第1章纳米技术概论 2.在生物医学中的应用 生命系统是由纳米尺度上的分子行为所控制的,如生物体内的去氧核酸(RNA)(15~ 20nm)、病毒(~10nm)、红血球(~1om),生物体内的核酸、类脂物、蛋白等,也是纳 米粒子。这就为生物学研究提供了一种新的研究途径,即利用纳米技术开发新药(如涂覆药 物的定向治疗)、生物传感、生物芯片,以及细胞分离、染色等。因此,纳米科技在医学上 的应用将带来一场革命 新的药物,即使是微米粒子的细粉,也大约有半数不溶于水,但如果粒子为纳米尺度, 则可溶于水。1nm以下的纳米粒子比血液中的红血球还要小,因而可以在血液中自由流 动。将包裹有纳米粒子的药物注入到血液中,输送到病灶细胞,极大地增强了药物治疗的效 力。纳米管可以吸取药物分子,并且在一定的时间内缓慢释放,使可控药剂成为现实。科研 人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离,用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副 作用 纳米科技还大大地促进了细胞生物学和病理学的基础研究。随着能够探测纳米世界的新 的分析工具的发展,使得人们可以准确描述细胞的化学和力学特性,以及测量单个分子的特 性。因此,研究纳米技术在生命医学上的应用,可以在纳米尺度上了解生命大分子的精细结 构及其功能的关系,从而获取产生生命的信息。 科学家设想利用纳米技术,以20种氨基酸为原料,按分子设计合成所需的蛋白质“零 件”,并进一步利用肌肉细胞的纤维结构骨架和纤维结构制造分子机器人。分子机器人在血 液中循环,对身体各部位进行检测、诊断,并实施特殊治疗,如疏通脑血管中的血栓,清除 心脏动脉脂肪淀积物,甚至可以吞噬病毒,杀死癌细胞。在不久的将来,被视为当今疑难病 症的艾滋病(AIDS)、高血压、癌症都可能迎刃而解。如图1.4.5所示。 染色体 基因 TIME, NOVEM BER8, 1999 图1.4.5遗传信息的分析
纳米电子材料与器件 透过对纳米结构进行控制,还可以制备出与生物兼容的高性能材料,从而带来新一代 的医疗修复术和植入物。植入物表面是经过分子设计的或在人工器官外面涂上纳米粒子, 从而可与人体产生交互作用,预防移植后的排斥反应,甚至有助于吸收和组合体液中的 原始材料,以便再生骨骼、皮肤及缺失或受损的组织。利用纳米技术还可以制成人类血 液替代品。 只有晶片大小的包含纳米级检测和处理组件(生物芯片)的诊断器件,可实现快速的并 行分析,这将对疾病的早期发现和治疗起重要作用,如图1.4.6所示。 免疫传感生物过滤器 微阀 枝状磁片 75mm 电路和系统控制 流量传感 嵌入生物 流体芯片 图1.4.6生物芯片的应用 3.在微型技术中的应用 微机电系统(MEMS)以小体积、高灵敏、低功耗在数字家电产品、汽车工业、航空 航天和国防武器中近年得到了飞速发展。将MEMS与纳米技术相结合形成的纳机电系统 (NEMS)将极大地促进微型化技术水平。 近年来,日本丰田公司研制出只有米粒大小、能够转动的汽车;德国工程师研制了一架 只有黄蜂大小并能升空的直升机,外形似香蕉但重量不到0.5g,可升到130mm的空中;英 国研制出能同时检测6种有害气体的电子鼻传感器;美国科学家发明了纳米秤,通过观测增 减单个电子所引起碳纳米管振动频率的变化而计算出一个电荷的质量,如图1.4.7所示。凡 此种种,相信今后还会有更多更小的微型器件的报道 但大多数新技术、新产品首先最宜用于国防武器的研制中,纳米技术的迅猛发展,为新 型武器及系统的研制奠定了基础。由于纳米电子器件与当今使用的微电子器件相比较,尺寸 要小得多,工作速度则要快得多,这就为大幅度提高武器控制系统的信息传输、存储和处理 提供了可能,也为研发智能化的微型导航与制导系统和微型飞行器提供了技术基础。此外, 以全新概念制造的纳米尺度的高效太阳能光电转换元件,也为武器装备的小型化、一体化提
第1章纳米技术概论 门电极 检测电极 扭矩谐振器 goKU X7,88846 图1.4.7纳米电子秤 供了保证。因此,以纳米武器构成的“微型军”将会成为未来战争的“秘密武器”。据美国 五角大楼的武器专家预测,5年内第一批由纳米武器组成的“微型军”将会诞生并服役,10 年内可望大规模部署。可以想像,随着纳米技术的飞跃发展,未来战争将可能由数不清的具 有各种功能的“秘密武器”称雄天下。 1995年,美国开始研制纳米卫星,俗称为“麻雀卫星”。这种卫星重量不到10kg, 最轻的只有0.1kg,比麻雀略为大些,所用器件全部用纳米材料制造。采用最先进的微 机电一体化集成整合技术使得纳米卫星的性能十分优良,可靠性也得到大幅度提升 可以用于各种不同的军事目的。而且,由于其重量轻,一枚小型运载火箭就可以同时 发射数百、上千颗纳米卫星,可以方便地在地球的同步轨道上构成网状布局,而其体 积小又使得这些卫星的隐蔽性极好而避免受到攻击。因此,按不同轨道组成的纳米卫 星网可以对地球上任何地方进行连续的全方位和全天候的监视,使战场更加透明。我 国的清华大学已于数年前涉入此研究领域,目前已经研制成功重量小于10kg的纳米卫 星,并计划于近年内发射升空。 利用纳米技术制造的纳米导弹,俗称为“蚊子导弹”,因为其隐蔽性、机动性和生存能 力都发生了质的变化,在现代战争中的作用更不可以小视。纳米导弹具有神奇的战斗效能, 它们可以直接接受电波的遥控,潜入目标内部,以足够的火力炸毁敌方的火炮、坦克、飞机 弹药库,甚至指挥部 纳米侦察机,俗称为“苍蝇侦察机”,是一种比苍蝇还要小的遥控飞行装置。它们可以 携带各种探测仪器,不仅具有信息处理、导航和通信能力,还可以有效地避开敌方雷达的探 测,潜伏到敌方的附近。因此纳米侦察机可以昼夜拍摄红外线照片并及时将最新车事情报传 回数百公里外的基地,也可以直接引导导弹攻击目标。同时,纳米侦察机也可以单兵配置, 以便在小分队和单兵作战时探测周围丛林、小丘和毁坏的建筑物中的军事情况,以防遭受敌 方的突然袭击。如果在纳米侦察机上再配置微小的高效弹头,这种“苍蝇”就成为一只“蛰 人的马蜂”。德国研制的微型发动机只有小笔尖那么大,但转速可达每分钟10万转。当然, 这种微型发动机除了用于军事以外,还可以用于电子显示器、摄录器、手表、激光扫描器
纳米电子材料与器件 以及显微手术仪器等许多民用的高精密器械装置中。 车事纳米机器人,俗称为“蚂蚁土兵”,是一种比蚂蚁还要小,靠太阳能电池驱动,具 有惊人破坏力的机器人。它们可以通过各种途径潜入敌方的军事要害内部进行破坏。比如, 用特种炸药引爆目标,破坏敌方的电子设备与电脑网络(例如使其短路、毀坏),施放各种 化学制剂(例如使金属变脆、油料凝固,或使敌方人员神经麻痹而失去战斗力),甚至埋设 微型地雷和允当爆破手。这种纳米机器人还可以充当潜伏特务,隐藏在主机设备中,可以长 达数十年之久,平时相安无事,无声无息。战事一旦爆发,通过微型遥控装置可以诱发它们 群起攻击,迅速破坏敌方作战系统。美国国家安全实验室研制成的世界最小的机器人,其体 积只有4cm3,重量不到28g。该机器人装有类似坦克履带的行走机构使其能够稳定高速行 走。同时,机器人上还装有信息处理用的高速微型处理器、摄影机、传声器和各种微型化学 感应器,因此,它可以用于功能繁多的军事目的,小至拆除地雷,大至军事情报的收集和军 事目标的破坏 军用纳米传感器,俗称为“间谍草”或“沙粒坐探”,是一种像小草或沙粒的装置。它 们装备有非常灵敏的超微型电子侦察仪器,如徽型摄像仪、照相机和传感器,能够痧察和感 知外界的动静,侦测出百米以外坦克、车辆等移动时产生的震动和声音,并能够确定它们的 方位。战争中可以用飞机将无数小于1mm的纳米传感器散布在作战区域来及时探测敌方军 事,也可以散布在茫茫的天空中,捕捉敌方发射的导弹。纳米传感器的覆盖面积比现今远程 探测系统还要大,而且能实施连续监视。 纳米探测器”是-种比军用纳米传感器更小的装有纳米电子侦察设备的探测装置 俗称为“智能尘埃”或“尘埃间谍”。这种“尘埃”探測装置不需要自备飞行驱动设备和 动力,可以随风在空气中流动和飘浮,同时,“智能尘埃”的耗电量极低,通常由薄膜电 池供电,除了配有电脑监视器之外,还有传感和通信收发功能。此外,“智能尘埃”的造 价低廉、布撒方便、耐久性强、隐蔽性好,雷达对它们无能为力,一筹莫展。战时,将 这种“尘埃间谍”撒在敌方的上空,就可以实现对敌方的全方位连续监视,也可以捕捉 敌方发射的导弹等飞行器。 在水下,还有一种酷似海蛰或空棘鱼的纳米微型武器。这种“鱼状微型武器”携带有 高性能的炸药,可以用于攻击和阻击水下目标,也可以用来攻击停泊在军港的潜艇和军 舰。通常对反潜侦察机和鱼雷等非常警惕的潜艇根本意想不到会受到海湾内游戈的“鱼” 的攻击。虽然,“鱼状微型武器”携带的炸药十分有限,其爆炸力远不及常规水下鱼雷, 但它们却可以用来专门攻击潜艇和军舰的重要部件,如有舰艇的耳目之称的声纳等,使 舰艇失去战斗力。 总之,采有纳米技术制造的各种各样微型武器装备将会大大改变现代战争中的军事力 量对比。这些“秘密武器”对未来战争无疑将产生非常巨大的影响,因为,在未来的战争 中·各种形状和不同用途的徵型武器会从空中、地面和水中出现在敌军驻地和战场,犹如科 幻小说中的描绘,显示出黴型武器的威力
第1章纳米技术概论 ·13 1.5纳米技术发展的主要难点 纳米技术的发展有很多重要的环节,都冇在不同程度的突破难度。如在理论上,固体物 理学的基础在很大程度上是建立在物体表面积对体积的比率无穷小的前提下的,这意味着其 物理特征总是取决于体积。但纳米级系统实在太小了,因此这个假设被打破,必须基于新的 量子力学米考虑和处理问题了。电子与热传导的量子化和单电子充电现象可能是纳米设计屮 最普遍使用的法则之,如何建立新的方法、应用新的规则?另外,固体物理学中的能带、 费米能级、功函数等概念究竟如何定义?对纳米体系中的很多问题月前人们的知识和认识还 有很大的局限性 在技术上,首先是摩擦和粘连问题。因为小型设备的表面积体积比很大,因此与大型机 器相比,表面效应不能忽略,纳米器件和系统相互间容易粘连在一起,引起新的摩擦问题。 如何利用表面效应的有利一面,克服其弊端?现在还不清楚。 关于装配器问题,通过一次放置一个原子的方法,构建能形成任何结构的机器解决了组 建方面最伤脑筋的问题、然而从化学角度看,这种装配器不切实际,要考虑两个约束条件: 装配器的钳或钳夹,如果它能非常灵活地捡起原子,说明它应比原子小,但是钳夹又必须用 原子制成,所以它要比所捡放的原子大。一是原子的性能,特别是碳原子,与临近的原子结 合得很牢固,从原子的位置上将其拉动需要很大的能量(能量供给的问题),而将其放置在 某个位置上又会有很大的热量释放(冷却问题)。 关于传感问题:纳米电子机械系统是极其微小的,而它们的动作幅度还要小得多,为了 使这种机械系统能够向宏观世界传递信息,必须研制出更高效的传感器,要具有高的选择性 和强的抗干扰能力,降低背景的噪声,信息的读取需要更高的精确性。 关于信息传递问题:要精心设计信息的传递路径来输送来自个体分子的信息。纳米技术 的应用很可能必须借助向宏观世界汇报然后接受反馈和挖制的模式,如何连接利连线?信息 传输的问题仍然是核心问题 关于微型武器:纳米微型武器的重要优势之一是它们的微小体积具有良好的隐蔽性,但 是目前研制的纳米微型飞行器仍然像大型飞行器那样利用螺旋桨和旋转机翼来《行的。这种 飞行方式会产生、定的噪声,容易被探测到。解决的办法是像昆虫那样振翅飞行。但如何做 到像昆虫那样默默地振翅飞行?这仍然是纳米微型飞行器研制的一大难题。 纳米微型武器的另一个难题在于动力。日前还没有一种能够提供充分电力的微型燃料电 池可供微型武器使用。美国国防部认为,也许把整个“昆虫的翅膀”作为扃性能太阳能电池 是一种明智的选择 纳米微型武器还有—个难点是传送天线。收发天线是纳米微型武器的重要部件·它对于 武器性能有着举足轻重的地位。般柬说,天线的尺寸越小,其性能就越低。为了使天线能 够尽可能大·些,科研人员对鯖蜓的眼睛发生了兴趣,希望有朝-日能够将天线安装在蜻蜓 的眼晴内。此外,科研人员还希望开发出像昆虫触角那样既灵敏又容易卷曲的伪装天线