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纳米技术与生命科学 古 德 祥 一、何谓“纳米” “纳米”是英文namometer译名。另一种说法，“纳米”一词源自拉丁文“NANO”，“矮小”的意思。纳米是一个度量单位，是一个长度单位： 1纳米=10亿份之1米； 1纳米=百万分之1毫米；是10个氢原子并排起来的长度； 1000纳米=1微米； 10纳米相当于1根头发丝宽度的1‰ 1982年随着扫描隧道显微镜发明，人类可研究0.1～100纳米长度的物体，诞生了一门纳米科学。纳米科学主要研究对象是纳米技术和纳米结构。 纳米技术以空前的分辨率，为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。1990年，世界上最小的“I-P-M”3个英文字母，共用了35原子在实验室排成，其长宽不超过一个病毒的面积。1993年，中国科学院真空物理实验室的科研人员，在显微镜下将一个个原子像下棋一样自如地摆放，“写”出了“中国”2字。这就是纳米技术。 纳米技术之所以重要，是因为当金属或非金属被制成相当于100纳米的物质时，它的物理性能和化学性质会发生出乎意料的变化，主要表现在强度、韧度、比热、导电、磁吸收等方面。 光学特性：当黄金被细分到小于光波波长的尺度时，即失去了原有富贵光泽而成黑色。事实上，所有的金属在微颗粒状态都呈现为黑色，对光的折射率很低。利用这个特性可以作为高效率的热能、电能等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能；又可用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 热学特性：当固态物质的颗粒小于10 纳米量级时，其熔点显著下降。超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时的元件基片可用塑料。又如，在钨颗粒中附加0.1%～0.5%重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3 000℃降低到1 200℃～1 300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管基片。 磁学特性：磁性超微粒实质上是一个生物磁罗盘。蜜蜂腹部的微磁粒是用于导航的。利用磁性超微粒的特性已做成高储存密度磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等，也可制成广泛用途的磁性液体。 力学特性：陶瓷在通常情况下呈脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料，却具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗金属硬3～5倍。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。因此，人类可以利用纳米技术，选定原子构成分子，制造出各种具有特殊功能的新材料，再添加到产品中，从而使产品表现出意想不到的新性能。这是纳米技术带来的奇迹。目前，纳米材料已在电子、化工、通讯、环保、医药等领域得广泛应用。 二、纳米粒子的制备方法 1、物理方法：真空冷凝法(真空蒸发、加热、高频感应等)； 物理粉碎法(机械粉粹、电火花爆炸等)； 球磨法。 2、化学方法：气相沉积法、沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法、微乳液法、还原法。 三、纳米技术对生物科学的影响 1、生物电脑 电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。科学家发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的电脑称为蛋白质电脑，或称为生物电脑。利用蛋白质团已开发出的开关装置有：蛋白质芯片、遗传生成芯片、血红素芯片。 特点：用蛋白质制造的电脑芯片，在1mm2面积上可容纳数亿个电路，存储量可达普通电脑的10亿倍；其集成电路大小只相当于硅片集成电路的10万分之一，且运转速度更快，大大超过人脑思维速度。 生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低且具有生物的特点，具有自我组织和自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合，听从人的指挥，从人体中吸收营养。把生物大脑植入人的体内，可以使盲人复明，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体质增强，使 残疾人重新站起来。 生物集成电路的制作方法，在技术上也有所突破。目前采用的方法把聚赖氨酸分布在玻璃基底上，形成单分子层，再在上面涂一层塑料绝缘膜。然后用电子计算机控制的狭窄的一束聚焦的X光束或电子束，在该簿膜上画出一条条互相平行的条纹。条纹的宽度几十纳米，条纹之间的距离为200～250纳米。用酒精把光束照射的那部分塑料溶解掉，蚀出一条条缝隙，让赖氨酸分子从缝隙中暴露出来，把另一种蛋白质“嫁接”上去。如果聚赖氨酸的特性符合设计要求，就可以涂上传输电脉冲所需的金属(如银)。这就是生物集成电路，其体积在1cm3之内，其记忆可溶纳一个大型电子计算机的记忆装置，应用前景十分诱人。 DNA电脑更为诱人。其原理是，DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子之间可以在某种酶的作用下瞬间完成生物化学反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的