量麦皮诺利用少量DNA片段和酶类，制造片段和酶类，制造出了一台可自我驱动的分子计算机，能完成一

68、系列简单的运算，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（见图1717）。在一般运算方面，）。在一般运算方面，DNA计算机与普通计算机相比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。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计算机的优势可能在于怎么快速扫描DNA序列的个体差异，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计算机可能有朝一日会被广泛

69、用于监控和改善身体健康。康。 纳米科技图图1 17 分子计算机分子计算机 纳米科技5.8 方兴未艾的纳米科技方兴未艾的纳米科技纳纳米米科科技技自自1990年年诞诞生生以以来来，已已从从少少数数前前卫卫学学者者的的象象牙牙塔塔里里走走了了出出来来，受受到到社社会会广广泛泛的的重重视视和和认认真真对对待待。特特别别近近年年来来，在在纳纳米米电电子子学学方方面面的的进进展展，更更增增加加了了人人们们期期望望在在今今后后1015年年内内实实现现纳纳米米科科技技的的实实用用化化，并并将将形形成成为为一一个个年年产产出出约约1万万亿亿美美元元的的大大产业。产业。 再再进进一一步步的的发发展展，可可能能是是

70、要要逐逐步步实实现现纳纳米米科科技技的的最最高高目目标标，直直接接操操纵纵一一个个个个原原子子、分分子子构构造造有有特特殊殊功功能能的的纳纳米米器器件件；就就是是说说要要发发明明实实用用的的纳纳米米组组装装机机（Nano Assembly Machine）。分分子子纳纳米米技技术术的的先先驱驱者者德德雷雷克克斯斯勒勒早早在在1986年年就就对对这这类类”组组装装机机”有有过过在在很很大大程程度度上上带带有有幻幻想想成成份份的的设设想想。这这里里我我们们要要讨讨论论的的是是比比较现实的纳米组装机。较现实的纳米组装机。5.8.1 第一步的纳米组装机第一步的纳米组装机 利用类似利用类似STM、AFM

71、这样的仪器就能操纵单个原子、分子这样的仪器就能操纵单个原子、分子（见图（见图1 18），而且现在微型的），而且现在微型的STM、AFM日渐成熟，这大概是日渐成熟，这大概是纳米组装机的第一代。纳米组装机的第一代。 纳米科技图图1 18 单原子操纵单原子操纵 纳米科技5.8.2 分子组装实例分子组装实例量子点的组装量子点的组装 这种由几百个原子构成的量子点，能够发射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装的基本要求，这类自组装模式是纳米组装的第二代二代。 纳米科技图图19

72、19 量子点的组装量子点的组装 纳米科技5.8.3 向生命学习向生命学习真正意义上的纳米组装机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，像核糖体就是根据在的纳米组装机，像核糖体就是根据mRNA的信息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（见图分子（见图2020）。向生命学习，向大自然学习，大）。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（装机将从装备少数几种原子（C

73、、H、N、O.）和分子（和分子（ CO2，氨基酸，核苷酸，氨基酸，核苷酸,-）的原料）的原料盒中取出一个个原子、分子组装成具有特定功能的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。呢？同学们不妨大胆思考一番。 纳米科技图图20 20 核糖体按照核糖体按照mRNAmRNA（紫色的）的信息制造蛋白质（金色的）（紫色的）的信息制造蛋白质（金色的） 纳米科技5.8.4 网络生产的新纪元网络生产的新纪元 在在本本课课程程第第1.2章章节节中中同同学学们们或或许许还还记记得得在在信信息息技技

74、术术与与纳纳米米技技术术的的交交叉叉处处，我我们们标标着着纳纳米米电电子子学学，实实际际还还有有更更深深的的含含意意，即即网网络络技技术术与与纳纳米米技技术术的的交交叉叉、综综合合网网络络化化的的纳纳米米组组装装生生产产。这这是是纳纳米米组组装装机机的的进进一一步步发发展展，这这是是一一个个真真正正可可与与大大自自然然比比肩肩的的发发明明创创造造！纳纳米米科科技技与与信信息息技技术术相相结结合合的的典典型型例例子子即即网网络络STM（STM即即扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜）。1999年年，中中科科院院上上海海原原子子核核研研究究所所单单分分子子探探测测和和操操纵纵实实验验室室实实现现了了网网络

75、络遥遥控控STM的的实实验验，2000年年又又与与上上海海爱爱建建纳纳米米科科技技发发展展有有限限公公司司合合作作完完成成了了Internet STM的的产产品品研研制制。网网络络STM的的实实现现提提示示了了网网络络生生产产的的可可能能性性；因因为为纳纳米米技技术术通通过过STM/AFM（AFM即即原原子子力力显显微微镜镜）实实现现了了对对单单个个原原子子、分分子子的的操操纵纵，排排布布，原原则则上上实实现现了了直直接接由由原原子子、分分子子制制造造有有特特定定功功能能的的器器件件（产产品品）的的理理想想；与与第第二二代代网网络络技技术术的的结结合合，即即使使生生产产网网络络化化成成为为可可

76、能能。这这种种全全新新的的生生产产模模式式将将是是又又一一次次工工业业革革命命的的特特征征。将将它它与与现现存存的的生生产产模模式式相比较，主要差别如下图表：相比较，主要差别如下图表：纳米科技表表 1 网络生产的基本原理及与现存生产模式的比较网络生产的基本原理及与现存生产模式的比较 现存生产模式现存生产模式 网络生产模式网络生产模式 产品分解为各个部件产品分解为各个部件在在装装配配流流水水线线上上将将各各个个部部件装配成产品件装配成产品实现了大规模的标准化生产实现了大规模的标准化生产生生产产线线上上的的蓝蓝领领工工人人人人数数多多于于白领研发人员白领研发人员软软件件编编制制，“纳纳米米操操纵纵

77、器器”研研制制的的白白领领科科研研人人员员占占主主导导，蓝蓝领领工工人人大大为为减减少少，正正象象工工业业革革命命导导致致农业人口急剧下降的现象一样。农业人口急剧下降的现象一样。实实现现了了无无界界域域的的网网络络化化生生产产，跨跨国国公公司司将将升升华华为为物物质质生生产产的的主主体体。（反反垄垄断断、世世界界多多极极化化更更为为必必要要。更更为为迫迫切切。）通通过过因因特特网网，操操纵纵基基于于STM/AFM的的“纳纳米米操操纵纵器器”或或纳纳米米组组装装机机构建纳米器件构建纳米器件将将产产品品分分解解为为（制制造造过过程程的的）软件软件纳米科技汽车生产装配线汽车生产装配线 下载了一个定制

78、下载了一个定制的手机的手机 有人预测：至有人预测：至2020或或2030年，我们从因特网上不仅能下载软年，我们从因特网上不仅能下载软件，而且能下载硬件（产品）件，而且能下载硬件（产品） 。纳米科技信信 息息 窗窗 图图 21 网络网络SPM框图框图 纳米科技信信 息息 窗窗 图图22 2000年年10月月德德国国U.Haitmann教教授授在北京参观网络在北京参观网络STM的实时表演的实时表演 Remote Control Scanning Probe Microscope Based on the Internet 网络网络SPMSPM是一种既能观察又能操纵的纳米科技工具，网络是一种既能观察又能操纵的纳米科技工具，网络SPM是纳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。米技术和网络技术的结合，并且很容易转化为网络生产。 纳米科技