神奇的納米世界

神奇的納米世界第1頁/共26頁什么是納米科學(xué)？納米科技是在納米尺度（1nm到100nm之間）上研究物質(zhì)（包括原子、分子）的特性和相互作用（主要是量子特性），以及利用這些特性的多學(xué)科的科學(xué)和技術(shù)。------白春禮《納米科技的現(xiàn)在和未來》第2頁/共26頁自然界中的納米技術(shù)

1m10cm1mm0.1mm10μm10nm第3頁/共26頁蓮花效應(yīng)(Lotuseffekt&Co.)旱金蓮借助蓮花效應(yīng)保持葉子清潔。ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡向我們展示葉面如何不沾水滴。這是因?yàn)樯徣~表面帶有許多絨毛，導(dǎo)致水滴從上面高速滑落，并帶走葉面上的灰塵。Barthlott教授及其助手在波恩大學(xué)對(duì)蓮花效應(yīng)進(jìn)行廣泛研究，此效應(yīng)現(xiàn)已應(yīng)用到一系列產(chǎn)品上，例如立面涂覆，水流經(jīng)過時(shí)可以帶走灰塵。利用蓮花效應(yīng)的衛(wèi)生陶瓷很容易保持潔凈第4頁/共26頁植物的葉子也利用其它一些納米技術(shù)。它們的水管理系統(tǒng)一般由forisomes（細(xì)微肌肉）控制，它們可以打開植物毛細(xì)管系統(tǒng)的通道，或當(dāng)植物受傷時(shí)關(guān)閉通道。弗朗霍夫?qū)W會(huì)(Fraunhofer)的三個(gè)學(xué)院和吉森大學(xué)(UniversityofGiessen)目前正嘗試根據(jù)植物肌肉原理來開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，如精微直線型電機(jī)，或一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)室芯片(lab-on-a-chip)原子級(jí)別最精妙的技術(shù)之一就是光合作用，這一過程為地球上的所有生物聚集能量。這是每一個(gè)獨(dú)立原子的實(shí)質(zhì)。誰能利用納米技術(shù)復(fù)制這一過程，誰就會(huì)永遠(yuǎn)擁有取之不盡的能量。第5頁/共26頁天花板上的納米技術(shù)：壁虎壁虎可以在任何墻面上爬行，反貼在天花板上，甚至用一只腳倒掛在天花板上。它就依靠—你肯定已經(jīng)猜到了—納米技術(shù)。壁虎腳上覆蓋著十分纖細(xì)的茸毛，可以使壁虎以幾納米的距離大面積地貼近墻面。盡管這些絨毛很纖弱，但足以使所謂的范德華鍵發(fā)揮作用，為壁虎提供數(shù)百萬個(gè)的附著點(diǎn)，從而支撐其體重。這種附著力可通過“剝落”輕易打破，就像撕開膠帶一樣，因此壁虎能夠穿過天花板。材料科學(xué)家們正在努力研制人造“壁虎第6頁/共26頁黏著生命生命之所以存在，是因?yàn)槠浣M件通過精密的納米技術(shù)黏著在一起。即使是傷口也如此，如昆蟲叮咬：被叮咬的部位會(huì)紅腫，原因是毛細(xì)血管膨脹，大量的白細(xì)胞或白血球涌進(jìn)來。被叮咬的細(xì)胞會(huì)分泌出信息素，根據(jù)信息素的濃度，血管內(nèi)壁的細(xì)胞和白細(xì)胞就會(huì)傳送黏著分子，這些分子過粘合作用減緩白細(xì)胞沿著血管壁流動(dòng)。當(dāng)信息素達(dá)到最高濃度時(shí)，白細(xì)胞會(huì)緊緊地粘結(jié)，然后其它黏著分子會(huì)促使血球穿過血管壁，到達(dá)被叮咬的部位，攻擊入侵者—完美的附著機(jī)制?，F(xiàn)在，科學(xué)家正以“按需黏著(bondingoncommand)”為題，研究人造納米技術(shù)仿制品蒼蠅腳的特寫鏡頭在斯圖加特金屬研究高分子研究所(Max-PlanckInstituteforMetalResearch)，甲蟲、蒼蠅、蜘蛛和壁虎向人們揭示了其黏著力的秘密。它們依靠細(xì)微的茸毛產(chǎn)生范德華(van-der-Waals)鍵，附著在所接觸的物體表面上。動(dòng)物越重，茸毛越細(xì)密，數(shù)量也越多第7頁/共26頁貝類—嫻熟的粘合高手普通的貝類—就是與蔬菜一起烹飪、在飯店每天都可以吃到的那種，堪稱納米粘合技術(shù)的高手。當(dāng)它想把自己貼在一塊巖石上時(shí)，就會(huì)打開貝殼，把觸角貼到巖石上，它將觸角拱成一個(gè)吸盤，然后通過細(xì)管向低壓區(qū)注射無數(shù)條黏液和膠束，釋放出強(qiáng)力水下膠粘劑。這些黏液和膠束瞬間形成泡沫，起到小墊子的作用。貝類通過彈性足絲停泊在這個(gè)減震器上，這樣，它們就可以隨波起伏，而不至于受傷。布來梅弗勞恩霍弗研究所IFAM(TheFraunhoferInstituteIFAM)正在研究改良的貝類黏液，他們希望可以研制出最精細(xì)的骨瓷，可經(jīng)受洗碗機(jī)的考驗(yàn)。這個(gè)位于羅斯托克(Rostock)和格拉夫瓦爾德(Greifswald)的“新材料及生物材料”研究小組，還將貝類放在顯微鏡下研究。帶有足絲和觸角的貝類第8頁/共26頁生物礦化作用貝類更加擅長(zhǎng)運(yùn)用生物礦化作用。珍珠母由無數(shù)粉末狀晶體以礦物霰石的形式構(gòu)成，但霰石本身卻十分易碎。但在貝類中，它們通過螺旋形高彈性蛋白質(zhì)結(jié)合在一起。蛋白質(zhì)只需占重量3%，就足以形成鮑魚的堅(jiān)硬外殼，比純方解石晶體堅(jiān)硬3000倍。海膽也用這種方法強(qiáng)化其30厘米長(zhǎng)的刺，以抵擋海浪的拍打。生物礦化作用也可以創(chuàng)造非常精密的結(jié)構(gòu)。在靠近菲律賓島的一小塊海底中，生長(zhǎng)著一種名為“維納斯花籃”的海綿動(dòng)物。這種動(dòng)物像土耳其匕首的刀鞘一樣彎曲著，纏繞在其長(zhǎng)軸上。這種海綿因其外皮內(nèi)部的特殊骨架結(jié)構(gòu)而聞名。它們是由細(xì)小的硅石針骨組織構(gòu)成，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)類似于柳條編制的木椅背，可相交成直角或斜角。維納斯花籃被認(rèn)為是生物礦化作用的杰作：微小的硅石（二氧化硅）元素，直徑僅為3納米，首先將海綿細(xì)胞連接成極為精細(xì)的細(xì)胞層，然后卷成硅石針骨，形成編制結(jié)構(gòu)的基本架構(gòu)，可以經(jīng)受各種高壓。維納斯花籃—這種深海海綿動(dòng)物被科學(xué)家作為光纖的生物模型進(jìn)行研究田鼠臼齒牙釉中的三維生物礦物網(wǎng)可保護(hù)牙齒表面不受磨損。第9頁/共26頁硅藻的生物礦化作用具有戰(zhàn)略重要性。這種用顯微鏡才能看清的小生物，依靠硅酸外殼來保護(hù)自己，這種外殼的主要成分是二氧化硅(SiO2)。與同是由二氧化硅構(gòu)成的石英玻璃一樣，硅酸外殼較能抵擋多種酸堿溶液的腐蝕，這就是為什么納米技術(shù)人員希望用它們做納米大小的晶體的反應(yīng)容器。通過化學(xué)反應(yīng)生成納米粒子的一個(gè)竅門就是限制反應(yīng)體積。當(dāng)里面的反應(yīng)材料用完時(shí)，反應(yīng)生成的晶體仍然很小。硅藻含有大量的這種納米小孔，或稱為納米反應(yīng)器。這些有時(shí)看起來非常悅目的硅藻是如何形成的？首批線索已被發(fā)現(xiàn)。雷根斯堡大學(xué)(UniversityofRegensburg)的研究人員發(fā)現(xiàn)，一種名為“聚胺”的著名蛋白質(zhì)組成分，在適當(dāng)濃度的硅酸中可以產(chǎn)生納米粒子，直徑可控制在50至900納米—在自行排列的作用下自發(fā)形成。根據(jù)簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)模式，自然而然地生成硅藻。硅藻與“門格爾海綿”相似，能以最輕的重量維持最大的穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼈儞碛凶詈线m的形態(tài)，以及很可能是得益于其光合作用儀器（葉綠體）的采光系統(tǒng)。第10頁/共26頁生物礦化作用：納米粒子修復(fù)牙齒如果牙齒對(duì)冷或苦的食物很敏感，并導(dǎo)致疼痛，這通常是因?yàn)檠烙灾写嬖诩?xì)小通道（敞開的牙齒細(xì)管）。使用SusTech公司生產(chǎn)的磷酸鈣（磷灰石）納米粒子和蛋白質(zhì)，可快速關(guān)閉通道，速度比傳統(tǒng)的磷灰石化合物快10倍。這層重新礦化的物質(zhì)層與口腔中牙齒自身的牙釉作用一樣。螺旋菌(Magnetotacticumbavaricum)：帶有磁性的細(xì)菌可以合成納米磁鐵鏈，用作指南針的指針。第11頁/共26頁海星Ophiocomawendtii擁有對(duì)光敏感的完美微型透鏡系統(tǒng)。上圖：白天的模樣；下圖：夜間的模樣。Ophiocomawendtii是一種碟形多毛的海星，長(zhǎng)期以來是一個(gè)不解之謎。這種碟形帶甲殼的動(dòng)物有五個(gè)觸角，當(dāng)有潛在敵人靠近時(shí)，它們就會(huì)急忙縮進(jìn)殼里，但是它們顯然沒有眼睛。這個(gè)問題最終在其甲殼上找到了答案，上面長(zhǎng)滿了完美的微型透鏡，將毛茸茸的整個(gè)海星身體變成一個(gè)眼觀六路的眼睛。其中的納米原理？各個(gè)透鏡結(jié)成晶體，以使化方解石的特性只產(chǎn)生一個(gè)不起作用的重影—即納米程度的晶體化控制。為了防止不必要的色邊，向透鏡添加少量的鎂可校正透鏡的“球面像差”。Ophiocoma海星使用的這種納米改進(jìn)技術(shù)，曾為CarlZeiss贏得盛名。第12頁/共26頁應(yīng)用于社會(huì)的納米技術(shù)適用于電腦的AMD64位處理器，擁有采用130納米技術(shù)制造的1.06億個(gè)晶體管目前電腦處理器所使用的晶體管技術(shù)稱為CMOS從上世紀(jì)70年代起，專家們就不斷預(yù)言這一技術(shù)將在10至15年間達(dá)到發(fā)展極限，他們至今仍這么說。然而，隨著電子元件不斷微型化，電子行業(yè)有充分理由相信這一論斷將會(huì)被推翻：在微型化過程中，構(gòu)成物質(zhì)的實(shí)際成份—原子結(jié)構(gòu)，正逐漸浮出水面。然而電子層是原子中可在正常狀態(tài)下結(jié)合從而形成技術(shù)結(jié)構(gòu)的最小組成部分，因此，最根本的局限也呈現(xiàn)在我們眼前。導(dǎo)體路徑無論如何不可能薄于一個(gè)原子。對(duì)于非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)，電子的波浪特征最終必會(huì)顯現(xiàn)—正如量子論所述。但許多科學(xué)家將此視為開發(fā)全新電子元件的契機(jī)，希望借此研制出量子電腦，開創(chuàng)全新的數(shù)學(xué)領(lǐng)域第13頁/共26頁硅晶體上的微小部450℃時(shí)逐漸融化，認(rèn)識(shí)這一過程對(duì)于提高薄層質(zhì)量非常重要?；鶢枑蹱柌祭状髮W(xué)(Christian-AlbrechtsUniversityofKiel)提供的銀金屬上的錳原子。根據(jù)所使用的電壓，被錳原子包圍的電子形成分布模式。諸如此類的效應(yīng)將對(duì)未來的電子行業(yè)產(chǎn)生重要影響。第14頁/共26頁相變型RAM目前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備基于多種技術(shù)，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。磁機(jī)械硬盤驅(qū)動(dòng)器（通常用于現(xiàn)有的臺(tái)式電腦）的存儲(chǔ)密度非常高，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)無需持續(xù)電流供應(yīng)，但存取數(shù)據(jù)的速度很慢。相對(duì)而言，DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）速度雖快，但需用電流脈沖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷“刷新”。應(yīng)用于MP3播放器、移動(dòng)電話和數(shù)碼相機(jī)的閃存(FlashMemory)，保存數(shù)據(jù)無需持續(xù)電流供應(yīng)，但速度趕不上DRAM，而且只能使用100萬次左右。未來的納米技術(shù)存儲(chǔ)概念，應(yīng)能包攬上述所有優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)密度高、速度快、無需電流即可保存數(shù)據(jù)以及壽命長(zhǎng)等，從目前的觀點(diǎn)來看，就是MRAM（磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）以及相變型RAM。上圖：電腦位存儲(chǔ)層在不同時(shí)長(zhǎng)的電流和熱脈沖作用下，可在非晶態(tài)和晶態(tài)之間來回轉(zhuǎn)變。IHTofRWTHAachen的這款專利設(shè)計(jì)，使低功耗快速存儲(chǔ)成為可能。下圖：相變型RAM元件的真實(shí)設(shè)計(jì)。第15頁/共26頁從3D開始—芯片高度不斷增加慕尼黑的英飛凌(InfineonAG)公司目前已發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)第三維的方法，英飛凌已成功在晶片上生成碳納米管(CNT)（晶片是指拋光硅片，用于安裝電腦芯片）。碳納米管是絕佳導(dǎo)體，幾乎不會(huì)產(chǎn)生廢熱，可用作電(VIA)，還可用于處理芯片各級(jí)線路間的機(jī)械壓力。長(zhǎng)期來看，英飛凌研究人員認(rèn)為，藉CNT可以開發(fā)出真正的3D芯片技術(shù)，尤其因?yàn)镃NT卓越的導(dǎo)熱性能，有助于發(fā)散3D芯片內(nèi)部的熱量。功能強(qiáng)大的硬盤新特性：閱讀頭運(yùn)用巨大磁阻，其半導(dǎo)體元件有20多個(gè)納米層。第16頁/共26頁使用微電子兼容工藝，使碳納米管在硅晶片預(yù)定點(diǎn)進(jìn)行生長(zhǎng)現(xiàn)代藝術(shù)：自旋子RAM的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)硅片上的單個(gè)有機(jī)分子。德國波鴻魯爾大學(xué)(RuhrUniversityofBochum)掃描隧道顯微鏡圖像隧道連接量子線—電子穿越經(jīng)典理論所稱之被封鎖的通道。納米技術(shù)試驗(yàn)開始逐漸推翻這一理論第17頁/共26頁自旋電子學(xué)—用自旋電子進(jìn)行運(yùn)算自旋電子元件可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)真正的革命，可能使摩爾定律仍然適用于未來，它不僅用到電子的電特性，還利用其磁特性—自旋。電子自旋表現(xiàn)為一種微弱的磁慣性，它以一種復(fù)雜的方式與其它磁體相互作用，因此可用于電子用途?！白孕娮印被虼烹娮拥膽?yīng)用已進(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ睿盒滦陀脖P安裝有“自旋閥”薄層閱讀頭，可在巨大磁阻基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)非常微小的磁疇，從而極大提高存儲(chǔ)密度。如同縮微城市般復(fù)雜—借助掃描電子顯微鏡觀察到的芯片蝕刻銅電路(IBM)。現(xiàn)代芯片有多達(dá)九級(jí)的電路在磁存儲(chǔ)芯片MRAM中，信息存儲(chǔ)在磁層的自旋中。這一技術(shù)對(duì)非易失性主存儲(chǔ)器意義重大，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，可能會(huì)取代機(jī)械操作硬盤。自旋極化掃描隧道顯微鏡的探磁針掃描單個(gè)原子的磁性。第18頁/共26頁醫(yī)療保健含有納米粒子的薄膜可以長(zhǎng)久保鮮食品采用聚合物基應(yīng)答器芯片，進(jìn)行智能包裝2020年早餐及其重要性：還有咖啡嗎？當(dāng)然有，那橙汁呢？當(dāng)然也有，不過包裝盒會(huì)有較特別之處，比如包裝盒內(nèi)的“電子舌”，可以檢測(cè)橙汁，確定橙汁仍然適合飲用。浴室鏡上裝配納米電子裝置，按要求向用戶提供信息，但它對(duì)橙汁多少有些保守，因?yàn)槌戎?，易引起蛀牙。這樣就又有了納米技術(shù)的用武之地：在牙膏（已問世）中添加納米級(jí)的磷灰石和蛋白質(zhì)粒子，這些是牙齒中含有的天然成分，幫助牙齒恢復(fù)正常狀態(tài)（請(qǐng)參閱生物礦化作用）。在日霜（已問世）中含有納米級(jí)的氧化鋅粒子，可抵抗有害的紫外線輻射。由于是納米級(jí)粒子，完全無形無色，因此日霜并非白色，而是完全透明的。配備納米電子裝置的智能鏡面播放牙齒清潔課程第19頁/共26頁未來的診斷學(xué)。采用納米技術(shù)，目前日益昂貴的治療方法將能夠?yàn)榇蟊娝惺芊玫乃幬飼?huì)變得非常先進(jìn)，可以裝入超分子中空分子（開發(fā)中）、納米運(yùn)輸容器中，容器上帶有觸角，觸角上附有類似的感知蛋白質(zhì)的抗體。當(dāng)接觸到致病因子的特有結(jié)構(gòu)時(shí)（如癌細(xì)胞或細(xì)菌外表），觸角將接觸在因子表面上，向中空分子發(fā)出信號(hào)，中空分子收到信號(hào)后打開膠囊，釋放出藥物。采用這種納米技術(shù)，可以將大劑量的藥物直接送到病源，而不會(huì)對(duì)機(jī)體的其它部位造成任何刺激，從而減輕副作用。超分子藥物膠囊應(yīng)用于癌癥治療的磁性粒子帶有特別涂層的磁性納米粒子，將把惡性膠質(zhì)腦瘤中的癌細(xì)胞“塞滿”，達(dá)到健康組織界限。如果此時(shí)采用電磁場(chǎng)使粒子活躍起來，就非常有利于對(duì)腫瘤進(jìn)行深入的治療。這一技術(shù)己于2005年獲得醫(yī)療批準(zhǔn)。第20頁/共26頁納米粒子粉末可以用于燒制（燒結(jié)）完美、可靠的陶瓷產(chǎn)品，比如用于移植的陶瓷產(chǎn)品微小而精密的“