过程工程所在基于生物分子组装的仿生光合成和抗肿瘤治疗方面取得系列进展

过程工程所在基于生物分子组装的仿生光合成和抗肿瘤治疗方面取得系列进展

多尺度分级有序组装是生物体中普遍存在的一种现象。生物内源分子包括肽和蛋白质等均能通过分子间多种弱相互作用（如氢键、静电力、范德华力、π效应和疏水作用等）的协同，自组装形成各种多尺度有序结构，为生物体提供多样化的功能。对多尺度分级有序组装的研究，一方面有助于人们在分子水平上认识自然界中生命起源、形成和演化的过程；另一方面也为新材料的合成以及生物新技术的开发提供了新的思路和手段。然而，如何通过弱相互作用的协同和调控，实现生物分子（尤其是生物小分子如寡肽）可控组装，构建仿生的多尺度分级有序功能体系仍是一个长期的挑战。

在国家自然科学基金委、中组部和中科院的大力支持下，中科院过程工程所的闫学海研究员团队在基于生物分子组装的仿生光合成和抗肿瘤治疗方面取得系列进展。研究人员受天然蛋白质调控色素分子自组装的启发，提出了寡肽调控卟啉自组装构建仿生功能体系的策略。通过对寡肽亲疏水性的合理设计，实现了分子、纳米和微米尺度有序自组装结构的构建，获得的长程有序自组装纤维束具有光学各向异性、手性放大、大斯托克斯位移、增强的光稳定性和光催化活性等特性（Angew. Chem. Int. Ed. 2015， 54， 500-505）。进一步研究表明，这种寡肽调控卟啉自组装的过程在模拟火山热液的环境中能够高效地进行，获得的多尺度组装结构在酸性、高温和高盐的条件下稳定，并且能够通过原位矿化整合二氧化钛和铂纳米颗粒。杂化组装体中卟啉和纳米颗粒的有序排布与绿色硫细菌中绿色体和反应中心蛋白的组织形式类似，实现了在苛刻条件下的光催化产氢（Angew. Chem. Int. Ed. 2016， 55， 12503-12507，图1）。因此，肽调控卟啉自组装的多尺度有序结构一定程度上模拟了生物光合成系统，为研究原始光合成系统的形成提供了参考，并对仿生生物能源体系的构建具有重要指导意义（Adv. Mater. 2016， 28， 1031-1043）。

肽调控功能分子的自组装，不仅为仿生生物能源提供了一种新的思路，也为纳米药物的构建提供了一种新的策略。针对光动力治疗中光敏剂药物递送效果差的问题，研究人员通过分子间弱相互作用的协同和调控，实现了寡肽分子对光敏剂的可控组装，获得的光敏剂纳米药物稳定性好、载药量高、具多重响应性释放和肿瘤选择性富集等优点，在小鼠体外和体内抗肿瘤治疗中起到了良好效果（Angew. Chem. Int. Ed. 2016， 55， 3036-3039）。寡肽分子具有生物安全性好、无免疫原性的优点，以其调控药物分子自组装有望获得高效抗肿瘤纳米药物（Adv. Mater. 2017， DOI： 10.1002/adma.201605021）。在最近的工作中，他们设计、合成了寡肽和卟啉的共价复合物，这种新型的复合物在水体系中能自发组装形成粒径25 nm左右的纳米点。组装过程中卟啉在π效应作用下形成J-聚集结构，而肽分子不仅通过亲水作用为纳米点提供了在水环境中的良好分散性，而且通过与卟啉的π作用阻止了纳米点的进一步生长，实现了长期的胶体稳定性。由于纳米点中卟啉处于高度聚集状态，其吸收的光能通过荧光或光化学失活的途径被抑制，增强了其光热转换效率。纳米点在肿瘤的光热治疗中展现了优良的肿瘤富集和肿瘤杀伤性能，首次实现了肽调控自组装光热纳米粒子的构建和抗肿瘤治疗应用，为以超分子科学设计治疗性的纳米组装药物提供了新的思路（J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139， 1921-1927，图2）。

基于该研究团队在肽自组装和功能调控方面的系列研究，英国皇家化学会发表了题为"肽自组装：热力学与动力学"的Critical Review（Chem. Soc. Rev.， 2016， 45， 5589-5604），系统评述了肽自组装中热力学和动力学调控的重要性和相关进展，并展望了肽基多尺度分级有序组装和功能调控领域的未来发展方向。

仿生学的故事

苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。

【人类仿生由来已久】

自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。劳动创造了人类。人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此，人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。

鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生的先驱，也是仿生学的萌芽。

生物在漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中，它们利用声音寻食，逃避敌害和求偶繁殖。因此，声音是生物赖以生存的一种重要信息。意大利人斯帕兰赞尼很早以前就发现蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行，既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫，但是堵塞蝙蝠的双耳后，它们在黑暗中就寸步难行了。面对这些事实，帕兰赞尼提出了一个使人们难以接受的结论：蝙蝠能用耳朵“看东西”。第一次世界大战结束后，1920年哈台认为蝙蝠发出声音信号的频率超出人耳的听觉范围。并提出蝙蝠对目标的定位方法与第一次世界大战时郎之万发明的用超声波回波定位的方法相同。遗憾的是，哈台的提示并未引起人们的重视，而工程师们对于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的。直到1983年采用了电子测量器，才完完全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的。但是这对于早期雷达和声纳的发明已经不能有所帮助了。

另一个事例是人们对于昆虫行为为时过晚的研究。在利奥那多·达·芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器400年之后，人们经过长期反复的实践，终于在1903年发明了飞机，使人类实现了飞上天空的梦想。由于不断改进，30年后人们的飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和才能。但是在继续研制飞行更快更高的飞机时，设计师又碰到了一个难题，就是气体动力学中的颤振现象。当飞机飞行时，机翼发生有害的振动，飞行越快，机翼的颤振越强烈，甚至使机翼折断，造成飞机坠落，许多试飞的飞行员因而丧生。飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象，经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法。就在机翼前缘的远端上安放一个加重装置，这样就把有害的振动消除了。可是，昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了，它们也毫不例外地受到颤振的危害，经过长期的进化，昆虫早已成功地获得防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时，发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉，飞行就变得荡来荡去。实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害，这与设计师高超的发明何等相似。假如设计师们先向昆虫学习翼眼的功用，获得有益于解决颤振的设计思想，就可似避免长期的探索和人员的牺牲了。面对蜻蜓翅膀的翼眼，飞机设计师大有相见恨晚之感！

以上这三个事例发人深省，也使人们受到了很大启发。早在地球上出现人类之前，各种生物已在大自然中生活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力。生物学的研究可以说明，生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具备了适应内外环境变化的能力。生物界具有许多卓有成效的本领。如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等，显示出许多机器所不可比拟的优越之处。生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已。

【连接生物与技术的桥梁】

自从瓦特（James Watt，1736～1819）在1782年发明蒸汽机以后，人们在生产斗争中获得了强大的动力。在工业技术方面基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题，从而引起了第一次工业革命，各式各样的机器如雨后春笋般的出现，工业技术的发展极大地扩大和增强了人的体能，使人们从繁重的体力劳动解脱出来。随着技术的发展，人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并向自动化时代迈进。

20世纪40年代电子计算机的问世，更是给人类科学技术的宝库增添了可贵的财富，它以可靠和高效的本领处理着人们手头上数以万计的各种信息，使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来，使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力，它们准确地调整、控制着生产程序，使产品规格精确。但是，自动控制装置是按人们制定的固定程序进行工作的，这就使它的控制能力具有很大的局限性。自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力，如果发生任何意外的情况，自动装置就要停止工作，甚至发生意外事故，这就是自动装置本身所具有的严重缺点。要克服这种缺点，无非是使机器各部件之间，机器与环境之间能够“通讯”，也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这一难题，在工程技术中就要解决如何接受、转换。利用和控制信息的问题。因此，信息的利用和控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾。如何解决这个矛盾呢？生物界给人类提供了有益的启示。

人类要从生物系统中获得启示，首先需要研究生物和技术装置是否存在着共同的特性。1940年出现的调节理论，将生物与机器在一般意义上进行对比。到1944年，一些科学家已经明确了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致的。在这样的认识基础上，1947年，一个新的学科——控制论产生了。

控制论（Cybernetics)是从希腊文而来，原意是“掌舵人”。按照控制论的创始人之一维纳（Norbef Wiener,1894～1964)给予控制论的定义是“关于在动物和机器中控制和通讯”的科学。虽然这个定义过于简单，仅仅是维纳关于控制论经典著作的副题，但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了一起。

控制论的基本观点认为，动物（尤其是人）与机器（包括各种通讯、控制、计算的自动化装置）之间有一定的共体，也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律。根据控制论研究表明，各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工过程。控制系统工作的正常，取决于信息运 行过程的正常。所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能的整体。从信息的观点来看，控制系统就是一部信息通道的网络或体系。机器与生物体内的控制系统有许多共同之处，于是人们对生物自动系统产生了极大的兴趣，并且采用物理学的、数学的甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究。因此，控制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础。成为沟通生物系统与技术系统的桥梁。

生物体和机器之间确实有很明显的相似之处，这些相似之处可以表现在对生物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程。我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器，和其它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力。也可以把生物体比作一个自动化的工厂，它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种结构协调地进行工作；它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应，而且能像自动控制一样，借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节。例如我们身体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的产生和发展，为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁，使许多工程人员自觉地向生物系统去寻求新的设计思想和原理。于是出现了这样一个趋势，工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果，就主动学习生物科学知识。

【仿生学的诞生】

随着生产的需要和科学技术的发展，从50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学。

仿生学作为一门独立的学科，于1960年9月正式诞生。由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗？”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学，1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。斯梯尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。简言之，仿生学就是模仿生物的科学。确切地说，仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看，仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福。

【仿生学的研究方法与内容】

仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号，把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成，而且也概括表达了仿生学的研究途径。

仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理，并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。

仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段：

首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题，将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容，取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生，更重要的是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复，才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果，使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性。从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统。它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制，它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量，才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合，才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一，局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系，即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟。为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果。因此，仿生学的研究方法必须着重于整体。

仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类，它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内，仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展，学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究。例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等。从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究，即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来，近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。

总之，仿生学的研究内容，从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代，仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用。在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展。闪此，仿生学的科研显示出无穷的生命力，它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。

【仿生学的研究范围】

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。

◇力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；

◇分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；

◇能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；

◇信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。

模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。

某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别的研究，大脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等——是仿生学研究的主攻方面。

控制与信息仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制和信息过程，都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬件系统；而生物控制论则从控制论的一般原理，从技术科学的理论出发，为生物行为寻求解释。

最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。—般认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。

由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。

【仿生学的现象】

苍蝇与宇宙飞船

令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。

苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。

每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。

仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。

从萤火虫到人工冷光

自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼。那么，有没有只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然。

在自然界中，有许多生物都能发光，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些动物发出的光都不产生热，所以又被称为“冷光”。

在众多的发光动物中，萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率，而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高。因此，生物光是一种人类理想的光。

科学家研究发现，萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光。萤火虫的发光，实质上是把化学能转变成光能的过程。

早在40年代，人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯，使人类的照明光源发生了很大变化。近年来，科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶，接着，又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源，不会产生磁场，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

现在，人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光，作为安全照明用。

电鱼与伏特电池

自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种 。人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”。

各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压，称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。

电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究， 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样。电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体，位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。单个电板产生的电压很微弱，但由于电板很多，产生的电压就很大了。

电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究，还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

水母的顺风耳

“燕子低飞行将雨，蝉鸣雨中天放晴。”生物的行为与天气的变化有一定关系。沿海渔民都知道，生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海，就预示着风暴即将来临。

水母，又叫海蜇，是一种古老的腔肠动物，早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了。这种低等动物有预测风暴的本能，每当风暴来临前，它就游向大海避难去了。

原来，在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产生的次声波 (频率为每秒8—13次)，总是风暴来临的前奏曲。这种次声波人耳无法听到，小小的水母却很敏感。仿生学家发现，水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄，柄上有个小球，球内有块小小的听石，当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时，听石就剌激球壁上的神经感受器，于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声。

仿生学家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。把这种仪器安装在舰船的前甲板上，当接受到风暴的次声波时，可令旋转360°的喇叭自行停止旋转,它所指的方向，就是风暴前进的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度。这种预测仪能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。

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纳米在生物学上都有哪些应用

关于“纳米医学发展的NIH路线图”的报告介绍说，NIH路线图的目标是在活体和纳米尺度控制和操纵生物学，可以分为以下三步：定量地表征细胞中的纳米机器和生物分子的物理和化学性质；理解活体细胞的工程原理来创造分子、细胞和组织等；利用这种性质和设计原理开发新的技术、器件和复合结构，从而进行组织修复，疾病的控制和治疗。美国针对威胁人类健康的肿瘤疾病成立了肿瘤研究的纳米技术联盟，其纳米技术表征实验室作为一个平台对联盟的成员开放，针对肿瘤的早期诊断、实时有效评估、多渠道治疗方法、分子改变监测、症候管理和靶向治疗等方面展开合作研究。

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标准化却还没有建立，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规范化，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。

“生物医学用磁性纳米材料及器件”的中心议题报告中介绍了生物医学用磁性纳米材料及器件在生物学与生物技术、医学以及药学等方面的应用及发展；同时，也提出了在这个发展过程中存在的一些急需研究的问题：(1)还有哪些新奇的性质可以应用？对不同分子探针的组装、联合及效能等；（2）磁性纳米材料究竟是在什么水平，如究竟是在细胞层次还是在组织层次上，对生物产生综合影响；（3）影像对磁性纳米材料对比剂尺寸和其他性质的依赖程度；（4）磁性纳米材料在生物体内的分散及循环问题；（5）磁性纳米材料的生物安全性、生物相容性等。

《生物微纳传感技术》的报告，对建立在纳米材料的生物相容性、磁性、催化性能等特性基础上的新型传感技术进行了综述和探讨，如纳米单通道技术利用随机传感形成的电流脉冲信号来实现DNA测序、单核苷多态性、特异序列DNA等的识别分析。此外，纳米阵列通道技术、纳米阵列电极、纳米微流控通道、纳米间隙等技术对基因识别、蛋白质的结构及修饰特征、药物作用靶标的发现与确证、药物筛选等方面的研究有着广阔的应用前景。

纳米技术的生物效应及安全性

“纳米生物环境健康效应与纳米安全性”的研究发现，由于小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等，纳米材料具有特殊的物理化学性质，在进入生命体和环境以后，它们与生命体相互作用所产生的化学特性和生物活性与化学成分相同的常规物质有很大不同。一方面要充分评价其安全性问题，比如对人类健康以及生态环境等造成不利影响。另一方面，对纳米颗粒与生命过程的相互作用过程的研究，发现纳米颗粒对生命过程的调控功能和正面的影响，也是纳米医学发展高效诊断和治疗的关键。与会专家一致认为对于纳米技术安全性的评价是为了保障纳米技术在纳米医学和纳米生物学方面的更好的应用，更好地将纳米技术应用到现实生活中去。

“纳米材料安全评价的研究战略和碳纳米管的生物分布”的专题报告，对目前国际上纳米材料安全评价的研究进行了综述，指出纳米安全性的研究并不是要阻碍纳米科技的发展，而是为纳米技术的快速高效发展铺平道路。

纳米技术的认识

理论含义

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纳米技术(nanotechnology），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。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界，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?[2]??。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

利用纳米技术将氙原子排成IBM

主要内容

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纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：

纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等 。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

纳米纤维

1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。 纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术?[3]??。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。

纳米技术包含下列四个主要方面：

1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。

如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。

过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

为什么磁畴变成单磁畴，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为，磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。

这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。

2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),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.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。

理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。

3、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。

纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。（上面是老钱加注）

4、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/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。

历史沿革

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纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”

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（Norio Taniguchi）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，

理查德·费曼

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”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。现代制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想?[4]??。

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，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；

1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用35个氙原子排出“IBM”之后，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，利用这种技术可望在2017年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；

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；

到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；

2001年，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地?[5]??。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”进行大力的发展与其相关产业的大力扶持。

应用领域

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英特尔cpu

当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料?[6]??。

1、纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。

2、纳米技术带动了技术革命。

3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。

4、如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。

5、纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。

6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。

7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况，可让医生对症下药。

测量技术

纳米级测量技术包括：纳米级精度的尺寸和位移的测量，纳米级表面形貌的测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。

一是光干涉测量技术，它是利用光的干涉条纹来提高测量的分辨率，其测量方法有：双频激光干涉测量法、光外差干涉测量法、X射线干涉测量法、F一P标准工具测量法等，可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。

二是扫描探针显微测量技术(STM)，其基本原理是基于量子力学的隧道效应，它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触)，借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。

用这原理的测量方法有：扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等。

加工技术

纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。

由于原子间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能，即所播的能量密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。

截至2008年纳米加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加工超大规模集成电路时，可实现0.1μm线宽的加工：离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除：扫描隧道显微技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。

粒子制备

纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。

应用纳米技术制成的服装

纳米技术应用——计算机磁盘

真空冷授法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控，但技术设备要求高。

物理粉碎法：透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产晶纯度低，顺粒分布不均匀。

机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

气相沉积法：利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。

沉淀法：把沉淀剂加人到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料.其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备载化物。

应用纳米技术制成的服装

水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。

溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和11一VI族化合物的制备。

徽乳液法：两：互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在徽泡中经成核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和接口性好，11一VI族半导体纳米粒子多用此法制备。

水热合成法——高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得到纳米粒子。其特点是纯度高，分散性好，粒度易控制。

材料合成

自1991年Gleiter等人率先制得纳米材料以来，经过10年的发展纳米材料有了长足的进步。如今纳米材料种类较多，按其材质分有：金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等等。纳米材料是超徽粒材料，被称为“21世纪新材料”，具有许多特异性能。

例如用纳米级金属微粉烧结成的材料，强度和硬度大大高于原来的金属，纳米金属居然由导电体变成绝缘体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的直径的减小而降低。例如金的熔点为1064℃，但10nm的金粉熔点降低到940℃，snm的金粉熔点降低到830℃，因而烧结温度可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油中。可提高内燃机的效率。

加入固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。可以注射到血管内顺利进入微血管。

疾病诊断

当前常规的成像技术只能检测到癌症在组织上造成的可见的变化，而这个时候已经有数千的癌细胞生成并且可能会转移。而且，即使是已经可以看到肿瘤了，由于肿瘤本身的类别（恶性还是良性）和特征，要确定有效的治疗方法也还必须通过活组织检查。如果对癌性细胞或者癌变前细胞以某种方式进行标记，使用传统设备即可检测出来则更有利于癌症的诊断。

要实现这一目标有两个必要条件：某技术能够特定识别癌性细胞且能够让被识别的癌性细胞可见。纳米技术能够满足这两点。例如，在金属氧化物表面涂覆可特异识别癌性细胞表面超表达的受体的抗体。

由于金属氧化物在核磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）下发出高对比度信号，因此一旦进入体内后，这些金属氧化物纳米颗粒表面的抗体选择性地与癌性细胞结合，使检测仪器可以有效地识别出癌性细胞。同样地，金纳米粒也可以用于增强在内窥镜技术中的光散射。纳米技术能够将识别癌症类别及不同发展阶段的分子标记可视化，让医生能够通过传统的成像技术看到原本检测不到的细胞和分子。

在人类与癌症的斗争中，有一半的胜利是得益于早期的检测。纳米技术使得癌症的诊断更早更准确，并可用于治疗监测。纳米技术也可以增强甚至完全变革对组织和体液中生物标志物的筛查。癌症与癌症之间，以及癌细胞与正常细胞之间由于各种分子在表达和分布上的差异而各不相同。随着治疗技术的进步，对癌症的多个生物标志物进行同时检测是确定治疗方案时所必须的。

纳米颗粒——例如能够根据它们本身大小发出不同颜色光的量子点——可以实现同时检测多种标记物的目的。包被有抗体的量子点发出的激发光信号可用于筛查某些类型的癌症。不同颜色的量子点可与各种癌症生物标记物抗体结合，方便肿瘤学家通过所看到的光谱区分癌细胞与健康细胞。

组装技术

由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术将成为纳米科技的重要手段，受到人们很大的重视。

纳米组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子聚集体进行组装，形成有功能的结构单元。组装技术包括分子有序组装技术，扫描探针原子、分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装是通过分子之间的物理或化学相互作用，形成有序的二维或三维分子体系。现在，分子有序组装技术及其应用研究方面取得的最新进展主要是LB膜研究及有关特性的发现。生物大分子走向识别组装。蛋白质、核酸等生物活性大分子的组装要求商密度定取向，这对于制备高性能生物微感膜、发展生物分子器件，以及研究生物大分子之间相互作用是十分重要的。在进行lgG归生物大分子的组装过程中，首次利用抗体活性片断的识别功能进行活性生物大分子的组装。这一重要的进展使得生物分子的定向组装产生了新的突破。

除以上几种组装外，在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分子薄膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子量级加工，使加工技术进人一个更加徽细的深度。纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。

中国在纳米领域的科学发现和产业化研究有一定的优势。现代同美、日、德等国位于国际第一梯队的前列。虽然现代中国己经建立了一定数量的纳米材料生产基地，纳米技术的开发应用也已经兴起，并初步实现了产业化。纳米要实现大规模、低成本的产业化生产，还有许多的工作要做，只有依赖大量的资金和高科技投人才能换取高额的利润回报。

生物技术

纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。研究细胞内部，细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中在下列方面。

DNA研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。

脑功能的研究

工作目标是弄清人类的记忆、思维，语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。

仿生学的研究

这是纳米生物学的热门研究内容。现在取得不少成果。是纳米技术中有希望获得突破性巨大成果的部分。

世界上最小的马达是一种生物马达—鞭毛马达。能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转

纳米陶瓷

。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，其构造如同人工马达。由相当的定子、转子、轴承、万向接头等组成。它的直径只有3onm，转速可以高达15r/min，可在1μs内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速。转动的动力源，是细菌内支撑马达的薄膜内外的氮氧离子浓度差。实验证明。细菌体内外的电位差也可驱动鞭毛马达。现代人们正在探索设计一种能用电位差驭动的人工鞭毛马达驱动器。

日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以砷化稼半导体作为片基。每个芯片内含4096个传感元。可望进一步用于机器人。

有人提出制作类似环和杆那样的分子机械。把它们装配起来构成计算机的线路单元，单元尺寸仅Inm，可组装成超小型计算机，仅有数微米大小，就能达到现代常用计算机的同等性能。

在纳米结构自组装复杂徽型机电系统制造中，很大的难题是系统中各部件的组装。系统愈先进、愈复杂，组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、DNA、细胞等都是极为复杂的结构。它们的生成、组装都是自动进行的。如能了解并控制生物大分子的自组装原理，人类对自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水平。

衍生产品

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机器人

纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”，也称分子机器人；而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。

2005年，不少国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米机器人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出：纳米机器人潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。

每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能。用不了多久，个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。中国著名学者周海中教授在1990年发表的《论机器人》一文中就预言：到21世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

雨衣伞

纳米雨衣伞是雨伞与雨衣的结合体，纳米雨伞收伞有三折伞和直杆伞的收伞形态（简单说，收伞时有长短两种选择）。纳米雨衣可由纳米雨伞转变而成，纳米雨衣又不同于一般的雨衣，因为纳米雨衣可以保证从头到脚绝对不湿。因为纳米材料，所以这雨伞可以一甩即干，雨伞转变为雨衣后，这雨衣也只需穿着时轻轻一跳也即可全干。

防水材料

2014年8月4日，澳大利亚运用新发明的布料，制成一款具有开创性的T恤衫，不管人们怎样尝试着浸湿它，此T恤都能保持良好的防水性能。

这件叫做“骑士”(The Cavalier)的白色T恤是百分之百棉质的。虽然表面看起来平淡无奇，但是其布料运用“疏水”纳米技术应用编织而成，使得这件T恤能够有效防止大部分液体和污渍的浸入。这种T恤可以用机器清洗，其防水功能最多可承受80次清洗。它的布料有天然自净功能，任何附着在上的污渍都能用水擦洗或冲干净。

和其他含有化学物质的防水应用不同，T恤仿照的是荷叶的自然疏水特点。此布料的发明对于餐馆和咖啡厅来说可能具有革命性的影响。此外，这种布料还可以运用在医疗行业或医院等地。

潜在危害

编辑

和生物技术一样，纳米科技也有很多环境和安全问题（比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统，还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等）。

社会危害

纳米颗粒的危害

纳米材料（包含有纳米颗粒的材料）本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害?[7]??。

要讨论纳米材料对健康和环境的影响，我们必须区分两类纳米结构：

纳米尺寸的粒子被组装在一个基体、材料或器件上的纳米合成物、纳米表面结构或纳米组份（电子，光学传感器等），又称为固定纳米粒子。

“自由”纳米粒子，不管在生产的某些步骤中存还是直接使用单独的纳米粒子。

这些自由纳米粒子可能是纳米尺寸的单元素，化合物，或是复杂的混合物，比如在一种元素上镀上另外一张物质的“镀膜”纳米粒子或叫做“核壳”纳米粒子。

现代，公认的观点是，虽然我们需要关注有固定纳米粒子的材料，自由纳米粒子是最紧迫关心的。

因为，纳米粒子同它们日常的对应物实在是区别太大了，它们的有害效应不能从已知毒性推演而来。这样讨论自由纳米粒子的健康和环境影响具有很重要的意义。

更加复杂的是，当我们讨论纳米粒子的时候，我们必须知道含有的纳米粒子的粉末或液体几乎从来不会单分散化，而是具有一定范围内许多不同尺寸。这会使实验分析更加复杂，因为大的纳米粒子可能和小的有不同的性质。而且，纳米粒子具有聚合的趋势，而聚合的纳米粒子具有同单个纳米粒子不同的行为。

健康问题

纳米颗粒进入人体有四种途径：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入（或由植入体释放）。一旦进入人体，它们具有高度的可移动性。在一些个例中，它们甚至能穿越血脑屏障。

纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上，纳米颗粒的行为取决于它们的大小，形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞（吞咽并消灭外来物质的细胞）的“过载”，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们可能因为无法降解或降解缓慢，而在器官里集聚。还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。由于极大的表面积，暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。

环境问题

主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。

社会风险

纳米技术的使用也存在社会学风险。在仪器的层面，也包括在军事领域使用纳米技术的可能性。（例如，在MIT士兵纳米技术研究所[1]研究的装备士兵的植入体或其他手段，同时还有通过纳米探测器增强的监视手段。

在结构层面，纳米技术的批评家们指出纳米技术打开了一个由产权和公司控制的新世界。他们指出，就象生物技术的操控基因的能力伴随着生命的专利化一样，纳米技术操控分子的技术带来的是物质的专利化。过去的几年里，获得纳米尺度的专利像一股淘金热。2003年，超过800纳米相关的专利权获得批准，这个数字每年都在增长。大公司已经垄断了纳米尺度发明与发现的广泛的专利。例如，NEC和IBM这两家大公司持有碳纳米管这一纳米科技基石之一的基础专利。碳纳米管具有广泛的运用，并被看好对从电子和计算机、到强化材料、到药物释放和诊断的许多工业领域都有关键的作用。碳纳米管很可能成为取代传统原材料的主要工业交易材料。但是，当它们的用途扩张时，任何想要制造或出售碳纳米管的人，不管应用是什么，都要先向NEC或者IBM购买许可证。

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