纳米技术

纳米技术 纳米技术应用的领域及其发展浅析 ：简要叙述了纳米技术的概念，分析了纳米技术在各个领域的应 用及其发展现状，介绍纳米技术的在我国的发展前景。 ： 纳米技术是科学发展技术的一个新兴领域，它不仅仅将加工和测量精度从微 米级提高到纳米级，而且将人类对自然的认识和改造从宏观领域引入微观。在IT，医学，精密制造等领域得到了广泛应用。 一、纳米技术在IT产业的应用与发展 科学家们认为，存储设备采用这种技术可以实现在每平方英寸上存储10TB数据，这是目前能达到的存储密度的15倍，而且没有坏点。如果按照这个存储密 度来计算的话，保存在250张DVD上的数据只需要一个硬币大小的地方就可以存储 下来，也就是直径25.26毫米那么大。 一些大学的研究人士预言，很快我们就可能看到存储技术上获得突破，在一 个硬币大小的面积上存储250张DVD的内容。因为不久前美国伯克利加利福尼亚大 学和马萨诸塞大学安姆斯特分校的科学家已经找到了一种新的，能让某些种 类的分子在较大范围内按照特定的规律排列。这一研究成果已经发布在不久前出 版的一期《科学》杂志上。参与研究的一名研究人员说，如果有公司参与推动的 话，这项技术有可能在10年内完成商业化。 找到生产高密度存储材料的方法 该项研究成果的主要发明人、科学家Thomas Russell和徐挺说，在同样的空间内分子数量越多意味着在同一空间能存储的数据越多、屏幕分辨率越高、光 电池更能持久。他们认为，这一技术有望改变微电子行业和存储行业。Russell是安姆斯特分校材料研究科学和工程中心的主任，同时也是伯克利加利福尼亚大 学的访问学者，徐挺是伯克利加利福尼亚大学化学和材料科学和工程系的助理教 授 Russell和徐挺找到了一种新的方法来制造嵌段共聚物(block copolymer)，也就是让化学性质不同的聚合物链自己结合在一起。【1】此前，人们已经发现聚合物链能以一种精确的方式、等距离地结合，但是，在过去的10年中科学家们 一直没有解决的一个问是，无法让聚合物链在较大范围内始终按照同样的方式 聚合。 Russell和徐挺使用市场上就有销售的人造蓝宝石水晶来引导聚合物链精 确地按照一定方式结合。当把水晶加热到1300?C～1500?C之间时，水晶会变成锯齿状，可以用来引导嵌段共聚物的结合。徐挺说，采用这种技术的唯一限制是， 生成的嵌段共聚物的大小受制于蓝宝石的大小。比较好的是，一旦蓝宝石被加热 到变成所需要的形状后，这个模板可以重复使用，而且不管是水晶还是聚合物链 目前在市场上都可以买到，“我们这里用到的所有材料没有哪一个是特殊的”。 新技术将改写IT产业 基于这个技术还可以获得高分辨率的图像，每个像素3个纳米，图像可以大到足够覆盖一个露天的体育场。该技术的另一个用处是生产高密度的光电池，它 能吸收更多的太阳能从而提供更多的能量。之前的研究人员提高存储密度的方法 是光微影术(optical lithography)，简单地说就是将好的线路图形完整且 精确地复制到晶圆上。具体办法是，事先将设计好的图形制作成光罩(photo mask)，应用光学成像的原理，将图形投影至晶圆上，晶圆上涂有感光材料，图 形会在晶圆上曝光。通过这个处理过程来促使共聚物重组。而Russell和徐挺所使用的技术与之不同。该技术能生产出晶体管间距只有3纳米的芯片，这要远远领先现有的微处理器生产技术，目前最好的生产工艺只能达到45纳米。光刻工艺在提供密度方面遇到根本性的困难。此外，与之相比，新的技术还将减少对环境 有害的化学物质的使用。不过，徐挺说，目前要将这项技术真正应用到CPU的制造时还存在一些问题，比如需要生产CPU需要的晶格。 分析师高度评价这一技术。Insight64首席分析师Nathan Brookwood认为，存储密度的提高将会给人们未来的生活带来不少方便，比如人们以后可以随身携 带更多的数据，以光盘形式提供的音乐和电影质量也会更高，未来的电影也许会 采用全息摄影。 他认为，伯克利加利福尼亚大学和马萨诸塞大学安姆斯特分校正在申请专利 的这项技术很可能将给整个IT产业带来根本性的变革，不仅如此，还有可能给更 多经济领域带来根本性的改变。 二、纳米与医学 纳米技术对医学发展具有重要的推动作用，疾病诊断、预防和治疗的实际需 求对纳米技术提出了获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术的期望， 如早期诊断和预警、代谢产物中的生物标志物的发现、及其微量或痕迹量或瞬间 的样品量的检测技术，适于大量或批量的实用检测技术平台，载体的效率和容量， 靶向、缓释、可控的药物载体，药靶确证和药物筛选，甚至是突变或个体化差异 的检测、诊治等。利用DNA分子的自组装特性，可以获得新型的纳米结构材料， 用于发展全新的生物检测技术，实现基因治疗的关键因素之一是发展安全有效的 基因运载系统，利用纳米技术发展新型医学传感器，利用纳米技术发展新型活细 胞检测技术。另外纳米技术对再生医学的发展具有重要影响和推动作用，纳米技 术为模仿和构建天然组织里不同种类的细胞外基质提供了全新的视角和方法，纳 米技术将有助于探索和确定成体干细胞中的信号系统，以激发成体干细胞中巨大 的自我修复潜能，纳米技术在医学科学中的应用，如单分子、单细胞体内成像应 用、单一癌症细胞检测、药物释放直观技术等。 纳米技术在传染病防治中也有广阔的应用，我国是乙肝大国，平均有8%乙肝 病人或携带者，在偏远农村远远高于这个比例。进展期肝病病人在中国的死亡率 比较高，在大城市有60％的死亡率，在小的城市死亡率更是高达80％。虽然乙肝 疫苗在乙肝病毒的传染方面发挥了很大的作用，但是研究表明乙肝病毒的变异也 是非常高的，而且目前一些治疗乙肝的药物的抗药性在我国已经显现出来，所以 在中国开展乙肝病的纳米医药研究尤其重要，探测活体细胞的功能，在分子的水 平上认识和理解病变机理，做到早期诊断，实现早期治疗。 纳米药物及其药理学 目前国内外已开发并上市了许多纳米药物制剂，以提高原制剂的口服生物利 用度、降低药物不良反应和提高治疗指数等，但是国际和国内纳米技术化却 还没有建立，所以在纳米医药开发的过程中不可避免会受到制约和影响。所以， 对于纳米药物学及其药理学研究的基础科学问题和近、中、长期的目标设定非常 重要。 例如，肿瘤生长机制及阿霉素胶束自组装分子的抗肿瘤活性研究。肿瘤的微 环境对其生长及对药物输运有着巨大影响，肿瘤组织内部静液压高、低氧、低PH 值等微环境使得药物分子只能聚集在血管细胞周围，不能达到肿瘤细胞，影响了 药物的使用效果。PEG－PE包裹阿霉素形成的胶束自组装分子在治疗肿瘤方面有 着很好的效果，使用后肿瘤尺寸明显减小。 “用于肿瘤诊断与治疗的纳米医药的材料发展潜力”的研究指出，纳米生物 技术在肿瘤的早期诊断和治疗中可以发挥很大作用。研究结果表明，抗体修饰的 脂质体纳米复合载药体系不仅可以对肿瘤进行靶向治疗，结合纳米粒子修饰的纳 米复合给药体系还可以对转移的肿瘤细胞进行诊断和靶向治疗，而且纳米胶囊的 尺寸适中（50-200nm）时效果最好。“脂质分子自组装系统及其作为药物载体的 应用”的研究认为，脂质分子作为生物体组成的主要成分具有无可比拟的生物相 容性，自组装形成的纳米结构无论从均一性、稳定性，以及重复性方面，都有很 大的优势，而且小肽修饰的脂质体对肿瘤有一定的靶向作用。 在这一议题中，专家们就目前纳米医药中其安全性评价和标准研究方法的问 题进行了热烈的讨论。一致认为目前纳米医药研究应该化，推行“力量集成、 资源整合和有限目标”的策略。纳米药物学近期或近中期目标可以是通过药物的 直接纳米化或纳米载药系统(NanoDDS)，研制一批旨在提高生物利用度、延长药物作用时间、降低药物不良反应，或提高制剂顺应性等的纳米药物制剂。在纳米 效应研究基础上，针对我国重大疾病(如肿瘤、心血管疾病、肝炎、艾滋病、神经退行性疾病等)，通过汲取这些疾病的病理学、生理学研究成果，研究和开发 一批创新纳米药物制剂，并阐明与此相关联的深层次科学问题，包括纳米药物的 长循环机理、纳米粒肿瘤药物的EPR效应机理、纳米药物对微循环影响机理、基因非病毒纳米载体的组装、转染机理、纳米智能载药系统的传感技术与药物控制 释放技术的整合等。 生物传感与医学示踪 恶性肿瘤和心血管疾病等重大疾病严重威胁人类的健康，是当前医学研究领 域所面临的一个重大挑战。我国自上世纪70年代以来，恶性肿瘤和急性冠状动脉综合症的发病率和死亡率一直呈上升趋势，已经成为危及人群健康及带来巨大经 济负担的社会问题。目前癌症病人和心血管病人死亡率居高不下的一个最主要原 因，是现有技术还很难实现真正的疾病早期检测，所以生物传感和医学示踪技术 至关重要，特别是纳米生物传感技术和纳米材料在分子影像技术中的应用等是当 前的研究热点。 三、纳米技术的在我国的发展前景 迄今为止，我国以纳米技术为基础的企业有近百家，【2】并建立10多条纳米材料和技术的生产线。纳米复合塑料、橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的 设 计和应用、纳米材料在能源和环保等方面的开发和应用已取得一定成果， 微直升飞机、微马达、微泵、微喷器、微传感器等一系列微机电系统元件已问世。 铅笔尖大小的1伏特微型发动机，每分钟转速高达10万转，将推动电子显示器、 手表、摄录机和激光扫描器的发展。汽车安装的一种细如发丝的传感制动器，当 它 “感觉”到撞击时，就会立即打开保险气囊。南开大学高分子所已研制出 具有国 际先进水平的纳米药品、纳米保健品和经纳米技术改性的人造器官， 近年内可实现产业化。天津大学材料学院开始将纳米陶瓷技术用于耐火材料制 造。此外，南开大学的纳米新型催化剂、天津大学的纳米金属粉润滑剂、河北工 业大学的纳米 材料在微电子技术的应用等技术比较成熟，市场前景明朗。 我国纳米基础研究实力现位居世界前列，中国科学院及清华大学、北京大学 等一些国家重点院校已形成一定规模的研究基地，取得了一系列令世界瞩目的成 绩：在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体，组装出世界上最细且性能良好 的扫描隧道显微镜用探针，合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管。和发达 国家相比，我国企业对纳米技术的认识和技术开发的投入相对较弱。杜邦、柯达、 惠普等大公司在自己的长期研究实验室中建立了专门的研究队伍，其投资强度可 与政府的投资相比，而美国今年用于全国纳米科技计划的投资近5亿美元，日本则每年投资2亿美元，为期10年。我国许多从事纳米技术研究的专家希望，能与 国内企业联手，加快基础研究成果产业化进程，从而在市场上占据先机。 据专家介绍，目前我国的纳米复合材料、美国在合成、化学品和生物方面居 领先地位，日本在纳米设备和强化纳米结构领域具有优势，欧洲则在分散、涂层 和新仪器应用方面抢先一步。纳米技术现在的发展水平仅仅相当于计算机和信息 技术在50年代的发展水平，有潜力成为今年几十年主要的经济动力。 总体来说，在纳米技术研究领域，由于我国认识较早，因此在一些方面与国 外先进水平差距并不大，特别是在纳米材料及其应用、隧道显微镜分析和单原子 操纵等方面研究较多，主要以金属和无机物非金属纳米材料为主，大约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，但在纳米电子学、纳米器件和纳米生 物医学研究方面与发达国家有明显差异。 【1】 IT新闻 高密度存储材料 2010年06月 【2】冯 艳．纳米技术与精密工程第6卷 第一期。2008年1月