五分钟带你明白纳米技术-纳米技术有什么神奇之处呢?问题答案

纳米技术，也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。

在20世纪50年代美国著名物理学家费曼就提出了要在小处做文章的想法。他说以前人类都是把能够看得见的东西做成各种形状，得到各种工具，为什么不能从单个分子甚至原子出发而组装制造物品呢。费曼憧憬说：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，制造产品将会产生怎样的奇迹?”

70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家谷口纪男最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。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。这证明费曼是正确的，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”。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地；1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子；1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，其包括下列四个主要方面：纳米材料、纳米动力学、纳米生物学与纳米药物学、纳米电子学。

纳米材料不单单是指尺寸达到纳米，更得需要该材料具有特殊性能，在0.1—100纳米这个范围空间，纳米材料的性能就会发生突变，出现不同于原本组成的原子、分子的特殊性能；纳米动力学主要是微机械和微电视，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；纳米生物学和纳米药物学是通过纳米技术，用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料，也有通过纳米技术制成具有识别能力的纳米生物细胞；纳米电子学包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光和电性质、纳米电子材料的表征、原子操纵和原子组装等，同时纳米电子学具有很大潜力满足当前电子技术对器件和系统更小、更快、更冷的要求。

前面对纳米技术的物理概念、历史沿革、主要包含方面进行了介绍，接下来就对纳米技术的应用及利弊进行简单介绍。

纳米技术在测量技术、加工技术、组装技术、生物技术、粒子制备及疾病诊断方面有重要作用。

一、纳米技术在生物技术方面的应用

纳米技术与生物技术交叉渗透所形成的新技术叫纳米生物技术，是将来生物医学领域 中的一个重要发展方向[1]。在物理学上，有一种能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测装置，称为传感器，通过应用本身非常敏感化学和生物的纳米材料，纳米生物技术中衍生出了能选择性结合靶分子的生物探针的纳米生物传感器。

纳米生物传感器主要包括以下四种：纳米线生物传感器、病毒纳米生物传感器、光学纳米生物传感器、纳米肿瘤生物传感器。纳米线生物传感器的传感原理是纳米材料以一种极度敏感、实时和定量的方式将发生在它表面的化学键合事件转换成纳米线的电导率[1]，从而实现实时传感；病毒纳米生物传感器中的病毒颗粒实际上就是生物纳米颗粒；光学纳米生物传感器是借助局部SPR光谱技术，并对特性纳米材料进行修饰实现的；纳米肿瘤生物传感器是由由量子点与能够识别肿瘤细胞标志物的特异性靶向分子组装而成，并利用物理方法实现检测。

二、纳米技术在粒子制备方面的应用

纳米粒子具有原组成原子、分子不同的特殊性能，例如，像铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小时，磁畴就变成了单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍，所以在生活与生产中，纳米粒子有着极大优势和应用潜力。

纳米粒子在生活生产中的应用多种多样，其中就包括利用纳米粒子进行生物分析及纳米粒子催化剂。利用在生物分析的纳米粒子主要包括金属纳米粒子、荧光纳米球乳液、发光量子点[2]。纳米粒子在生物标记中的发展为大量多色实验和诊断学带来了新的机会，其所具有的光学可调谐特点使它们可直接用作探针或作为传统探针的敏化剂，当然将纳米粒子作为生物荧光标记物还存在着一些问题，如稳定的、发光效率高的纳米粒子的制备条件较为苛刻，其生物可相容性、大分子可接近性还有待于进一步提高[2]。同时，纳米粒子催化剂之所以可以比传统催化剂更有优势，是因为根据表面效应，其粒径小使表面原子比例上升；根据体积效应，体积小微粒小使许多现象就不能用通常有无限个原于的块状物质的性质加以说明；根据量子尺寸效应，尺寸小使激发态电子、空穴扩散到品粒表面所需时间短[3]。

到目前为止，纳米粒子催化剂已在催化氧化、还原、裂解反应以及光催化方面得到了广泛的应用[3]。

三、纳米技术在疾病诊断方面的应用

随着纳米技术的发展，使医学方面在细胞好坏、病毒来源的判断更加明确。

纳米技术在疾病诊断方面的应用主要有生物芯片技术、纳米药物载体、纳米细胞分离技术[4]。生物芯片是在很小几何尺度的表面积上装配一种或集成多种生物活性材料“仅用微量 生理或生物采样”即可同时检测和研究不同的生物细胞生物分子和DNA的特性以及他们之间的相互作用，从而获得生命微观活动的规律；诊断方面，纳米药物载体主要应用于影像学领域；纳米细胞分离技术基本流程是：第一，制成相应的纳米微粒，第二，形成相关细胞与特定试剂的溶液，第三，利用纳米微粒对细胞进行分离并离心[4]。

任何一门技术都具有双面性，即有有利的一面也會存在有害的一面，纳米材料也不例外。在纳米医学方面，纳米材料技术与生物技术结合为生物医学领域带来了全新的视野，纳米材料也医药学方面和生物芯片方面取得了显著的成绩[5]；但在纳米毒理学中，由于纳米颗粒的特殊性能与原组成原子、分子不同，导致该特殊性能对人类存在未知的危害，例如：纽约罗切斯特大学的研究者让大鼠在含有粒径为20　nm　的聚四氟乙烯（特氟龙）颗粒的空气中生活15分钟，大多数实验大鼠在随后4小时内死亡；而另一组生活在含120　nm特氟龙颗粒的空气中的大鼠，则安然无恙[6]。

纳米技术中蕴含许多方面，我所介绍的只是其中的一部分，希望对读者有所帮助。

参考文献；

[1]王丽江, 陈松月, 刘清君,等. 纳米技术在生物传感器及检测中的应用[J]. 传感技术学报, 2006(03):581-587.

[2]林章碧, 苏星光, 张家骅,等. 纳米粒子在生物分析中的应用[J]. 分析化学, 2002, 30(2):237-241.

[3]杨咏来, 徐恒泳, 李文钊. 纳米粒子催化剂及其研究进展[J]. 材料导报, 2003(02):15-17.

[4]刘新生, 张阳德, 王欣,等. 纳米技术在疾病诊断中的应用现状与展望[J]. 新乡医学院学报, 2004, 21(001):71-74.

[5]陆影. 浅谈纳米材料的利与弊[J]. 商品与质量:理论研究, 2012(11):272-272.

[6]赵宇亮，赵峰，叶昶.纳米尺度物质的生物环境效应与纳米安全性[J].中国基础科学科学前沿，2005：19-23.