生物醫學納米技術張宇zhangyu@生物科學與醫學工程學院第二講：納米科技發展及遠景

《生物醫學納米技術》RichardP.Feynman人工度RichardP.Feynman（Dec.1959,ASP)：

我認為，物理學的原理并不排斥用一個一個地安排原子來制造東西。這樣作并不違反任何定理，因而在原則上是可以實現的。它在實踐中迄今未實現是因為我們太大了。如果我們能按照自己的愿望一個一個地安排原子，將會出現什么這些物質將有什么性質？這是十分有趣的理論問題。雖然我不能精確回答它，但我決不懷疑當我們能在如此小的尺度上進行操縱時，將得到具有大量獨特性質的起源。

HeinrichRohrer(1933-)GerdKarlBinnig(1947-)XenononNickel(110)IrononCopper(111)NanoLetter操縱化學反應納米科技大事記１９５９年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據人類意愿，逐個地排列原子，制造產品，這是關于納米技術最早的夢想。

七十年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想，１９７４年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工。

１９８２年，科學家發明研究納米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發展產生了積極促進作用。

１９９０年７月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生。

１９９１年，碳納米管被人類發現，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的１０倍，成為納米技術研究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關以及納米級電子線路等。

１９９３年，繼１９８９年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文名字、１９９０年美國國際商用機器公司在鎳表面用３６個氙原子排出“ＩＢＭ”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。

１９９７年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在２０年后研制成功速度和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。

１９９９年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀錄。

到１９９９年，納米技術逐步走向市場，全年納米產品的營業額達到５００億美元。

近年來，一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰略高地。日本設立納米材料研究中心，把納米技術列入新５年科技基本計劃的研發重點；德國專門建立納米技術研究網；美國將納米計劃視為下一次工業革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從１９９７年的１．１６億美元增加到２００１年的４．９７億美元。物質尺度用特殊尺度空間的物質來改變人們的認識！不同尺寸和形狀的金納米粒子具有不同的熔點500不同尺寸和形狀的銀納米粒子具有不同的光學性質4nm納米棒（4nm*40nm）金納米粒子的光學性質隨粒子的間距而變化17.5-0nm不同尺寸的鈷納米粒子具有不同的磁學性質(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量子點小于10nmCdSe納米晶TEM照片納米科技在納米尺度內（1-100nm)控制物質,創造特定功能的材料、器件和系統在納米尺度內（1-100nm)，探測物質的結構與性能在納米尺度內（1-100nm)，認識物質的物理、化學和生物學性質變化的規律，加以利用納米物理學納米化學納米材料學納米加工學納米測量學納米機械學納米電子學納米生物學納米醫學。。。Nano-XIT(InformationTech.)和BT(BioTech.)持續發展的基礎（NanoTech.)：

支持硅芯片持續發展（≤10nm)與可能的替代技術：納芯片

支持BT的基礎之一：納米尺度內操縱基因社會和經濟可持續發展的要求：省材料、能源和空間

?PC數量以100%速度增長，2010年時PC年耗電

3600billionKWh=美國2000年全年發電量

?2020年中國將有3.5億臺PC.大的市場和高利潤驅動為什么要發展納米科技？(1)創建的新材料、新器件發現獨特的性質、現象和過程----對自然的深入理解多學科的交叉領域

Living/non-living;Relevanceareas---morechances

為什么要發展納米科技？(2)納器件：納電子、納光電子、納傳感器、納存儲及納顯示器件納電子器件與微電子的關系：繼承、相容、互補、互動Si-基MOSFET器件有超過40~50years的發展時期，它將不斷地發展技術、優化性能、降低成本，是不可被替代的。2.發展納電子或納光電子器件必須考慮新的工作原理，實現高性能、低成本的目標。Moore'sLawContinues4004808080868008Pentium?Processor486?DXProcessor386?Processor286Pentium?IIProcessorPentium?IIIProcessorItanium?ProcessorGoal:Over1billiontransistorsby2005Pentium?4ProcessorItanium?2ProcessorStanford/IBMITRSCMOS器件的挑戰性問題Si-MOSFET極限GateLength<10nm電子隧穿引起誤差線路電容的延遲熱積累引起性能惡化熱和量子漲落誤差

納米器件的集成和與微電子系統的聯結單芯片的超級計算機15年？能源：太陽能的廣泛利用:

thenanorod-polymersolarcell(courtesyP.Alivisatos,Univ.California,Berkeley;andNanosys,Inc.).transmissionelectronmicrographofaCdSenanorodatthebottomMC.Roco,5/17/04納生物傳感器和納米醫學氨基酸氨基酸測序雙螺旋蛋白質亞組元蛋白質多重組合不同結構的綜合檢測植入器官納米材料吸附原子、分子的簧振動頻率變化可檢測單個原子或生物分子納米生物傳感器-全民健康網的基礎集成微納器件對人體的物理、化學和生命指標遠程檢測和治療Tang/DARPABioFlips細胞內的多個基因改變導致癌癥，納米技術將實現更早期的發現和預防2015？10m

YearX

YearY

現在mm早期發現和診斷惡性腫瘤和轉移Prevention發現和診斷Prevention現狀目標

挑戰:減少癌癥的病痛和死亡—2015

“AVisionNotaDream!”byusingnanotechnology,Av.Eschenbach,NCI

靶向藥物、饑餓療法、熱療納米技術在水處理方面的應用納米技術給環境治理帶來巨大的進步BAWSIIISmartDust100mmNatureMaterials

2002,1,39-41.SmallLowPowerHighlydistributedCheap納米技術的生物安全性檢測、治理已存在的納米污染防止新的污染沙塵暴電焊汽車尾氣工廠廢氣CatalyticNanostructuresPrashantKamat,NotreDameDualroleofZnOsemicondouctorfilmasasensorandphotocatalystfortreatmentoforganicpollutants>300nmUVMultifunctionality,versatility,selectiv