纳米技术在生物医学的应用(论文)已排版

第一篇：纳米技术在生物医学的应用(论文)已排版

纳米技术在生物医学的应用

林雪莹

职业技术学院

暖通101班

201036630115

摘要:

纳米技术与生物化学、分子生物学整合将对21世纪的生物医学产生深刻的影响。它将利用生物大分子进行物质的组装、分析与检测技术的优化、并将药物靶向性与基因治疗等研究引入微型、微观领域，用纳米生物技术检测是否患有癌症只用几个细胞。

关键词:

纳米技术；纳米生物学；DNA技术

最近美国《商业周刊》列出了21世纪可能取得重大突破的三个领域：一是生命科学和生物技术；二是从外星球获取能源；三是纳米技术。所谓纳米技术(Nanotechnology)是指在小于100 nm的量度范围内对物质和结构进行制造的技术，其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术在新世纪将推动信息技术、生物医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，将极大的影响人类的生活，衣、食、住、行、医疗等方面。本文将围绕纳米技术给21世纪的生物医学可能带来影响作一概述。纳米生物学的研究对象

有人把在纳米尺度(水平)上研究生命现象的生物学叫做纳米生物学。纳米结构通常指尺寸在1 nm～100 nm范围的微小结构。1纳米等于10-9m，即1m的十亿分之一。我们知道，细胞具有微米(10-6m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。纳米技术在生物医学方面的应用

2.1 测量和控制生物大分子

纳米技术与扫描探针显微镜(Scanning probe microscopes,SPMs)相结合，便具有了观察、制造原子水平物质结构的能力，为生物医学工作者提供了直接在亚细胞水平或分子水平研究生命现象的应用前景。扫描探针显微镜是指利用扫描探针的显微技术，常用的有扫描隧道显微镜(STM,它是Scanning Tunneling Microscope的简称)和 原子力显微镜(AFM,它是Atomic Force Microscope的简称)。STM的原理是利用电子隧道效应测量探针和样品间微小的距离，又将探针沿样品表面逐点扫描，从而得到样品表面各点高低起伏的形貌。当探针和样品表面间的距离非常近达到一个纳米时，同时在它们之间施加适当电压，在它们之间会形成隧道电流，这就是电子隧道效应。这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，使原子从探针上脱落。如此反复进行，最后便按设计要求“堆砌”出各种微型构件。

Hafner(1999)报道了碳纳米管的制备方法，整个过程如同用砖头盖房子一样。隧道电流的大小和探针与表面间的距离有关，因此通过隧道电流的测量可以确定这距离的值。STM观测的样品要有导电性，用AFM就没有这种要求。AFM的原理是用探针的针尖去“触摸”样品表面，将探针沿表面逐点扫描，针尖随着样品表面的高低起伏作上下运动。用光学方法精确测量针尖这种上下运动，就可以得到样品表面高低起伏的图像。用AFM还可以测量分子间作用力的大小以及不同环境中分子间作用力大小的变化。扫描探针显微镜又是操作生物大分子的工具。用它们可以扭转或拉伸生物大分子，从而研究单个生物大分子的运动学特性。STM和AFM在平行于样品表面的方向上的空间分辨率达到0.1 nm。已知样品中原子间距离的量级是0.1 nm，所以STM和AFM的空间分辨率达到了分辨单个原子的水平。它的时间分辨率取决于要扫描的样品范围和像素点数目，用它们测量固定观测点时，时间分辨率达到ns甚至ps，扫描一幅面积是10 nm×10 nm的样品时，中等象素密度的时间分辨率约是1秒。显而易见，利用STM、AFM等技术，好象使用“纳米笔”一样，可以操纵原子分子，在纳米石版印刷术中构造复杂的图形和结构。

2.2 磁性纳米粒子的应用

德国学者报道了含有75%～80%铁氧化物的超顺磁多糖纳米粒子(200～400 nm)的合成和物理化学性质。将它与纳米尺寸的SiO2相互作用，提高了颗粒基体的强度，并进行了纳米磁性颗粒在分子生物学中的应用研究。试验了具有一定比表面的葡聚糖和二氧化硅增强的纳米粒子。在下列方面与工业上可获得的人造磁珠作了比较：DNA自动提纯、蛋白质检测、分离和提纯、生物物料中逆转录病毒检测、内毒素清除和磁性细胞分离等。例如在DNA自动提纯中，用浓度为25 mg/mL的葡聚糖 nanomag R和SiO2增强的纳米粒子悬浊液，达到了≥300 ng/ μL的DNA型1～2 KD的非专门DNA键合能力。SiO2增强的葡聚糖纳米粒子的应用使背景信号大大减弱。此外，还可以将磁性纳米粒子表面涂覆高分子材料后与蛋白质结合，作为药物载体注入到人体内，在外加磁场2125×103/π(A/m)作用下，通过纳米磁性粒子的磁性导向性，使其向病变部位移动，从而达到定向治疗的目的。例如10～50 nm的Fe3O4的磁性粒子表面包裹甲基丙烯酸，尺寸约为200 nm，这种亚微米级的粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌症的诊断和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少。

2.3 纳米脂质体—仿生物细胞的药物载体

脂质体（Liposome)是一种定时定向药物载体，属于靶向给药系统的一种新剂型。20世纪60年代，英国Bangham AD首先发现磷脂分散在水中构成由脂质双分子层组成的内部为水相的封闭囊泡，由双分子磷脂类化合物悬浮在水中形成的具有类似生物膜结构和通透性的双分子囊泡称为脂质体。70年代初，Rahman YE等在生物膜研究的基础上，首次将脂质体作为酶和某些药物的载体。纳米脂质体作为药物载体的优点：①由磷脂双分子层包封水相囊泡构成，与各种固态微球药物载体相区别，脂质体弹性大，生物相容性好；②对所载药物有广泛的适应性，水溶性药物载入内水相，脂溶性药物溶于脂膜内，两亲性药物可插于脂膜上，而且同一个脂质体中可以同时包载亲水和疏水性药物；③磷脂本身是细胞膜成分，因此纳米脂质体注入体内无毒，生物利用度高，不引起免疫反应；④保护所载药物，防止体液对药物的稀释，及被体内酶的分解破坏。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。对脂质体表面进行修饰，譬如将对特定细胞具有选择性或亲和性的各种配体组装于脂质体表面，以达到寻靶目的。以肝脏为例，纳米粒子—药物复合物可通过被动和主动两种方式达到靶向作用：当该复合物被Kupffer细胞捕捉吞噬，使药物在肝脏内聚集，然后再逐步降解释放入血液循环，使肝脏药物浓度增加，对其它脏器的副作用减少，此为被动靶向作用；当纳米粒子尺寸足够小约100～150 nm且表面覆以特殊包被后，便可以逃过Kupffer细胞的吞噬，靠其连接的单克隆抗体等物质定位于肝实质细胞发挥作用，此为主动靶向作用。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。

纳米粒作为输送多肽与蛋白质类药物的载体是令人鼓舞的，这不仅是因为纳米粒可改进多肽类药物的药代动力学参数，而且在一定程度上可以有效地促进肽类药物穿透生物屏障。纳米粒给药系统作为多肽与蛋白质类药物发展的工具有着十分广泛的应用前景。

2.4 DNA纳米技术和基因治疗

DNA纳米技术(DNA nanotechnology)是指以DNA的理化特性为原理设计的纳米技术，主要应用于分子的组装。DNA复制过程中所体现的碱基的单纯性、互补法则的恒定性和专一性、遗传信息的多样性以及构象上的特殊性和拓扑靶向性，都是纳米技术所需要的设计原理。现在利用生物大分子已经可以实现纳米颗粒的自组装。将一段单链的DNA片断连接在13 nm直径的纳米金颗粒A表面，再把序列互补的另一种单链DNA片断连接在纳米金颗粒B表面，将A和B混合，在DNA杂交条件下，A和B将自动连接在一起。利用DNA双链的互补特性，可以实现纳米颗粒的自组装。利用生物大分子进行自组装，有一个显著的优点：可以提供高度特异性结合，这在构造复杂体系的自组装方面是必需的。

美国波士顿大学生物医学工程所Bukanov等研制的PD环(PDloop)(在双链线性DNA中复合嵌入一段寡义核苷酸序列)比PCR扩增技术具有更大的优越性；其引物无须保存于原封不动的生物活性状态，其产物具有高度序列特异性，不像PCR产物那样可能发生错配现象。PD环的诞生为线性DNA寡义核苷酸杂交技术开辟了一条崭新的道路，使从复杂DNA混合物中选择分离出特殊DNA片段成为可能，并可能应用于DNA纳米技术中。

基因治疗是治疗学的巨大进步，质粒DNA插入目的细胞后，可修复遗传错误或可产生治疗因子(如多肽、蛋白质、抗原等)。利用纳米技术，可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞；将质粒DNA浓缩至50～200 nm大小且带上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵；而最后质粒DNA插入细胞核DNA的准确位点则取决于纳米粒子的大小和结构。此时的纳米粒子是DNA本身所组成，但有关它的物理化学特性尚有待进一步研究。

2.5 纳米细胞分离技术

20世纪80年代初，人们开始利用纳米微粒进行细胞分离，建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术。其基本原理和过程是：先制备SiO2纳米微粒，尺寸大小控制在15～20 nm,结构一般为非晶态，再将其表面包覆单分子层。包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定，一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层。这种SiO2纳米粒子包覆后所形成复合体的尺寸约为30 nm。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，适当控制胶体溶液浓度。第三步是将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，再通过离心技术，利用密度梯度原理，使所需要的细胞很快分离出来。此方法的优点是：①易形成密度梯度；②易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离。这是因为纳米SiO2微粒是属于无机玻璃的范畴，性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物细胞，也容易把它们分开。发展趋势

跨入21世纪后的未来二三十年，数学、化学、物理学等基础研究的进展将扩大纳米技术的应用范围，使纳米技术与物医学的联系更加紧密，其发展趋势是：①生体相容性好的钛合金等物质将逐步开发，并进入临床试验阶段；②纳米技术与分子生物学技术相结合，将有助于揭示生物大分子各级结构与功能的破译；③纳米生物技术将使药物的生产实现低成本、高效率、自动化、大规模，而药物的作用将实现器官靶向化； ④纳米生物技术应用于分子之间的相互作用、分子复合物和分子组装的研究将在病毒结构、细胞器结构细节和自身装配机制上取得进展；⑤纳米生物技术将使生物活性分子诊断、检测技术向微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时、遥距、动态、功能性和智能化的方向发展。

有人预测，二三十年后，医生使用纳米技术只需检测几个细胞就能判断出病人是否患上癌症或判断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期左右，在血液中开始出现非常少量的胎儿细胞，用纳米微粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。【参考文献】

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外医学生物医学工程分册，1999

第二篇：纳米技术及其应用论文

纳米技术及其在机械工业中的应用

摘要：主要介绍了纳米技术的内涵、主要内容及纳米技术在微机械和包装、食品

或总称为微型电动机械系统（MEMS），用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等。MEMS使用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。

（3）纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间相互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。

（4）纳米电子学包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光／电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。“更快”是指响应速度要快。“更冷”是指单个器件的功耗要小。但是“更小”并非没有限度。

3．纳米技术在机械工业中的应用

3．1纳米技术在微机械领域中的应用

随着纳米技术应用途径的不断拓宽，微机械的开发在全世界方兴未艾。例如，进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为两种：一是通过微加工和固态技术，不断将产品微型化；二是以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品。3．1．1采用微加工技术制造纳米机械

（1）微细加工。日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui 型），可实现5轴控制，数控系统最小设定单位是1nm（10－3μm）。该机床设有编码器半闭环控制，还有激光全息式直线移动的全闭环控制。编码器与电机直联，具有每周6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0．2 nm，编码器反馈单位为1／3 nm，故跟踪误差在±1／3 nm以内。直线分辨率为1 nm，跟踪误差在±3 nm以内。CNC装置采用FANUC－16i，实现AInano轮廓控制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服放大器，实现了微细加工。

（2）微型机器人。在工业制造领域，微型机器人可以适应精密微细操作，尤其在电子元器件的制造方面。美国迈特公司的研究人员最近设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人，这种机器人的长度约为5mm。研究人员称，假设能利用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小，其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本三菱公司也开发了一种微型工业机器人，该机器人采用了5节闭式连杆机构，以实现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及精度完全可以赶上专用机器人。往复上下方向25 mm，水平方向100 mm的拾取动作，所需时间缩短到0．28 s。另外，通过采用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了比以往机器人高10％的位置重复精度（±5 nm），可适用于精密微细操作。我国在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成绩。据媒体报道，由哈尔滨工业大学研制的机器人，其操作精度达到了纳米级，可以应用于分子生物学基因操作，能够对细胞和染色体进行“手术”，并能在微电子、精密加工等精度要求较高的领域一显身手。（3）微型电机。美国俄亥俄州克利夫西

卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实验室，专门研究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电动机，小到只能在显微镜下才能看得见。德国汽车零件制造商博士公司正在研制纳米技术传感器，这种传感器将为人们提供关于汽车上每个零部件在三维空间中运动的精确信息。当微型传感器探测到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。3．1．2采用自组装技术制造纳米机械

（1）生物器件。以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选作生物芯片，利用蛋白质可制成各种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇根韦思大学医学院生物分子信息小组，利用细菌视紫红质（简称BR蛋白质）和发光染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子集成膜，这是一种可使分子周围的势场得到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大学也利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。

（2）纳米分子电动机。美国IBM公司瑞士苏黎士实验室与瑞士巴塞尔大学的研究人员发现DNA能够被用来弯曲直径不及头发丝的五十分之一的硅原子构成的“悬臂”。上下弯曲，顶端则粘有单股DNA链。DNA自然形成双螺旋结构，双链被分开后，它们会力图重新组合。当研究人员将带有单股DNA链的“悬臂”置于含有与之对应的单股DNA链的溶液中，这两个链就会自动配对结合在一起，小“悬臂”在这种力的作用下开始弯曲。研究人员利用这种生物力学技术制造带有纳米级阀门的微型胶囊（纳米分子电动机）。通过控制这种驱动力来控制阀门的开合，可以将精确剂量的药物传送到身体的需要部位来达到治疗的目的。3．2纳米技术在包装机械领域中的应用

采用纳米材科技术对包装机关键零部件（如轴承、齿轮、弹簧等）进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。碳纳米管还具有较高的机械强度和较高的热导率。由于具有非常大的长度—直径比，可以制造出任何复杂形状的零件，是复合材料理想的增强纤维。目前，用价格低廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已 走进企业，开始代替金属材料。现代胶印机上应用着很多传感器．如控制飞达纸堆的自动升降、气泵供气时间检测、合压时间检测、空张检测、墨量控制等。纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐磨性和耐蚀性，也可用于制作输送机械和沸腾干燥床关健部件的表面涂层。3．3纳米技术在食品机械领域中的应用

纳米SiC、Si3N4在较宽的波长范围内对红外线有较强的吸收作用，可用作红外吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纤维。纳米Si3N4非晶块具有从黄光到近红外光的选择性吸收，也可用于特殊窗口材料，以纳米SiO2做成的光纤对600 nm以上波长光的传输损耗小于10 dB／km，以纳米SiO2和纳米TiO2制成的微米级厚的多层干涉膜，透光性好而反射红外线能力强，与传统的卤素灯相比，可节省15％的电能。经研究证明，将30～40 nm的TiO2分散到树脂中制成薄膜，成为对400 nm波长以下的光有强烈吸收能力的紫外线吸收材料，可作为食品杀菌袋和保鲜袋最佳原料。纳米SiO2光催化降解有机物水处理技术无二次污染，除净度高，其优点是：①具有很大的比表面积，可将有机物最大限度地吸附在其表面；②具有更强的紫外线吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，可快速将吸附在其表面的有机物分解掉。这为污水处理量较大的食品企业提供了有力的技术支持。介孔固体和介孔复合体是近年来纳米材料科学领域较引人注目的研究对象，由于这种材料较高的孔隙率（孔洞尺寸为2～50 nm）和较高的比表面，因而在吸附、过滤和催化等方面有良好的应用前景。对纯净水、软饮料等膜过滤和杀菌设备又提供了一个广阔的发展空间。橡胶和塑料是包装和食品机械应用较多的原材料。但通常的橡胶是靠加入炭黑来提高其强度、耐磨性和抗老化性，制品为黑色，不适宜用在食品机械上。纳米材料的问世使这一问题迎刃而解。新的纳米改性橡胶各项指标均有大幅度提高，尤其抗老化性能提高3倍，使用寿命长达30年以上，且色彩艳丽，保色效果优异。普通塑料产量大、应用广、价格低，但性能逊于工程塑料，而工程塑料虽性能优越，但价格高，限制了它在包装和食品机械上的大范围应用。用纳米材料对普通塑料聚丙烯进行改性，达到工程塑料尼龙－6的性能指标，且工艺性能好、成本低，可大量采用。

4．纳米技术在机械行业中的发展前景

（1）机械及汽车工业的滑配原件如：轴承、滑轨上应用纳米陶瓷镀膜能产生超底的磨擦界面，大大减低磨损并能提高负载。（2）塑胶流道的低粘应用：例如T型模、拉丝模、套筒和热胶道，可有效减少积料碳化的产生几率。（3）射出成型时发生的粘模、包封短射、镜面雾化及拖痕均具有革命性的改善，尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润滑，更是任何金属所无法表现的优异性。（4）IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于具有极高的粘着性，因此必须借助大量脱模剂来帮助脱模，纳米陶瓷的荷叶效应可减少脱模剂的使用及模具清理时间。

（5）纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使塑胶在模具内的流动大幅提升，特别是高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚光灯罩等模具应用后对产品的不良率上均有明显的改善。

5．结语

综上所述，纳米技术是近十多年来逐步发展起来的一门前沿性与综合性交叉的新学科，是现代科学和现代技术相结合的产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工业革命。美国商业通讯公司研究报告称，未五年，用于橡胶产品和油墨生产的碳黑填充料将继续高居纳米材料需求榜首。今后几年，全球纳米材料的需求将以2．7％年增长速度增长，到2010年将达到1 030万t，所以纳米包装具有较大的市场发展潜力。过去，我国机械包装工业的一些先进设备、先进技术，大多是依靠进口。纳米技术的出现，将对我国机械包装行业的技术创新带来新的发展机遇。相信在不远的将来，纳米技术将广泛应用于机械工业的各个领域，它给机械业带来的变化将是巨大的。参考文献

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第三篇：纳米技术与应用论文

纳米技术与应用

Nano technology and application 学号：2012093207 金月

Student number: 2012093207 Jinyue

摘要：纳米技术是20世纪80年代末期诞生并迅速崛起的新技术,它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子,创造新物质。纳米(nm)是一个长度单位,纳米体系(通常界定为1～100nm的范围)就在其中。这一体系既不完全适合于描述宏观领域的牛顿经典力学规律,又不完全适合于描述微观领域的量子力学规律,它表现出了许多独特的性能,需要用全新的理论、方法和表征手段在纳米尺寸范围内认识和改造自然,这就是纳米科技。纳米科技主要包括:纳米物理、纳米化学、纳米材料、纳米生物纳米电子等分支学科,它们之间既相互独立,又相互联系。目前,各个分支领域都取得了令人瞩目的成果,纳米科技正处于重大突破的前期。关键词：新技术 纳米科技应用

Abstract: nanotechnology is born in the late 1980 s and rapid rise of the new technology, its basic meaning is within the scope of nano-sized understanding and reforming nature, through direct manipulation and arrangement of atoms, molecules, create new material.Nanometers(nm)is a unit length, nanometer system(usually defined as the range of 1 ~ 100 nm)among them.This system is not completely suitable for describe the macroscopic field of Newton's law of classical mechanics, and not entirely suited to describe the microscopic quantum mechanics in the field of law, it shows many unique properties, need to use new theories, methods and characterization methods in the nanometer size within the scope of understanding and reforming nature, this is the nano science and technology.Nano science and technology mainly includes: physics, chemistry, nano material, nano biological nanometer electronic branch, between them, is mutually independent and contact each other.At present, have made remarkable achievements in various subfields, nano science and technology is a major breakthrough in the early.Key words: new technology nanotechnology applications

中国是世界上少数几个最先开展纳米科技研究的国家之一。20世纪80年代中期，中国开始资助纳米材料研究和纳米技术仪器装备研制，目前中国的纳米科技基础研究已在国际上占有一席之地。1982年发明的扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）和1986年发明的原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)是纳米测量表征上的一个里程碑，标志着纳米科技从概念阶段，进入到实质性研究阶段纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子的制造物品的可能性。” 1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明范曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。纳米技术是在纳米尺度内，通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用它们的特殊的性能，并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律。由于纳米正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，被称为纳米世界，也是物理、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领地。纳米材料中包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备。几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质，这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有重大变化。当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去。通俗来说，纳米材料一方面可以被当作一种“超分子”，充分地展现出量子效应；而另一方面它也可以被当作一种非常小的“宏观物质”，以至于表现出前所未有的特性。同时，许多化学和生物反应的过程也发生在纳米尺度的层面上，因此探测纳米尺度内物理、化学和生物性质的变化，将加深对生命科学的理解。对由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合他们，是当今纳米科学技术的主要问题之一。当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农业等方面。纳米科技发展中，纳米材料是它的前导，因为纳米材料集中体现了小尺寸、复杂结构、高集成度和强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点，其中最应该指出的是纳米材料是将量子力学效应工程化或技术化的最好场合之一，可能会产生全新的物理、化学现象。

现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或儿千个原子、分子的 “颗粒”。这些“颗粒”的尺寸只有几个纳米，它们很容易与外界的气体、流体甚至固体的原子发生反应，也就是说十分活泼。实验上发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会燃烧，发生爆炸。有人认为用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力。另外，用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可加快化学反应过程，大大地提高化工合成的产率。

如果把金属纳米材料颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比普通金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。人们幻想有一天会使用这样的纳米钢材或纳米铝材制造出汽车、飞机或轮船，使它们的重量减少到原来的1/10。不仅如此，汽车或飞机的发动机由具有塑性的纳米陶瓷材料制成，可在更高的温度下运作，汽车跑得更快，飞机飞得更高。

对于纳米技术研发，欧洲对美国当仁不让。纳米技术是欧盟前两个计划的重点，在第六个框架计划中，纳米技术又是一个最优先领域，研发经费为13亿欧元。纳米技术也处在欧盟另两个优先领域生命科学和信息社会技术的核心地位。欧洲纳米商业联合会称，如果把欧盟成员国的投资计算在内，欧洲2002年的纳米技术的投资应是美国的两倍。欧盟有86个国内和国际研究网络致力于纳米技术的研究，参加网络的有2000多个，其中有许多机构得到了国家的资助。德国、法国和英国等都有完备的纳米技术研究计划。

通信技术是现代信息社会的重要技术支撑，在人们的社会生活中发挥着重要的、不可替代的作用。纳米科学技术的发展从材料、器件、信息传输、信息处理、信息显示、终端通信产品等多个方面为未来通。通信科学技术的发展展示了全新的技术，正引领未来通信科学技术的发展，特别是纳米科技对未来的电子信息技术将产生十分重要的促进作用。纳米材料为光缆提供了新的技术，近来，一些厂商已开发出纳米光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯（PE）及光纤护套管用纳米PBT等材料。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的使用寿命，提高了网络的可靠性。

采用纳米科技制造技术制备的量子点激光器能够用于量子加密技术。目前，许多金融机构、政府部门和一些国防项目承包商都采用了量子加密技术。量子保密通信通过了信息传输过程中的安全性，在未来10年会有比较大的发展。利用纳米制造技术制造的光子晶体光纤能用于未来全新光孤子光通信系统 参考文献：

赵玉芳，杨伯君，张茹，纳米技术在光通信中的应用[J].光通信技术，2007，2，55-56.;周治平、郜定山、汪毅等，硅基集成电子器件的新进展[J].激光与光电子学进展，2007，2（44）,31-38 周治平、郜定山、汪毅等，硅基集成电子器件的新进展[J].激光与光电子学进展，2007，2（44）,31-38 曾祥基.新科技革命的特点与经济全球化趋势[J].成都大学学报,2000(3)周兆英，王中林，林立伟．微系统和纳米技术．科学出版社，2007

第四篇：纳米技术论文

纳米“武装”的交通环境

交通运输学院

肖昊玮

Cover letter 当新兴的纳米技术碰到棘手的交通环保问题，会擦出怎样不同的火花，会激发出什么独具创意的解决灵感？本文将为您一一呈现。摘要

目前环境问题是全球热点，交通污染问题也引起了越来越多的关注，为了交通在服务人们出行的同时，更好的保护好我们的环境，人们已做出很多方面的努力与探索。而随着纳米技术的兴起，人们开始考虑将纳米技术应用于交通领域，来改善目前的交通环境问题。本文通过对纳米技术的理论性分析，即通过纳米技术应用前后的参数分析，进而论述其运用在交通领域上的可行性，以及对现有的应用于交通废气处理、噪音处理及污水处理等方面的纳米技术进行研究与探讨，来阐明纳米技术的的确确在交通环保方面具有其特有的优势，纳米环保值得推而广之，让交通更好的服务我们的生活。背景与意义

纳米，这个曾经轰动一时的新兴词汇，这个曾经让世人感到好奇的计量单位，现如今正在以其特有的科学魅力，一步步地改变着我们的世界。当下正是科技水平飞速发展、日新月异的时代，随之而来的交通环境问题是亟待解决的，交通工具为我们出行提供便利的同时带来的尾气成为了清新空气的“最大杀手”，其此起彼伏的鸣笛

声带来的噪音污染也让我们的耳朵备受煎熬，轮渡在客运货运方面做出诸多贡献的同时，也带来了水污染这样令人头疼的问题。随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临。科学技术的不断发展，纳米技术的日臻完善和成熟，将纳米技术愈发广泛地应用于交通领域，会对我们的交通生活的改善作用日益凸显出来。而且，纳米技术拓展了人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。理论基础

空气净化方面：目前大部分交通工具（如汽车、火车、飞机等）仍以化石燃料为主要能量来源，然而化石燃料却存在明显的污染特质——不易充分燃烧，从容造成空气的污染以及能源的浪费。环境保护和能源高效利用是可持续发展的主旋律，就燃油来说，寻找提高燃油燃烧效率和降低废气排放的途径便成了当务之急。而一般的化学清洗类添加剂（清净剂）加入燃油中的主要作用是防止化油器或喷嘴附着沉积物（胶质），对除去已沉积在燃烧室和油路中的沉积物也有一定作用，但其作用仅仅是维持了发动机的正常工作点，没有从根本上解决燃烧、排放和积碳的问题。这类添加剂降低尾气排放的效果并明显。要提高燃油燃烧的效率，必须提高燃油的雾化程度，也就是增大其比表面积。而纳米燃油添加剂正是通过这样的过程让燃油二次雾化，上万倍地提高了燃油的物理活性。有资料表明，运用纳米技术还可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01％。在燃煤中加入的纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。另外我们知道，氢能是新的清洁能源，但储存等方面的问题制约着氢能的开发利用，已有的稀土由于储氢量少，应用受到很大的限制。如能研制成功一种合成的高质量碳纳米材料，则能储存和凝聚大量的氢气，并可以做成燃料电池驱动汽车，可有效避免因机动车尾气排放所造成的大气污染。

噪音控制方面：经检测，飞机、车辆、船舶等主机工作时的噪声可达到上百分贝，容易对人造成干扰和危害。当机器设备等被纳米技术微型化以后，其互相撞击、摩擦产生的交变机械作用力将大为减少，噪声污染便被得到有效控制。

污水纯净化方面：水运交通是客货运的主力军，而航道是水运交通体系中最为重要的一环，其畅通与否直接关系到水运是否顺利进行。可目前河运航道均或多或少遭受到了污染，其污染物大部分是生活垃圾，有的河段中还遭受到农药等化学制剂的污染，而海航航道则会时常由于原油泄漏而造成大面积水域污染。这些污水问题的处理就显得迫在眉睫。新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它是普通净水剂的10～20倍，可将污水中的悬浮物和铁锈、异味等污染物除去，通过纳米孔径的过滤装置，还能把水中的细菌、病毒去除。因细茵、病毒的直径比纳米大而被过滤掉，可水分子以及比水分子还要小的矿物质元素却被保留下来，经过纳米净化后的水体清澈，没有异味，成为高质量的纯净水，甚至完全可以饮用。

应用举例

空气净化方面：目前研制出来并已应用于汽车制造领域的EPS纳米节能燃料装置，就是利用的纳米技术将汽油分子分割成纳米为单位的质子保证充分燃烧，这样应用的结果是，气体燃烧完全有助于动力提升，节约能源。

噪音控制方面：目前研制开发出来的纳米技术润滑剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，得以大大降低机器设备运转时的噪声，又能延长它的使用寿命。另外，近年来有关工频电磁场对人体健康的影响问题已众所周知，可现在我们再也不用为防电磁辐射而担忧。在强烈辐射区工作并需要电磁屏蔽时，可以在墙内加入纳米材料层，或者涂上纳米涂料，能大大提高遮挡电磁波辐射性能。

污水纯净化方面：纳米二氧化钛就是目前运用最为广泛的一种污水处理制剂，其催化、降解、吸附的能力都十分突出，还具有极强的杀菌作用和絮凝能力，能有效地保障河运航道无垃圾、泥沙堵塞的情况发生，以及保证海运航道的原油污染得到最快最及时的处理，从而是水路运输更加安全环保。结论

被称之为21世纪前沿科学的纳米技术在交通环境保护领域有着广泛的应用前景，甚至会改变人们的传统环保观念，利用纳米技术解决交通污染问题将成为未来交通环境保护发展的必然趋势。虽然本文

讲述的都是纳米技术对交通环境改善方面一些小应用，但纳米技术做出的贡献，其影响可是极其深远的。相信被纳米“武装”了的交通环境会变得越来越美，而未来纳米技术对我们生活的贡献也必将是无止境的。参考文献

[1]夏和生,王琪.纳米技术进展[J].高分子材料科学与工程,2001,17(4):1-6.[2]罗明良,蒲春生,卢凤纪,等.纳米技术及材料在环保中的应用与展望[J].化工新型材料,2001,29(7):27-28.[3]欧忠文,徐滨士,丁培道,等.纳米润滑材料应用研究进展[J].材料导报,2000,14(8):28-30.[4]肖奇,邱冠周,胡岳华,等.纳米TiO2制备及其应用新进展[J].材料导报,2000,14(8):35-37,74.

第五篇：纳米技术论文

纳米材料的应用及未来小望

（北京交通大学 软件学院 软件工程 15301111 张子开）由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。8.1陶瓷增韧

陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。8.2磁性材料方面的应用

磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们把这种现象称为磁电阻。所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。巨磁电阻效应是近10年来发现的新现象。磁性液体的主要特点是在磁场作用下可以被磁化，可以在磁场作用下运动，但同时它又是液体，具有液体的流动性。在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。当光波、声波在其中传播时（如同在各向异性的晶体中传播一样），会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性。此外，磁性液体在静磁场作用下，介电性质亦会呈现各向异性。这些有别于通常液体的奇异性质，为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基础。纳米微晶软磁材料目前沿着高频、多功能方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、脉冲变压器、高频高压器、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关、传感器等，它将成为铁氧体的有力竞争者。新近发现的纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应，又为它作为磁敏感元件的应用增添了多彩的一笔。研制纳米复合稀土永磁材料，通常软磁材料的饱和磁化强度高于永磁材料，而永磁材料的磁晶各向异性又远高于软磁材料，如将软磁相与永磁相在纳米尺度范围内进行复合，就有可能获得兼备高饱和磁化强度、高矫顽力的新型永磁材料。微磁学理论表明，稀土永磁相的晶粒尺寸只有低于20 nm时，通过交换糯合才有可能增大剩磁值。

8.3纳米材料在催化领域的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～18倍。

8.4在浆料方面的应用 纳米材料用作导电浆料，导电浆料是电子工业的原材料，由于纳米材料可使块体材料的熔点大大降低，因此用超银粉制成的导电浆料可以在低温下烧结，此时基片可以不用耐高温陶瓷，甚至可采用塑料等低温材料。8.5在精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。

9纳米材料的应用前景

纳米材料的应用前景是十分广阔的，如：纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等。我们知道基因DNA具有双螺旋结构，这种双螺旋结构的直径约为几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅为几纳米的发光半导体晶粒，选择性的吸附或作用在不同的碱基对上，可以“照亮”DNA的结构，有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔，借助与发光的“灯笼”，我们不仅可以识别灯塔的外型，还可识别灯塔的结构。简而言之，这些纳米晶粒，在DNA分子上贴上了标签。目前，我们应当避免纳米的庸俗化。尽管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题，但很多技术仍难以直接造福于人类。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面，属于纳米材料的起步阶段，应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段，可以说这并不是纳米材料的核心，更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。

10小结

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪是纳米技术的时代，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。

参考文献及资料

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[2]王中林.纳米材料表征[M].北京：化学工业出版社，2006

[3] 张艳辉．纳米材料在化工领域的应用[J]．内蒙古石油化工，2008

[4] 李凤生.纳米/微米复合技术及应用[M].北京：国防工业出版社，2002 [5]李道华，喻永红.纳米材料的合成技术及其研究进展[J].西昌学院学报，2004