納米生物學與醫藥納米結構檢測

納米科學技術是指在納米尺度(約在1～100納米之間)上研究物質的特性和相互作用(包括原子、分子的操縱)，以及利用這些特性的多學科交叉的科學和技術。這一技術使人類認識和改造物質世界的能力延伸到了原子和分子水平，是當今最重要的新興科學技術之一，已經引起了科學界和產業界的極大關注。

納米科技的起源

納米是長度度量單位，一納米為十億分之一米。納米科技這一初始概念是已故美國著名物理學家、諾貝爾物理學獎得主費恩曼(R.Feynman)于1959年在美國加州理工學院作題為“在低部還有很大空間”的講演中提出的。費恩曼指出：如果人類能夠在原子或分子尺度上來加工材料、制備裝置，則將會有許多激動人心的新發現。他還強調：人們需要新型的微型化儀器來操縱納米結構并測定其性質。費恩曼憧憬說：試想，如果有一天，人們可以按自己的意志來安排一個個原子，將會產生怎樣的奇?

與所有的天才假想一樣，費恩曼的科學思想起初并未被接受。然而科技的迅猛發展很快證明了費恩曼是正確的。繼費恩曼之后，許多科學家又盡情發揮想像力，從不同角度繼續編織納米技術的神奇夢想。

納米科技的迅速發展是在1980年代末1990年代初。1980年代初，賓尼希(C.Binnig)和羅雷爾(H.Rohrer)等人發明了費恩曼所期望的納米科技研究的重要儀器--掃描隧穿顯微鏡(scanningtunnelingmicroscopy，STM)。STM不僅以極高的分辨率揭示出了“可見”的原子、分子微觀世界，同時也為操縱原子、分子提供了有力工具，從而為人類進入納米世界打開了一扇更加寬廣的大門。

與此同時，納米尺度上的多學科交叉迅速形成了一個有廣泛學科內容和潛在應用前景的研究領域。1990年，納米技術獲得了重大突破。美國IBM公司阿爾馬登研究中心(AlmadenResearchCenter)的科學家使用STM把35個氙原子移動到各自的位置，組成了“IBM”三個字母，這三個字母加起來不到3納米長。

1990年7月，第一屆國際納米科學技術大會和第五屆國際掃描隧穿顯微學大會在美國巴爾的摩同時召開，正式宣告了納米科技作為一門學科的誕生。其后，《納米技術》、《納米生物學》、《納米粒子研究》等國際性專業期刊也相繼問世。至此，納米科技正式步入科學殿堂，并迅速成為一顆耀眼的新星。

由于納米科技的多學科交叉性質，納米科技的研究對象涉及諸多領域，而它的基礎研究問題又往往與應用密不可分。根據納米科技與傳統學科領域的結合，人們常將納米科技分為納米材料學、納米電子學、納米生物學、納米化學、納米機械學和納米加工等。為簡便起見，本文分納米材料、納米器件、納米生物和醫藥、納米結構表征與檢測四類來介紹納米科技。

納米材料

納米材料是納米科技的基礎和先導，已成為世界各國納米科技發展的熱點。納米材料是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度，并且具有特殊性能的材料，其主要類型為：納米顆粒與粉體、納米碳管和一維納米材料、納米薄膜、納米塊材等。

納米材料尺寸小，會產生常規材料所不具有的小尺寸效應、表面與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，以及大的比表面等，使納米材料具有許多不同于傳統材料的獨特性能，從而優化材料的光、熱、電、磁等性能，從根本上改變材料的結構，為克服材料科學研究中未能解決的問題開辟了新途徑。

納米材料的研究主要包括兩個方面：一是發展新材料，二是系統地研究納米材料的性能和結構等，通過和常規材料對比，找出納米材料特殊的規律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。

目前研究的納米材料主要有以下五類：(1)納米陶瓷材料，以此克服傳統陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有金屬的柔韌性和可加工性;(2)納米電子材料，即用于納米電子學研究的材料。納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新理念構造電子系統，以開發物質潛在的存儲和處理信息的能力，實現信息采集和處理能力的革命性突破;(3)納米生物及醫學材料，即用于生物工程的材料;(4)納米光電材料，用于現有的光電轉換;(5)化工領域的高效長壽的催化劑以及多用途的具有特異性能的新型粉體材料。

納米器件

納米科技的最終目的是以原子、分子為起點，制造具有特殊功能的產品。因此，納米器件的研制和應用水平是進入納米時代的重要標志。

納米器件的研究動力來自市場需求和科學發展兩方面。納米器件通常可分為三類：納米電子器件、光電子器件和分子電子器件。納米電子器件有單電子器件、隧穿器件、磁通量子器件、自旋器件等;光電子器件有低維半導體激光器、探測器和調制器等;分子電子器件主要有分子開關和分子邏輯器件等。

制造具有特定功能的納米產品的技術路線可分為“自上而下”和“自下而上”兩種方式。“自上而下”是指通過微加工或固態技術，不斷在尺寸上將人類創造的功能產品微型化;“自下而上”是指以原子、分子為基本單元，根據人們的意愿進行設計和組裝，構筑成具有特定功能的產品。其中，后一種技術路線可減少對原材料的需求，降低環境污染。

1999年，美國聯邦政府向國會提出的國家納米技術計劃中，把納米器件作為研究重點之一。計劃描述的納米器件的遠景是：納米技術將促進信息技術硬件的革命，其意義可能會超過30年前微電子取代真空電子管的革命。微小的晶體管和存儲芯片將成百萬倍地提高計算機的速度和性能，成千倍地提高單位面積的存儲密度，電子存儲器件可達到數千兆的存儲容量，使數據能存儲在針尖上，數萬倍地降低功耗。

最近，美國康奈爾大學利用生物分子部件研制的一架80納米大小的“納米直升機”，可在人體生物能量的驅動下，實現自行組裝、維護和修理，其由金屬鎳制成的螺旋槳可利用人體生物能每秒轉8周。

人們希望通過對納米生物學的研究，進一步掌握在納米尺度上應用生物學原理制造生物分子器件的技術。目前，科學家已在納米化工、生物傳感器、生物分子計算機、納米分子馬達等方面做了重要嘗試。

納米生物和醫藥

納米科技的發展方向之一是基于納米材料、納米器件及納米表征測量技術等推動生命科學技術。各國對納米生物醫學的研究與發展都給予了高度重視。

納米生物學在納米尺度上研究生物結構與生物反應機理，其中包括復制、修復以及調控等多方面的生物過程，其研究對象是納米尺度的生物大分子、細胞器等生物體的結構、功能以及動態生物過程。

納米生物學與分子生物學的主要不同在于它利用納米表征測量技術等手段，直接在納米尺度上從事研究，它不僅包括對分子結構的觀察，而且還以對分子的操縱和改性為目標，根據生物學原理，發展分子工程(主要包括納米尺度的機器人以及智能化的信息處理系統)。納米醫學則是借助納米科技開展疾病預防、診治以及康復等許多醫(藥)學應用的科技，將對人類衛生健康事業的發展起巨大的推動作用。1992年創刊的《納米生物學》標志著納米生物學的誕生。1999年，美國出版了《納米醫學》的第一卷，表明人們已開始多方位探索納米科技在醫學臨床診治、藥物學、康復等方面的應用，并將直接應用于人類健康關懷事業。

就國內外發展動態而言，今后，納米生物醫學的發展重點主要為：單分子等生物納米結構的檢測與操縱、功能分子組裝技術(含基于DNA的納米技術)、納米材料的安全性研究、納米磁性材料及其生物醫學應用技術、納米材料及技術在醫學材料研發方面的應用、生物醫學納米器件、納米技術推動藥學進步的研究等。

納米結構表征與檢測

納米科技是科學發展的新領域，在這個領域內，很多結構和特性還不為人們所認識，因此測量和表征是發展納米科技的入門和基礎，也是納米科技發展的前提和條件。這些測量和表征包括：①結構測量，包括納米結構的形貌，納米材料的顆粒尺寸測量與粒度分布分析，結構的周期有序性和完整性測量等;②物理化學性能測量，如電學、磁學、熱學、電子態、化學鍵合等性質的測定;③對納米結構在原子、分子尺度的操縱和控制及原子、分子尺度結構的構建等。

用于納米結構的表征技術中，一部分是屬于常規的、發展完備的實驗方法，如X射線衍射、電子顯微鏡等，另一部分則是以掃描隧穿顯微鏡為代表的掃描探針顯微(ScanningProbeMicroscope，SPM)技術。SPM技術不僅使人們能以原子、分子分辨率直接觀測樣品表面納米尺度的結構，觀察原子、分子的排列和取向，還可以用于操縱單個原子、分子，對物質表面進行可控的局域加工或進行局域的化學反應。

SPM技術的這些獨有特點使它成為當今表面科學、材料科學、納米電子學、生命科學等領域重要的研究工具，因此被形象地稱為納米科技的“眼”和“手”。所謂“眼”，即可利用SPM直接觀察原子、分子以及納米粒子的相互作用與特性;所謂“手”，是指SPM可用于移動原子，構造納米結構，同時為科學家提供在納米尺度下研究新現象、提出新理論的微小實驗室。

同時，與納米材料和結構的制備過程及納米器件性能的檢測相結合的多種新型納米檢測技術的研究和開發也受到廣泛重視，如激光鑷子技術、聚焦粒子束加工技術等。由于SPM以及其他新型納米檢測技術的進步與完善，納米科技的最終目標--制造納米產品的夢想正在逐步變為現實。

納米科技的發展前景

鑒于納米科技對高新技術產業的重要影響，世界上掀起了納米技術研究的熱潮，很多國家紛紛制訂納米技術研究開發專門計劃，爭取搶占21世紀科技戰略制高點。綜合分析國內外納米科技發展現狀，目前，納米科技的發展大致有幾個方面的發展趨勢。

材料與制造納米技術將對材料制備產生根本變革：將合成并建造尺寸和性能可控、重量更輕、強度更高、加工性更好的材料;以新原理和新結構在納米層次上構筑特定性質的或自然界不存在的材料，以及其他生物材料和仿生材料。

納米電子與器件將研制更節能、更價廉、使計算機的效率提高百萬倍的納米結構微處理器、更高工作頻率的寬帶網、海量的存儲器、集傳感、數據處理和通訊為一體的智能器件等。

環境和能源發展綠色能源和環境處理技術，減少污染和恢復被損壞的環境;提高監測環境的傳感器靈敏度;更有效地處理核廢料;利用納米過濾器分離核燃料中的同位素;成倍提高太陽能電池的能量轉換率。

醫學和衛生納米技術將給醫學帶來變革：利用納米器件進行基因診斷，以及早發現癌細胞，并主動搜索和攻擊癌細胞或修補損傷組織;為藥物在體內輸運提供新的方式和路線;預防移植后的排斥反應。

生物技術和農業生物合成為制造新的化學品和新藥提供了新方式。通過在納米尺度上按照預定的對稱性和排列制備具有生物活性的蛋白質、核糖核酸等，對動植物的基因進行改善和治療，將藥物和基因植入動物體內，利用納米陣列測試DNA，了解生物的基因和基因表達。

航空與航天納米器件在航空航天領域的應用，不僅可增加有效載荷，更重要的是可使耗能指標指數成倍地降低。這方面的研究內容還包括：設計和制造重量更輕、強度更高、熱穩定性更好的納米結構材料;為微型航天器研制用納米集成的測試、控制和電子設備;研制低能耗、抗輻射、高性能的計算機。

科學與教育納米科學將極大地改變人們對客觀世界的認知水平，推動物理、化學、生物學、材料科學、數學和工程學等學科的發展。

國家安全由于納米技術對經濟社會的廣泛滲透，擁有納米技術知識產權和廣泛應用這些技術的國家將在國家經濟和國防安全方面處于有利地位。通過先進的納米電子器件在信息控制方面的應用，可極大地提高軍隊在預警、導彈攔截等方面的反應速度;通過納米機械學、微小機器人的應用，可提高部隊的靈活性并增加戰斗的有效性;通過納米材料技術的應用，可大大提高艦船、潛艇和戰斗機等武器裝備的耐腐蝕性、吸波性和隱蔽性。

由于人們在原子、分子水平上對物質控制能力的提高，納米科技發展的進程正在逐步加快。2000年10月，中國政府明確提出了將新材料和納米科學的進展作為“十五”規劃中科技進步和創新的重要任務，這為中國21世紀納米科技的快速發展奠定了重要基礎。近年來，中國的納米材料研究取得了重要進展，引起了國際上的關注，使中國的基礎研究在國際上占有了一席之地，應用開發研究也出現了新局面。相信在各方的共同努力下，中國定會為納米科技的發展做出更大的貢獻。