Science：重大突破！开发出化学选择性蛋氨酸生物偶联

Science：重大突破！开发出化学选择性蛋氨酸生物偶联

2017年2月12日/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，美国研究人员开发出一种强大的新方法将化学物选择性地连接到蛋白上。这种在操纵生物分子上取得的重大进展可能引发药物开发、蛋白检测以及分子追踪和可视化观察方式的变革。相关研究结果发表在2017年2月10日那期Science期刊上，论文标题为“Redox-based reagents for chemoselective methionine bioconjugation”。

这种被称作氧化还原活化化学标记（redox activated chemical tagging, ReACT）的新技术是由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室开发的。它可能根本上改变生物偶联过程，即将化学物和标记物附着到生物分子（特别是蛋白）上。

论文共同通信作者Christopher Chang说，“我们本质上为蛋白发明了一种新类型的化学上用的瑞士军刀，也是首个能够用于蛋氨酸的化学上用的瑞士军刀。依赖于实际的需求，这种ReACT方法能够被整合到多种不同的工具中。你能够针对多种应用混合搭配不同的试剂。”

搭一种新蛋白的便车论文共同通信作者F. Dean Toste将这种生物偶联过程比作为货物（如化学物，药物）搭小卡车（如蛋白，抗体）的便车。

他说，“这种货物能够用于很多目的。它能够运送药物到癌细胞中，或者它能够作为一种追踪器监控小卡车的运动。我们甚至能够对这种小卡车进行修饰，将它更改为一辆急救车。这种更改能够以多种方式完成，比如对小卡车进行重新组装，或者搭新的便车。”

传统上，生物偶联依赖于高度活性的半胱氨酸。半胱氨酸经常用作标记物和化学基团的附着点，这是因为它是两种含有硫原子的氨基酸之一，为酸碱化学反应提供一个锚点，并且很容易对它进行修饰。

但是，半胱氨酸经常参与蛋白的实际功能，因此将“货物搭载”到半胱氨酸上会导致不稳定性和破坏它的自然功能。

针对这个原因，人们一直在寻找避免使用半胱氨酸的方法，他们自然地转向蛋氨酸，即除半胱氨酸之外，唯一能够获得的含有硫原子的氨基酸。然而，蛋氨酸有一个额外的碳原子附着到它的硫原子上，这会阻断大多数的“货物搭载”。在这项新的研究中，美国研究人员利用一种氧化还原反应开发出一种新的搭载方法，这种方法允许货物附着到蛋氨酸的硫原子上，而且这个额外的碳原子仍然附着到这个硫原子上。

化学上用的瑞士军刀的潜在应用蛋氨酸的一个关键优点是它是一种相对罕见的氨基酸，这允许研究人员选择性地靶向它，同时具有较少的副作用，也对生物分子产生较少的影响。

他们通过合成一种抗体-药物偶联物对ReACT进行测试，突出表明了这种技术可用于生物治疗。他们也鉴定出烯醇化酶（一种代谢酶）是一种潜在的癌症治疗靶标，从而证实这种技术可能有助靶向用于药物发现的新靶标。

这些研究人员说，长期而言，这种新的生物偶联技术可能用于：（1）纳米技术：蛋白偶联能够有助制造与空气和水相容的纳米材料，从而降低毒性；（2）利用化学蛋白修饰，构建人工酶，这些人工酶能够循环利用，具有更好的稳定性，具有改进的活性和选择性；（3）合成生物学：它能够被用来选择性地制造新的蛋白或增强现存蛋白的功能。

Chang说，“这种方法也可能能够通过直接修饰天然的蛋白增加活的有机体的功能，从而提高它们的稳定性和活性，而无需依赖于基因编辑制造转基因生物。它可能对可持续制造燃料、食物或药物以及进行生物修复产生影响。”

我国在地球化学各分支领域作出杰出贡献的代表性人物有哪些啊？

1、李曙光（中科院院士、中国科大教授）
地球化学家。1941年生于陕西咸阳。1965年毕业于中国科学技术大学化学系地球化学专业并留校任教。1983年至1986年，在美国麻省理工学院地球与行星科学系进修。先后多次赴德国马普化学所、香港大学作访问学者。现任中国科学技术大学教授。2003年当选中国科学院院士。
在变质同位素年代学理论研究方面最早发现超高压榴辉岩的白云母含大量过剩氩；证明了超高压变质与退变质矿物之间存在同位素不平衡；较早发现在低级变质条件下稀土元素可活动，且Sm-Nd体系可被重置；首次精确测定了榴辉岩中金红石的U－Pb年龄。最早通过测定大别山榴辉岩年龄获得华北与华南陆块在三叠纪碰撞的结论；系统测定了北、南秦岭一系列蛇绿岩及岩浆岩的同位素年龄，为秦岭造山带多陆块拼合模型的建立提供了重要的依据。首次测定出大别山超高压岩石的二次快速冷却曲线，并通过同位素示踪对其多阶段快速折返机制提出较完整模型。
李曙光教授在以下领域做出了系统研究，并取得一系列创新性成果。
1.他在超高压变质作用中同位素体系及变质年代学理论做出许多开拓性工作：较早发现并证明造山带榴辉岩中的白云母含大量过剩氩；证明了超高压变质矿物与退变质矿物之间存在Nd，Sr同位素不平衡；计算了绿片岩相及叠加兰片岩相变质作用各自的Sr同位素均一化尺度；在世界上首次精确地测定了榴辉岩中金红石的U－Pb年龄。这些工作为正确进行超高压变质定年作出了决定性贡献。
2.他对华北和华南陆块的碰撞过程及秦岭－大别造山带演化进行了长期系统研究并取得重要成果：最早测定出大别山含柯石英榴辉岩的Sm-Nd年龄为三叠纪，并证明它们是陆壳俯冲成因，从而获得华北与华南陆块在三叠纪最终碰撞的结论；系统测定了北，南秦岭一系列蛇绿岩及岛弧岩浆岩的同位素年龄及地球化学特征，为秦岭造山带两条地缝合线的厘定及多陆块拼合模型的建立提供了重要依据；此外，还首次在大别山北侧发现古生代岩浆弧和洋壳俯冲成因榴辉岩，系统测定了大别山其它榴辉岩岩，岩浆岩年龄，研究了碰撞后壳幔相互作用及岩石圈拆离过程。
3.超高压变质岩的折返机制是大陆深俯冲研究的著名科学问题。他首次测定出大别山超高压岩石具有二次快速冷却的曲线，对多阶段快速抬升历史给出重要制约。结合测定南秦岭同碰撞花岗岩的年龄，查明俯冲陆壳不同构造单元的U-Pb同位素特征，他提出了一较完整的超高压变质岩多阶段折返模型。
4.寻找富铁矿曾是我国七十年代提出的一项战略任务。他应用趋势面分析成功预测出鞍本弓长岭矿床深部富矿体，并钻探验证成功；应用C同位素证明弓长岭富磁铁矿石中的石墨为菱铁矿变质分解成因，据此提出该富铁矿床成因的新模型，为查明黑富矿成因及扩大富矿储量做出了重要贡献，并获得中国科学院科技二等奖。
上述成果得到国内外同行高度重视，第一作者论文的SCI总引用频次477次，他人引用372次。
2、欧阳自远（1935— ）
世界著名的天体化学家和地球化学家。他积极参与并指导中国月球探测的近期目标与长远规划的制订，具体设计国内首次月球探测的科学目标与载荷配置和第二、三期月球探测的方案与科学目标，是中国月球探测工程的首席科学家，被誉为“嫦娥之父”。
欧阳自远原籍江西上饶，1935年10月9日生于江西吉安。1952年从永新中学（现为任弼时中学）毕业后，就读于北京地质学院，并于1956年本科毕业。1961年中国科学院地质研究所研究生毕业。毕业后留所从事科研。1966年起在中国科学院地球化学所任研究室主任、副所长、所长。1980—1981和1983—1984年在德国马普核物理研究所工作，任客座研究员。1991—1993年任中国科学院资源环境科学局局长。现任中国科学院地球化学研究所研究员，贵州省人大常委会副主任，贵州省科协主席。1991年当选为中国科学院学部委员(院士)。2007年7月，被贵州省遴选为贵州省首批核心专家。2008年6月13日，欧阳自远出任奥运圣火在贵州省传递的第一棒火炬手。
欧阳自远院士是我国天体化学学科的开创者。1960年在我国率先系统开展各类地外物质（陨石、宇宙尘、月岩）和比较行星学研究。提出了铁陨石成因的假说，吉林陨石的形成演化模式与多阶段宇宙射线照射历史的理论。在国际上首次发现了地质体中消融型宇宙尘并提出判据系列，划分了宇宙尘成因类型。对太阳星云化学不均一性与化学演化过程，行星模式丰度，行星与地球大气圈、水圈及内部圈层的起源与演化，地球的能源与演化阶段等方面提出了一系列新模式与理论，为国际学术界所公认。充实了玻璃陨石成因理论，论证了中国白垩系/第三系界面撞击事件，提出地外撞击诱发古气候旋回的假说，以及新生代6次巨大撞击地球事件诱发气候、环境灾变与生物灭绝。近年来提出地球原始组成的非均一性与演化的非均变性理论框架。由于杰出的科研贡献，他多次荣获国家和省部级奖励，其中《地下核试验地质效应综合研究》（第一完成人）1978年获全国科学大会奖、中国科学院重大科技成果奖和贵州省科学大会奖，《吉林陨石综合研究》（第一完成人）获1986年中国科学院科技进步一等奖和1987年国家自然科学三等奖，《天体化学》专著（作者：欧阳自远）获1991年中国科学院自然科学一等奖。至今在国内外学术刊物上发表论文三百多篇，专著6部，合作主编专著11部。获全国科学大会奖，国家自然科学奖与中国科学院自然科学奖多项。培养硕士、博士和博士后50多人，有的已成为我国地学研究、教学和生产的骨干力量，有的已成长为地球化学各领域的学术带头人。
欧阳自远现任中国科学院地球化学研究所研究员，中国科学院国家天文台高级顾问，中国科学院院士，第三世界科学院院士，我国月球探测工程首席科学家，中国科学技术协会委员，贵州省科学技术协会主席，中国矿物岩石地球化学学会理事长，中国地质学会副理事长，中国空间科学学会副理事长，国际环境科学中国委员会副主席，国际岩石圈中国委员会，国际地圈生物圈对比计划中国委员会及国际空间研究中国委员会委员，中国科学院地球物理所、地质所，兰州地质所兼职研究员，北京大学、南京大学、中国科学技术大学，中国地质大学及长春科技大学兼职教授，《环境科学》、《黄金科技》、《矿物岩石地球化学通报》及《地质地球化学》杂志主编，《空间科学学报》，《中国人口?资源与环境》，《南极研究》及《Chinese J. of Geochemistry》杂志副主编；《中国科学》等8种科技杂志编委。
欧阳自远曾经在一次访谈中说过：“《科学家传略》给我的影响较大，特别敬重居里夫人；武侠人物里，我最欣赏乔峰的坦荡大气和家国情怀。”
3、傅家谟，
我国有机地球化学学科的奠基者，原籍湖南，1933年5月生于上海。1955年5月加入中国共产党，研究员、博士生导师，1991年当选为中国科学院院士。现任中国科学院广州地球化学研究所广东省环境资源利用与保护重点实验室主任；上海大学环境与化学工程学院院长、上海大学环境污染与健康研究所所长。，中国科学院广州地球化学研究所学位委员会主任，有机地球化学国家重点实验室主任、学术委员会主任，全国政协委员，广东省科协副主席。享受国务院政府特殊津贴。
1956年毕业于中国地质大学，1961年取得中国科学院地质研究所硕士学位，1956年—1957年任西南煤田地勘局技术员；1962年升为助理，1966年晋升副研究员，1988年晋升研究员。1966年领导建立中国第一个有机地球化学实验室，并任实验室主任。1985年领导组建中国科学院有机地球化学开放实验室（1990年晋升为国家重点实验室），开展石油地球化学和分子有机地球化学研究。1993年依托国家实验室组建成立“广东省环境资源利用与保护重点实验室”。曾负责和参加完成国家攻关、国家自然科学基金重点、中国科学院重大等三十余项科研任务。研究成果获国家级奖7项、部委级奖20项。2003年获何梁-何利科学技术奖。在国内外学术刊物上发表论文400余篇、其中国际SCI论文100多篇，专著5本、译著1部。代表作有《有机地球化学》、《碳酸盐岩地球化学》、《干酪根地球化学》和《地球化学进展》等，培养博士后、博士和硕士研究生40多名。
4、张本仁
地球化学学家。1929年5月28日生于安徽怀远。1952年毕业于南京大学地质系，1956年北京地质学院研究生毕业。中国地质大学教授。80年代前期他将成矿带地球化学研究与区域基岩地球化学测量相结合，突破了当时勘查地球化学单一找矿目标和就异常评价异常的局限，并开发出基岩测量数据在解决地质和成矿问题上的多种应用。80年代后期至1991年，他提出了以区域岩石圈为基础的区域地球化学新理论和新方法，用于秦巴地区的区域地球化学研究，将区域岩石圈研究与区域构造、岩石、矿产研究有机结合，深化了对区域岩石圈演化、构造发展、成岩成矿规律的认识。1992年以来，通过壳幔演化和相互作用研究，探讨了秦岭－大别山造山带构造分区与演化，揭示了造山运动的深部过程及其动力学因素。1999年当选为中国科学院院士。
5、於崇文
地球化学家。1924年2月生，宁波镇海人。1950年毕业于北京大学地质系。长期从事地球化学基础理论、理论地球化学、区域地球化学和数学地质研究。中国地质大学教授、中国矿物岩石地球化学学会常务理事兼元素地球化学区域地球化学专业委员会主任委员、地质矿产部科学技术委员会委员等职。1995年当选为中国科学院院士。在从事的专业方面，理论上颇多建树，如在区域地球化学方面，为发展中国的区域地球化学作出了开拓性贡献。曾获国家科技进步奖二等奖、地质矿产部科技成果奖一等奖等奖项[1]。
6、涂光炽
1937年毕业于天津南开中学，1944年毕业于昆明西南联合大学地质地理气象学系。1949年在美国明尼苏达大学获博士学位，1949—1950年任美国宾夕法尼亚州立大学ResearchAssociate，1950—1951年在清华大学任副教授，并首先在中国开设地球化学课程，1951—1954年在苏联莫斯科大学进修，1955年任北京地质学院副教授，1956年在中国科学院地质研究所任副研究员、研究员，自1960年起任副所长。同期仍兼任北京地质学院、北京大学、中国科技大学教授。1966年起任中国科学院地球化学研究所副所长、所长、名誉所长。1980年当选为中国科学院学部委员(院士)，曾任第五、六届全国人大代表和第七届贵州省人大常委会副主任，中国科学院地学部主任。国家学位委员会委员，国家自然科学奖励委员会委员，中国科学院学部主席团成员。现为中国科学院院士、俄罗斯科学院院士、第三世界科学院院士、中国矿物岩石地球化学学会名誉理事长。兼任北京大学、南京大学、浙江大学、中国科技大学、中国地质大学教授，《中国科学》、《科学通报》编委，中、英文《地球化学》、《矿物学报》主编。自1987年起为美国地质学会终身荣誉会员，曾任《EarthandPlanetaryScienceLetters》杂志国外编委。
涂光炽20世纪50年代在祁连山及西北干旱地带作综合地质考察。60年代从事华南花岗岩类有关矿床及铀矿地质研究，70年代除继续此项研究工作外，着重从事富铁矿床研究。80年代主要研究层控矿床，后期侧重新疆北部及黄金地质并持续至今。90年代开始超大型矿床、低温地球化学及分散元素成矿研究。1982年，“华南花岗岩类地球化学”获国家自然科学二等奖；1985年，获中国科学院“竺可桢野外工作奖”；1987年“中国层控矿床地球化学”获国家自然科学一等奖：1993年，“中国金矿主要类型、成矿模式及找矿方向”获国家黄金管理局一等奖（以上着作中为第一作者）；1995年获何梁何利基金科学与技术进步奖（地球科学）；1996年，《中国矿床》专着获国家科学技术进步二等奖（担任铅锌矿床部分）。

纳米材料的合成以及在农业和医学方面的应用

纳米科技已在国际间形成研究开发的热潮，世界各国将发展纳米科技作为国家科技发展战略目标的一部分，纷纷投入巨资用于纳米科技和材料的研究开发。纳米材料是纳米科技的重要组成部分，日益受到各国的重视。各国（地区）制定了相应的发展战略和计划，指导和推进纳米科技和纳米材料的发展，将支持纳米技术和材料领域的研究开发作为21世纪技术创新的主要驱动器，纳米科技和材料展现了其广阔的发展前景和趋势。
各国纳米科技／材料发展战略计划和重点研究领域
当前世界上已有30多个国家从事纳米科技的研究开发活动，各国对纳米科技的投资增长加快，已从1997年的4．32亿美元增加至2002年的21．74亿美元， 2002年世界各国（地区）政府投资纳米科技领域的经费比1997年增加了503％（见表1）。从表1可以看出，2000年以来，各国（地区）政府投入纳米科技的研究开发经费增长速度加快。美国、日本和西欧是纳米科技投资的大国（地区），其他国家和地区对纳米科技投资总额还不及美国和日本单个国家的投资多。
美国自2000年2月提出“国家纳米技术计划”（NNI），纳米科技研究开发经费从2001财年的4．22亿美元增至2004财年的8．49亿美元（见表2）。2000 年NNI实施计划确定了5个重点发展的战略领域（见表3），近几年来这5个战略研究领域所包含的研究内容有调整。2003财年重大挑战项目涉及的重点研究领域：
1） “设计”组装更强、更轻、更硬并具有自修复和安全性的纳米材料：10倍于当前工业、运输和建筑用钢材强度的碳和陶瓷结构材料；强度3倍于目前遇100摄氏度高温就融化的汽车工业用材料的聚合物材料、多功能智能材料；
2）纳米电子学、纳米光电子学和纳米磁学：提高计算机运行速度并使芯片的存储效率提高百万倍；使电子的存储量增加到数千太比特?将单位表面积的存储量提高1千倍；增加数百倍的带宽改变通信方式；
3）在卫生保健方面，通过诊断和治疗器件减少卫生保健的昂贵费用并增强其有效性；利用基因的快速排序和细胞内传感器进行诊断和治疗；探测早期癌细胞并传递药物；研究能使人工器官的排斥率降低50％、探测早期疾病的生物传感器；研制最大限度减少人体组织损害的小型医疗器件；
4）在纳米尺度加工和环境保护方面，清除水中小于300纳米和空气中小于50纳米的污染微粒，以促进环境和水的清洁；
5）提高能源转换和存储效率，使太阳能电池的能效提高1倍；
6）研制探索太阳系外层空间的低功率（lowpower）微型空间飞行器；
7）研究纳米生物器件，以减轻人类因治疗产生的痛苦：快速有效的生物化学探测器；保护健康、修复受损组织的纳米电子／机械／化学器件；
8）在经济与安全运输方面，引入新型材料、电子学、能源和环境等方面的概念；
9）在国家安全方面，密切注视纳米电子学、多功能材料和纳米生物器件的重大挑战。
2003财年能源部新增3个有关纳米材料特性方面的基础研究项目：
●在纳米材料的合成和处理方面，基本了解涉及材料变形和断裂的纳米加工，利用定模技术有序排列纳米粒子以合成纳米材料。利用统一尺寸和形状的纳米材料来合成更大尺寸的纳米材料；
●在凝聚态物理方面的纳米材料研究，重点了解怎样使宏观分子平衡构造并自组织成为更大的纳米结构材料；
●从事了解纳米材料的特性在转化和控制催化变化的过程中所扮演的角色等方面的基础研究。
2004财年NNI支持的5个重点发展战略领域仍然与2003年相同（见表3）。重点强调支持在原子和分子水平上操纵物质的长期研究，充分发挥创造力以构造如分子和人体细胞大小的先进新器件，从而进一步改进应用于信息技术的电子器件；研究开发应用于制造、国防、运输、空间和环境等方面的高性能低维护材料（lower－maintenance materials）；加速纳米技术在生物技术、卫生保健和农业等方面的应用。研究开发重点领域：生物－化学－辐射－爆炸探测和保护?CBRE　方面的纳米技术创新解决方法；纳米制造研究；纳米生物系统；纳米标准仪器开发；教育和培训适应未来产业发展需要的新一代工人；扩大参与纳米技术革命的产业阵容。
日本政府在第二个“科学技术基本计划”（2001－2006年）中，将纳米技术和材料与生命科学、信息通信、环境保护等作为国家的科技重点发展战略的重中之重领域。该计划在2001年投入纳米科技的研究经费达142亿日元，比2000年度增加了88亿日元。该计划确定的纳米技术与材料重点研究领域：纳米物质与材料及其在电子、电磁、光学上的应用；纳米物质与材料及其在结构材料中的应用；纳米信息元件；纳米科技在医疗、生命科学、能源科学及环境科学方面的应用；有关表面和界面控制的物质及材料；纳米计量和标准技术；纳米加工、合成和工程技术；纳米技术的计算、理论和模拟技术；形成安全空间的材料技术等。
日本通产省2001年制定了“纳米材料计划”（NMP），每年经费3500万美元，为期7年（2001－2007年），由政府部门、政府研究机构、大学和产业界联合研究，旨在为产业界建立集研究开发新的纳米功能材料和教育功能于一体的纳米技术材料研究开发平台（见表4）。通产省2001年还制定并实施了“下一代半导体技术开发计划”，开发50－70纳米的下一代半导体处理基础技术，政府每年投资6000万美元。
日本“先进技术的探索研究”计划涉及了许多有关纳米粒子、纳米结构、纳米生物学和纳米电子学等方面的探索性研究。项目研究期限定为5年，均由政府出资，5年间政府对项目的平均资助金额为1600万美元。每个项目通常由15－25名科学家和技术人员组成，分为3个研究小组。该计划鼓励国内外的产业界、大学和研究机构合作研究。该计划已完成了许多项目，主要在研项目。
日本文部科学省发布了2003年的科技预算，其中纳米技术和材料的预算总计为1491亿日元（见表6）。日本内阁府综合科学技术会议于2003年7月14日召开了“纳米技术及材料研究开发推动项目”第6次会议，确定了研究开发的重点领域：“纳米药物传输系统”、“纳米医疗设备”以及“创新性纳米结构材料” 。这些项目由内阁府牵头、多个政府部门联合推动，于2004年实施。
欧洲共同体力争在纳米科技方面的国际地位，一方面积极创建欧洲新的纳米技术产业，另一方面，力促现有产业部门提高纳米技术能力。欧洲共同体在第6个框架计划（2002－2006年）中，将纳米技术和纳米科学作为7个重点发展的战略领域之一，经费为12亿美元，确定了具体的战略目标和重点研究领域：
一、纳米技术和纳米科学
将长期的跨学科研究转向了解新现象、掌握新工艺和开发研究工具：将重点研究分子和介观尺度现象；自组织材料和结构；分子和生物分子力学与马达；集成开发无机、有机、生物材料和工艺的跨学科研究的新方法。
纳米生物技术：其目标是支持一体化的生物和非生物体的研究，有广泛应用的纳米生物技术，如能用于加工、医学和环境分析系统的纳米生物技术。重点研究领域涉及芯片实验室（lab－on －chip），生物实体的界面，纳米粒子表面修复，先进的药物传递方式和纳米电子学；生物分子或复合物的处理、操纵和探测，生物实体的电子探测，微流体，促进和控制在酶作用基础上的细胞生长。
创造材料和部件的纳米工程技术：通过控制纳米结构，开发超高性能的新的功能和结构材料，包括开发材料的生产技术和加工技术。重点研究纳米结构合金和复合材料，先进的功能聚合物材料， 纳米结构的功能材料。
开发操作和控制器件及仪器：开发分辨率为10纳米的新一代的纳米测量和分析仪器。重点研究领域涉及各种先进的纳米测量技术；突破探索物质自组织特性的技术、方法或手段和开发纳米机械。
纳米技术在卫生、化学、能源、光学和环境中的应用。重点研究计算模拟，先进的生产技术；开发能改性的创新材料。
二、智能多功能材料
高知识含量、具有新功能和改性的新材料将是技术创新、器件和系统的关键。
开发基础知识：目标是了解与材料有关的复杂的物理－化学和生物现象，掌握和处理有助于试验、理论和模拟工具的智能材料。重点研究领域：设计和开发已定义特性的新结构材料；开发超分子和微观分子工程，重点是新型的高复杂性分子及其复合物的合成、探索和潜在的应用。
技术与生产的结合：以知识为基础的多功能材料和生物材料的运输和加工：目标是生产能构造更大结构的新型的多功能“智能”材料。重点研究领域：新材料；自修复的工程材料；包括表面技术和工程技术的跨技术。
对材料开发的工程支持：目标是在知识生产和知识使用之间架起一座桥梁，克服欧洲共同体的产业在材料和生产一体化方面的弱点。通过开发新工具，使新材料能够在稳定竞争的环境下生产。重点研究领域：优化材料设计，加工和工具；材料试验；使材料成为更大的结构，考虑生物兼容性与经济效益。
三、新型的生产工艺和器件
新生产的概念包含更灵活、集成度更高、更安全和更清洁，这将依赖组织创新和技术的发展。
欧洲委员会在“纳米技术信息器件倡议”5年计划（1999－2003年）中确定了3个目标：设计出超越互补金属氧化物半导体硅兼容器件性能的器件；在化学、电子学、光电子、生物学和力学等学科的基础上，设计原子或分子尺度的新型器件和系统，利用分子的特性解决专门的计算问题。欧洲科学基金会提出了于2003年开始实施的“自组织纳米结构”5年计划，将分子自组织、与力学机制相联系的软物质或超分子研究、自组织纳米结构的功能和制备列为第一阶段的研究重点。
英国政府在《科学研究重点》中，确定了2001－2004年的科学研究战略和研究重点，其中的材料科学（研究经费为444，000，000英镑）和基础技术（研究经费为2100英镑）两个领域涉及纳米材料和纳米技术的研究重点：促进前瞻性的材料模拟研究；促进纳米技术的研究，促进跨机构管理的跨学科纳米技术研究合作中心（IRCs）的发展。英国工程与物质科学研究委员会在材料科学发展5年计划（1994－1999年）中投资700万美元左右，其中约100万美元专用于纳米粒子的研究，这项计划于2000年继续资助纳米材料领域的研究。英国政府2003年投资纳米技术的经费约为3000万英镑。
英国政府的纳米技术应用分委员会咨询专家组调查了上百个科学家和发明者后，在2002年6月题为“英国纳米技术发展战略”的报告中勾画了英国纳米技术发展战略（见表7），选定了认为英国具有研究优势和产业发展机会的6个纳米技术领域：电子与通信；药品传递系统；生物组织工程、药物植入和器件；纳米材料，尤其是生物医学和功能界面纳米材料；纳米仪器、工具和度量；传感器和致动器（actuators）。
法国政府目前主要资助3个纳米科技项目：“法国微纳米技术网络”（1000万欧元）；“纳米结构材料”（230万欧元）；“独立纳米对象”（1200万欧元）。
德国联邦教育与研究部和德国联邦经济部资助6个纳米技术能力中心，每年投资6500万德国马克，资助的领域主要是：超薄功能薄膜；纳米结构在光电子领域的应用；新型纳米结构的开发；超精细表面测量；纳米结构的分析方法。
2002年德国联邦教育与研究部发布了提升纳米研究能力的新战略，将纳米技术的研究经费从 1998年的2760万欧元增至2002年的8850欧元，4年增长了200％。重点研究领域涉及增强用于纳米技术研究的基础设施的安全性；重建集成和创新型研究机构；将纳米技术商业化；促进创新企业的建立；增强SMEs的作用，评估与其他国家合作的机会；缩短相关的专利或授权的期限；促进下一代科技研究和发展相关的科技法律。资助下一代的材料研究的经费达7500万欧元，其中包括资助纳米结构材料。
英、法、德国等欧盟国家除本国政府支持的纳米科技研究外，还要参加上述欧盟在第6个框架计划中的有关纳米材料等方面的项目。
韩国政府在2002－2006年“科学技术发展基本计划”中，将纳米技术与生物技术、信息技术和航空航天技术等作为国家科技发展的重点战略领域。2000年制定的“纳米生物技术发展10年计划”，重点研究开发纳米诊断器件、纳米治疗系统和纳米生物仿生器件。 “2001－2010年太比特纳米器件计划”确定了太比特纳米电子学、自旋电子学、分子电子学和核心技术为研究重点领域。政府投资该计划的经费总计为1．42亿美元。科学技术部积极鼓励私营企业设立纳米技术专项投资金作为匹配经费。“2002年度纳米技术开发行动计划”，预算为2031亿韩元，比2001年的1052亿韩元增加了93．1％。旨在开发纳米核心技术，新建国家纳米制造研究中心（250亿韩元），以及信息技术和纳米技术融合中心。到2010年，使韩国将拥有13000名纳米技术领域的专家并跻身纳米技术领域世界10强之列。
澳大利亚在2003财年将纳米材料与生物材料作为重点战略研究领域，主要研究通过原子和分子的纳米自组织形成块材。
中国台湾自1999年开始，相继制定了“纳米材料尖端研究计划”（1999年）； “纳米科技研究计划”（2001－2005），5年预计投入的经费每年达上亿元新台币。中国台湾计划从2002－2007年在纳米技术相关领域中投资总额为6亿美元的预算，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。
世界纳米科技／材料的发展
各国（地区）通过实施纳米科技计划，纳米材料和技术水平有很大发展。
在纳米材料方面，仅以近两年世界部分研究成果为例，纳米科技／材料的发展是显而易见的。美国IBM和康耐尔大学于2002年相继开发出碳纳米晶体管。威斯康星州立大学研制出存储密度是目前光盘100万倍的原子级的硅记忆材料。
麻省理工学院和美国陆军合作建立的纳米技术研究所研制了具有防水性和灭菌作用的纳米涂层。美国依利诺斯州西北大学Stupp领导的材料研究小组首次设计并制备出了骨状纳米纤维（Science，23，11，2002）；美国加州伯克利大学化学系的Joshua Goldberger领导的研究小组，与美国劳伦斯国家实验室的科学家合作，利用外延镀膜新技术，首次成功地合成了具有单晶结构的氮化镓?GaN　纳米管，这种新技术也可以应用于合成其它材料的单晶纳米管。氮化镓?GaN　纳米管还可应用于纳米毛细现象电泳、生物化学纳米流体感应，以及纳米尺度的电子与光电元件等方面（ Nature 422? 599 2003）。
俄国莫斯科大学化学系首次研制出氧化铝纳米管。俄科学院电化学研究所成功研制出具有良好杀菌和环保性能的新型纳米涂料。
日本产业综合研究所开发出利用碳纳米管在常温下工作的单电子半导体。名古屋大学在此基础上开发出可控制电传导性的碳纳米管。日本东芝研究开发中心利用碳氢化合物催化分解法，在氧化锌（ZnO2）多孔介质材料中覆上一层作为催化剂的铁铝系复合氧化物，而制备出在其表面能形成每平方毫米约4万根纳米纤维、直径为5～8纳米、5层左右的多层高密度填充碳纳米纤维。研究该材料的目的是为研制以吸附氢气等燃料的储氢能量材料。日立研究所利用纳米技术，将软磁金属与高电阻陶瓷通过机械力的作用，使混合物质在固态下达到原子级的相互混合，以便在软磁金属纳米晶粒的周围形成高电阻陶瓷结构。软磁金属的纳米晶粒之间通过高电阻隔断而形成高电阻，可降低高频段上由于涡电流而引起的损耗，从而成功地合成了高频电磁波吸收纳米材料。通过这种方法制备的电磁波吸收纳米材料能将电磁波吸收材料的厚度减小约50％，有望作为涂层电磁波吸收材料投入实际应用。日本国家物质材料研究所的Yoshio Bando领导的研究小组，成功研制出了在内径约 20～60 纳米的氧化镁单晶结构纳米管内填充了液态金属镓?gallium　的纳米复合材料温度计，该温度计利用氧化镁耐高温和在高温下结构稳定的物理特性，使纳米温度计的温度测量范围大幅度增加，估计其测量温度可达摄氏1000度（App． Phys． Lett． 83 999 ，2003），该测量温度比Yoshio Bando所在的研究小组于2002年研究的碳纳米管温度计的测量温度摄氏50－500度要高得多（Nature 415 599 ，2002）。
法国国家科研中心图卢兹结构研究和材料制造中心与丹麦阿尔霍斯大学天文物理学系合作，联合设计出一种能在铜表面自动聚集原子线功能的纳米“模具”分子，为未来单分子电路分子元器件的电子相互连接打开了通道。
纳米科技在医学应用、纳米电子学、纳米加工、纳米器件等方面也有新进展和新突破。本文就不在此列举了。
中国通过“国家攻关计划”、“863计划”、“973计划”的实施，纳米材料和纳米技术已取得较为突出的成果，并引起了国际上的关注。例如，在纳电子方面，成功地研制出波导型单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计；实现6纳米宽的半导体量子线台面和6纳米宽的线条金属栅，制备出间隔仅为10纳米的多种“纳米电极对”；用GMR效应进行高灵敏度传感器和硬盘磁头原型的研制工作。在纳米材料方面，中科院化学研究所有机固体重点实验室与北京大学人工微结构及介观物理国家重点实验室共同合作，利用C60粉末直接构筑C60纳米管。所获得的C60纳米管是由C60晶体在500℃下生长而成，它保留了C60分子的结构和性质，同时作为新的聚集态结构又具有准一维纳米材料的特点（J．Am．Chem．Soc，2002年11月13日）。研制出了碳纳米管准一维纳米材料及其阵列体系、非水热合成纳米材料；纳米铜金属的超延展性、块体金属合金、纳米复相陶瓷、巨磁电阻、磁热效应、介孔组装体系的光学特性、纳米生物骨修复材料、二元协同纳米界面材料等领域的研究，在国际上有一定的影响。在纳米器件的构筑与自组装、超高密度信息存储、纳米分子电子器件等方面也取得了许多有意义和有影响的成果。
纳米技术／材料的 未来发展趋势
从科技发展史来看，新技术的发展往往需要新材料的支持。如果没有1970年制成的使光强度几乎不衰减的光导纤维，可能不会有现代的光通信；如果没有高纯度大直径的硅单晶，很难想象集成电路、先进的计算机及通信设备的高速发展。纳米材料是受纳米尺度控制、具有新特性和行为的纳米尺度材料。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，纳米材料是构建两维和三维复杂功能纳米体系的单元，在此基础上可产生许多纳米新器件和功能器件。许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。纳米材料和技术对许多领域都将产生极大的冲击和影响。从文献计量的角度来看，纳米技术涉及的研究领域达87个之多。
从世界范围来看，纳米科学和技术在各国（地区）政府的大力支持、各界的努力研究开发下不断得到发展，将有许多纳米新材料、新特性和新应用不断发现，纳米科技／材料的发展已展现了诱人的前景。如上所述，纳米技术／材料涉及的研究领域和对科技经济及社会的影响很广，其未来发展方向涉及多个方面，本文在此重点表明纳米材料的未来发展趋势。
●纳米材料及其性能向着更加优质的方向发展，从而将有更多性能优越价格低廉的纳米粉末、纳米粒子和纳米复合材料得到更加广泛的应用。如纳米粒子可以被用于创造新的光学薄膜和创造具有光、磁特性的新功能材料。磁性纳米粒子和量子点将可用于生产10倍于目前芯片存储容量、数百千兆赫速度的超小光盘驱动器。
●在纳米材料与加工方面，将通过控制纳米晶体、纳米薄膜、纳米粒子和碳纳米管等创造新的功能结构材料；开发超轻、超强结构材料；开发长寿命材料、支撑能量转换的材料和具有新功能的电子材料；了解涉及材料变形和断裂的纳米工艺，利用仿制技术有序排列纳米粒子合成纳米材料；
●纳米材料将成为化学和能源转化工艺方面具有高度选择性和有效性的催化剂。这不仅对能源和化学生产非常重要，而且对能源转换和环境保护极具经济价值；
●纳米材料的发展将对生物医学领域，如对植入性和弥补性生物兼容材料、诊断器件、治疗学等产生很大影响，纳米材料将有更多的机会用于药物传递系统。新型的生物兼容性纳米材料和纳米机械元件将创造更多的植入性新材料、人造器官新材料和纳米新元件。
●开发基于天然纤维材料和具有环境兼容性、保证人类健康和安全的纳米聚合物纤维新材料：开发利用细菌精细纤维制造的纳米生态材料；用于食品等工业的小麦生物聚合物（淀粉）复合材料；将纳米粒子与生物可降解的聚合物结合，提高聚合物的物理和化学特性；开发来自糖的纳米晶增强剂以净化废品；开发用于聚合物复合材料的局部化学改性的植物纤维素纳米粒子；开发利用谷壳（rice husk）生产纳米结构的纳米硅炭化物；开发通过表面分离的自组织植物纤维素薄膜。
总之，纳米技术／材料将向着与信息技术、现代生命科学和认知科学融合的方向发展，它们的融合将促进所有科技经济领域的创新和新发现。

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

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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。

化学学科进展 论文

本人从智网上找的 有PDF格式 这是从上面转下来的
统磁体以单原子或离子为构件,三维磁有序化主要来自通过化学键传递的磁相互作用,其制备采用冶金学或其一、引 言他物理方法;而分子磁体以分子或离子为构件,在临界 作为一种新型的软材料,分子基材料(molecule2based温度以下的三维磁有序化主要来源于分子间的相互作materials)在近年来材料科学的研究中已成为化学家、物用,其制备采用常规的有机或无机化学合成方法.由于理学家以及生物学家非常重视的新兴科学领域[1].分子在分子磁体中没有伸展的离子键、共价键和金属键,因基材料的定义是,通过分子或带电分子组合出主要具有而很容易溶于常规的有机溶剂,从而很容易得到配合物分子框架结构的有用物质.顾名思义,分子基磁性材料的单晶,有利于进行磁性与晶体结构的相关性研究,有(molecule2based magnetic materials) ,通称分子磁性材料,利于对磁性机制的理论研究.作为磁性材料,分子铁磁是具有磁学物理特征的分子基材料.当然,分子磁性材体具有体积小、相对密度轻、结构多样化、易于复合加工料是涉及化学、物理、材料和生命科学等诸多学科的新成型等优点,有可能作为制作航天器、微波吸收隐身、电兴交叉研究领域.主要研究具有磁性、磁性与光学或电磁屏蔽和信息存储的材料.导等物理性能相结合分子体系的设计、合成.我们认为, 分子磁性研究始于理论探索.早在 1963 年McCo2分子磁性材料是在结构上以超分子化学为主要特点的、nnel[2]就提出有机化合物可能存在铁磁性,并提出了分在微观上以分子磁交换为主要性质的、具有宏观磁学特子间铁磁偶合的机制.1967 年,他又提出了涉及从激发征并可能应用的一类物质.态到基态电子转移的分子离子之间产生稳定铁磁偶合 分子铁磁体是具有铁磁性质的分子化合物,它在临的方法[3].同年,Wickman[4]在贝尔实验室合成了第一个界温度(Tc)下具有自发磁化等特点.分子磁体有别于传分子铁磁体.之后,科学家们相继报道了一些类铁磁性统的不易溶解的金属、金属合金或金属氧化物磁体.传质的磁性化合物,但直到1986年前,这些合成的磁性化·15 ·? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net专题综述Ziran Zazhi Vol.24 No.1合物没有表现出硬铁磁所具有的磁滞特征.1986 年,材料理论的精确预言和计算是相当困难的,而且,分子Miller等人[5]将二茂铁衍生物[Fe(Cp3)2](Cp3为五甲基磁性材料中包含的原子和分子基团更多,空间结构的基环戊二稀)与四氰基乙烯自由基(TCNE)经电荷转移合对称性更复杂,局部的磁交换的途径也体现出多样性,成了第一个分子铁磁体[Fe(Cp3)2]+[TCNE] ,其转换温使得目前的研究还处于实验经验的积累和定性的解释度 T上.尽管如此,科学家们对分子磁交换的机制进行了大c=4.8 K.与此同时,Kahn 等人[6]报道了具有铁磁性的MnCu(pbaOH)·(H量的研究,提出了许多近似理论模型,并基于这些模型2O)3分子化合物.从此,分子磁体的研究引起了人们的广泛关注,分子基磁性材料也应和大量的实验数据,在磁性与结构的关系研究中取得了运而生.一定的进展.对于一些对称性较高的体系,根据自旋相 开始,由于分子间的磁相互作用较弱,分子磁体的互作用的 Hamilton可由量子力学求出磁化率的解析形转换温度式T,然后根据实验数据计算出磁偶合系数 J 值,探索随c通常远远低于室温,难于达到应用的要求.结构的变化关系.对于对称性较差及组成较为复杂的体但是,第一个室温分子磁体V(TCNE)2·xCH2Cl2在1991系,自旋 Hamilton 的解析解很难求出.此时可用 Monte年由Manriquez[7]报道出后,虽然是一个不稳定的电荷转Carlo方法对物理过程进行模拟,求出磁偶合系数 J[10].移钒配合物,但近年来,分子磁性的研究已取得了令人 根据产生磁性的具体类型,磁交换机制主要通过以鼓舞的进展,Verdauger[8,9]报道了 Tc高达340 K的稳定下途径来实现:类普鲁士蓝的分子铁磁体. (1) 磁轨道正交 根据 Kahn等人的分子轨道理论,顺磁离子A与B之间的磁相互作用(J)由两部分贡献组二、分子磁性中的物理基础成,即铁磁贡献和反铁磁贡献,J = JF+ JAF.当A中未成对电子所占据的磁轨道与B中未成对电子所占据的磁 分子磁体的磁性来源于分子中具有未成对电子离轨道互相重叠时,它们之间的相互作用为反铁磁偶合,子之间的偶合,这些偶合相互作用既来自分子内,也可重叠积分越大,反铁磁偶合越强;当A与B中未成对电来自于分子间.分子内的自旋- 自旋相互作用往往通过子所占据的磁轨道正交时,它们之间的相互作用为铁磁“化学桥”来实现磁超相互作用.所以,分子磁性材料兼偶合.如图(1)中(a)、(b)所示.如果铁磁偶合与反铁磁偶具磁偶极- 偶极相互作用和超相互作用,故该类材料的合同时存在,通常反铁磁偶合强于铁磁偶合,因此只有磁性比常规的无机磁性材料表现出更丰富多彩的磁学当 JAF为零时,A与B间才为铁磁偶合.如在CsNiⅡ[CrⅢ性质.(CN)6]·2H2O[9]中,CrⅢ的磁轨道具有t2g对称性,而NiⅡ 根据铁磁体理论,要使材料产生铁磁性,首先体系的磁轨道具有e的原子或离子必须是顺磁性的g对称性,二者互为正交轨道,因而呈现,其次它们间的相互作用铁磁性偶合( T是铁磁性的.对于分子磁性材料,一个分子内往往包含c=90 K).当磁轨道正交时,铁磁偶合的一个或多个顺磁中心,即自旋载体,按照 Heisenberg 理大小依赖于轨道间的距离.论,两个自旋载体之间的磁交换作用可用以下等效Ham2 (2) 异金属反铁磁偶合 对于两个具有不同自旋的ilton算符来表示:顺磁金属离子,SA≠SB若A与B间存在磁相互作用,有^H两种情况:当A与B 间的磁相互作用为短程铁磁偶合ex= - 2J^S1^S2(1)其中时,总自旋 SJ 为交换积分,表示两个自旋载体间磁相互作用的T= SA+ SB;当A与B间的磁相互作用为反类型和大小. J 为正值时为铁磁性偶合,自旋平行的状态铁磁偶合时,总自旋 Sr=| SA- SB| (如图1中(c) (d)所为基态;J 为负值时为反铁磁性偶合,自旋反平行为基示).顺磁离子A和B间的磁相互作用大多为反铁磁偶态.如对分子磁性材料:A- X- B 体系(A,B 为顺磁中合.当为反铁磁偶合时,若 Sr= SB,则 Sr=0;若 SA与心,X为化学桥) ,X作为超交换的媒介使A和B发生磁SB不相等,则有净自旋,当在转换温度以下,净自旋有性偶合,设 SA= SB=1P2,则当反铁磁偶合时,分子基态序排列,使体系呈现亚铁磁性.因此,利用异金属之间反用单重态和三重态的能量差来表示:J = E铁磁偶合是构建高自旋分子的另一条有效途径.如CsMnS- ET. 磁相互作用研究的目的在于了解磁交换的机理,寻[Cr(CN)6] ,Mn2+的自旋为 SA=5P2,而Cr3+的自旋为 SB找磁性与结构之间的关系,并反过来指导分子磁性材料=3P2,二者之间产生反铁磁偶合,净自旋 ST= SA- SB的设计和合成.和通常的磁性材料一样,对分子基磁性=1P2,在低于转换温度( Tc=90 K)时,配合物表现为亚1·6 ·? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net自 然 杂 志 24卷1期专题综述铁磁性[11].以分为下面几类:1. 有机自由基分子磁体 化合物中不含任何带磁性的金属离子,大多由 C,H,O,N四种有机元素组成的磁体材料.其自旋载体为有机自由基,如氮氧自由基.McConnel 早在1963 年就提出有机化合物内存在铁磁偶合的机制[2].制备方法采用有机合成方法.由于它们具有有机材料特殊的物理、化学图性能,因而是更具应用前景的分子铁磁材料.但直到今1 相同自旋之间的偶合:(a) 铁磁偶合;(b) 反铁磁偶合; 不同自旋之间的偶合:(c) 铁磁偶合;(d) 亚铁磁偶合日,纯有机分子磁体的转换温度仍极低,和有机超导材料一样,在小于50 K的低温区.日本科学家在这方面的 (3) 电荷转移 对给体- 受体电荷转移类配合物,工作做得很好.目前,得到广泛研究并进行了结构标定如[FeCp32]+[TCNE]-,基态时,[FeCp32]+的自旋为1P2,的有机铁磁体主要有氮氧自由基及其衍生物[14]、C60[TCNE]-的自旋也为1P2.在这样一个系统中,由于电荷(TDAE)(TDAE为四(二甲胺基) - 1,2- 亚乙基)[15]等.转移,形成激发三重态.在[FeCp32]+与[TCNE]-交替排列形成的链中,阳离子与前后两个[TCNE]-等距离,它2. 金属- 有机自由基分子磁体的e2g电子可向前后两个[TCNE]转移,形成 S =1的激发 化合物中含有带磁性的过渡金属或稀土金属离子,态.基态激发态混合后,降低了体系能量,使自旋取向沿同时也含有机自由基的基团,故有两种以上的自旋载体着一条链形成.如果每个链的取向都是平行的,且链间存在,并发生相互作用,由这种金属或金属配合物与自和链内[FeCp32]+与[TCNE]-位置相当,那么e2g电子可由基两种自旋载体组装的化合物,也可以构建分子铁磁以在链间传递,从而进一步稳定了体系,导致了相邻链体.其中有些是有机金属与自由基形成的电荷 转移盐的自旋平行取向,产生宏观的铁磁性现象[12].体系. (4) 有机自由基与多自由基 自从1991 年日本京 美国的Miller和Epstein教授在这个体系中作出了卓都大学的 Takahashi 等[13]成功地合成了基于 C、H、O、N越的贡献,首先他们发现了[M(Cp32][TCNZ](Z=Q或四种元素组成的有机铁磁体,使人们认识到含有氮氧自E,TCNE为四氰基乙烯,TCNQ为四氰代对苯醌二甲烷,M由基的有机化合物也是制备分子铁磁体的一条有效途(C3p)2为环戊二烯金属衍生物)[12]. 如,[Fe(Cp3)2]径.氮氧自由基与金属配合物形成的磁偶合体系已成为[TCNZ]为一变磁体(它有一反铁磁基态,但在临界外场分子铁磁体研究领域的一个重要方面.为1500Oe时,转变为具有高磁矩的类铁磁态) ,它由[Fe(Cp3)2]+阳离子与[TCNQ]-阴离子交替排列形成平行三、分子基磁性材料的分子设计和目的一维链,每一个离子均有一未成对的电子自旋[16].磁 前热点研究体系有序要求在整体上的自旋偶合,因此,直径较小的[TC2NE]-将比[TCNQ]-有较大的电子密度,预期将有利于 分子磁体的设计与合成实质上是一个在化学反应自旋偶合.实际情况证明了这一点,[Fe(Cp3中分子自组装的过程.选择合适的高自旋载体(砖头) ,2)]+[TC2NE]-由阳离子与阴离子交替排列构成一维链,在4.8 K这可以是金属离子或具有自旋不为零的有机自由基,通以下表现为磁有序过非磁性的有机配体等桥梁基团作为构筑元件(石灰),在 T=2 K时,其矫顽力为1 000Oe,,超过了传统磁存储材料的值[17]以一定的方式无限长地联接起来.为了提高磁有序温度,,如通过脱溶剂法处理、改变抗衡离子或改变配体等途径他们又开创了M[TCNE],形成分子内部间x·yS(M=V,Mn,Fe,Ni,Co;S为的强相互作用和单元间弱相互作用的超分子结构.通过溶剂分子) 另外一类电荷转换盐分子磁体的研究工调控无限分子P分子单元(或链、层)间磁相互作用的类型作[18].并发现第一个室温以上的分子磁体V[TCNE]x·和大小,组装成低维或三维铁磁体.但就目前来说,除选yCH2Cl2,其 Tc高达400 K.值得一提的是,在常温下它显择合适的高自旋载体和桥联配体外,控制分子在晶格中示出矫顽力超过无机磁体,薄膜材料也在积极的研究堆砌方式也十分重要.中,已接近应用.遗憾的是,这类化合物的结构至今仍是 按照自旋载体和产生的磁性不同,分子磁性材料可不清楚.近年来,Miller等对[MnⅢTPP]+[TCNE]-(H2TPP·17 ·? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net专题综述Ziran Zazhi Vol.24 No.1为中心四苯卟啉)类分子磁体也进行了广泛的研究.有物在低温下,能够被光激发而发生从铁磁体到顺磁体的关的综述论文可参考文献[12]和[19].可逆转跃迁,是非常有实际应用的特性. Mn( Ⅱ) - 氮氧自由基链状配合物Mn(hfac)2(NIT2 草酸根桥联的双核或异双核金属配位物分子磁体Me)[20](hfac是六氟乙酰丙酮,NITMe 为2- 甲基- 4,4,一直吸引着人们的注意.具有D3对称性的[MⅢ(ox)3]3-5,5- 四甲基咪唑啉- 1- 氧基- 3- 氧化物自由基,Tc是一个非常有用的建造单元.它在3个不同的方向上都=7. 8 K) 及 Cu ( Ⅱ) 自由基配合物 [Cu (hfac)2]有“钩子”,能轻而易举地把别的金属离子拉进来而形成(NIT[21]多维的金属离子交替排列,从而成为二维或三维分子磁pPy)2(NITpPy为2- (2’吡啶 - 4,4,5,5- 四甲基咪唑啉- 1- 氧基- 3- 氧化物)是另一类的金属- 有体.如A[MⅡMⅢCr(ox)3](A =N(n - C4H9)+4、N( n -机自由基分子磁体.近年来,这类分子铁磁体的研究进C6H5)+4等) ,当MⅢ=Cr( Ⅲ) ,MⅡ为Mn(Ⅱ) ,Cu( Ⅱ) ,Co展很大,已由单自由基- 金属配合物扩展到多自由基-(Ⅱ) ,Fe( Ⅱ)和Ni( Ⅱ)时,其 Tc分别为6,7,10,12,14金属配合物.由于多自由基较单自由基有更多的自旋中K[26];当MⅢ=Fe( Ⅲ) ,MⅡ为Fe(Ⅱ) ,Ni(Ⅱ) ,Co( Ⅱ)时,心和配位方式,并且与金属配位更易形成多维结构的优Tc=30～50 K[27].点,多自由基—金属配位物的研究已成为分子磁体研究 草胺酸根合铜[Cu(opba)]2-、[Cu(pba)]2-及[Cu的热点之一[22].(pbaOH)]2-含有未配位基团,可作为形成多核配合物的前体.此前体具有两个桥基,易与Mn2+、Fe2+等阳离子3.金属配合物的分子磁体形成异双金属链而构成一维链状配合物,链内通过铁磁 金属配合物分子磁体是目前研究得最广泛、最深入或反铁磁偶合得到铁磁链或亚铁磁链,链间的铁磁或反的一类分子磁体,其自旋载体为过渡金属.在其构建单铁磁偶合导致材料的宏观磁性表现为铁磁或反铁磁性.元中,可以形成单核、双核及多核配合物.由这些高自旋这类分子磁体转变温度低,如由双草酰胺桥联的锰铜配的配位物进行适当的分子组装,可以形成一维、二维及合物MnCu(pbaOH)(H2O)3,Tc=4.6 K[28].三维分子磁体,可以形成链状或层状结构.根据桥联配 除此之外,近十年来化学家们对由三叠氮(N3)配体位体的不同,这类分子磁体主要包括草胺酸类、草酰胺桥联的多维化合物产生了极大的兴趣,这是因为三叠氮类、草酸根类、二肟类、氰根类等几种类型.配体主要以两种方式连接金属离子,见图2,分别对应反 报告的第一个这种类型的分子磁体是中间自旋 S =铁磁偶合和铁磁偶合,便于对分子磁性的设计.单独由3P2的FeⅢ(S2CNEt2)2Cl[4],在温度为2.46 K以下表现为三叠氮配体桥联或混入其他有机桥联配体,可构成一磁有序,但无磁滞现象.接着便是基于双金属的低温铁维,二维和三维的配位聚合物,形成独特的磁学性质并磁有序材料[CrⅢ(NH3)6]3+[FeⅢCl6]3-( Tc=0.66 K和在一定温度下构成分子磁体[29].这方面,我国的南京大亚铁磁有序材料[CrⅢ(NH3)6]3+[CrⅢ(CN)6]3-( Tc=2.学和南开大学也做出了很好的工作[30,31].85 K) ,它们同样不具有磁滞现象[23,24]. 近年来,由法国科学家Verdaguer发现普鲁士蓝类配合物所表现出的较高的转换温度,大的矫顽力,使得普鲁士蓝类磁性配合物越来越吸引人们的注意[25].普鲁士蓝类分子磁体是基于构筑元件M(CN)k-6与简单金属离子通过氰根桥联的类双金属配合物,双金属离子均处于八面体配位环境,并通过氰桥连接成三维网络.其组成形式为 Mk[M’(CN)6]l·nH2O 或 AMk[M’(CN)6]l·nH2O(M和M’为不同的顺磁性,化合物为铁磁体,如图2 三叠氮配体和金属离子以及对应的磁交换Cu3[Cr(CN)6]2·15H2O( Tc= 66 K) 、Cu3[Fe(CN)6]2·12H4. 单分子磁体(Single2Molecular Magnets)2O(Tc=14 K) 、Ni3[Cr(CN)6]2·14H2O( Tc=23 K)均为铁磁体.若两个金属离子磁轨道重叠,它们之间的磁 以上情况都是分子被连接成聚合物后产生非常强偶合为反铁磁性,化合物为反铁磁体或亚铁磁体,如的分子间相互作用.从另一个角度,若分子间相互作用(Net4)0.5Mn1.25[V(CN)6]·2H2O( Tc=230 K) 、CrⅡ3[CrⅢ很小可忽略,则分子被隔离成一个个独立的磁分子.当(CN)6]2·10H2O( Tc=240 K)[25].有价值的是,这类化合分子内含有多个自旋离子中心并发生磁偶合时,则总分1·8 ·? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net自 然 杂 志 24卷1期专题综述子的磁矩决定于磁偶合后的最低能态,这时就可能出现域.如在本文中提到的:转换温度超过室温的分子基铁基态为自旋数较高的稳定态,在磁场的作用下产生准连磁和亚铁磁体材料的发现;具有高自旋的多核配合物在续的激发态能级.所以整个分子的磁矩在外场下,沿外低温下表现出磁性的单分子磁体的发现;在室温以上具场的方向偏转时需要克服一个较大的势垒,这种势垒来有大的磁滞现象的自旋交叉配合物的发现;分子基磁体自零场分裂的磁各向异性.有时也称这种现象为自旋阻的光磁、热磁效应;以及分子基磁体的 GMR、CMR效应挫(spinfrustration)[32].这种依赖于外磁场的双稳态(bist2等.所有这些成果都预示着分子磁性材料光明的未来.ability)被看作是新一代信息材料应用的基础.目前所发 相比于传统的磁性材料,由于广泛的化学选择性,现的单分子磁体主要包括Mn12和Mn14离子簇、Fe8离子可以从分子级别上对分子磁性材料进行修饰和改良;作簇和 V为磁性材料4离子簇等三类,如基态为 S = 10 的 Mn12O12,分子铁磁体具有体积小、相对密度小、能耗(O[33]小及结构的多样化等优点,其制备的方法大多为常规的2CMe)16(H2O)4.有意义的是,当这种单分子体积大到一定值时,可被认为是一种尺寸单一的可磁化的纳化学方法,便于做成各种形态的产品,所体现的性质有米材料,具有不可估量的应用前景.些是传统的磁性材料不可替代的.已发现这类新物质可能成为各类高科技材料,特别是新一代的信息存储5. 自旋交叉配合物材料. 众所周知 当然,当配合物分子内的自旋离子中心减少到,作为一种新生的材料,有很多方面仍需要进仅一个时一步研究和改进,这也是我国科学家在基础研究和应用,分子间的相互作用又很小,配合物显示出独立离子的特性科学走向世界前列的良机.可以预见,在未来的发展中,,为近似理想的顺磁性.具有3d4- 3d7电子配置的过渡金属配合物分子基磁性材料将可能在:①高,在八面体配位结构下,电子Tc温度的分子磁体;②在五个d电子轨道上的排布,可能会受到配位场e提高材料的物理稳定性;③透明的绝缘磁体;④易变、易g和t2g加工的分子磁体轨道之间的能隙Δ大小的影响;⑤和其他物理性能结合的复合磁性材,当Δ平均电子对能p相料近时;⑥超硬和超软磁体; ⑦液体磁体等方面着重探索和,化合物的自旋态可能由于某些外界条件的微扰,得到发展可呈现高自旋态与低自旋态的交叉转变[34].(.最典型的是2000年8月29日收到)一些Fe(Ⅱ)配合物,发生高自旋态5T1 Alivisatos A. P. ,Barbara P. F. ,Castleman A. W. ,et. al. Adv. Ma22(S =2,顺磁性)与ters. ,1998;10:1297低自旋态1A1(S =0,抗磁性)的转变,伴随自旋相变,化2 McConnel H.M. J. Chem. Phys. ,1963;39:1910合物可能有结构甚至和颜色的变化.有一些的转变温度3 McConnel H.M. Proc. R.A. Welch Found. Chem. Res.1967;11:144还在常温区,如[Fe(Htrz)4 Wickman H.H. ,Trozzolo A.M. ,Williams H.J. ,et. al. Phys. Rev. ,3- 3x(NH2trz)3x](ClO4)2·H2O1967;155:563(trz=1,2,4 三唑类) ,在常温下从紫色(低自旋)随温度5 Miller J.S. ,Calabrese J.C. ,Epstein A.J. ,et. al. J. Chem. Soc. ,上升转为白色(高自旋).成为另一种新的可利用的双稳Chem. Commun,1986;10266 Pei Y. ,Verdauger M. ,Kahn O. ,et al. J. Am. Chem. Soc. ,1986;态现象[35].1984年,Decurtins等人首次观察到光诱导自108:7428旋交叉效应[36],并随后在低温下利用光对自旋态的激发7 ManriquezJ.M. ,Yee G.T. ,Mclean R.S. ,et al. Science,1991;252:和调控进行了深入研究,期望能用作纳秒级的快速光开14158 FerlayS. ,Mallsah T. ,Ouahes R. ,et al. Nature,1995;378:701关和存储器[34].我国在自旋交叉研究方面也取得了可喜9 Mallah T. ,Thiebaut S. ,VerdaguerM. ,et al. Science,1993;262:1554的成绩[37],如发现温度回滞宽度近55 K的自旋交叉化10 Zhong Z.J. ,You X. Z. ,Chen T. Y. Annual Sci Rept—suppl of J of合物[Fe(dpp)Nanjing Univ. ,Eng.Series, Nov19942(NCS)2]py(dpp =二吡嗪(3,2,2-,3-)邻11 Griebler W.D. ,Babel D.Z. ,NaturforschB. Anorg. Chem. ,1982;37B菲罗啉,py=吡啶)[38],而且首次发现在快速冷却下仍保(7) :832持高自旋亚稳态,实现了不通过光诱导也能得到低温下12 MillerJ.S. ,EpsteinA.J.Angew. Chem. Int. Ed. ,1994;33:38513 Takahashi M. ,Turek P. ,NakazawaM. ,et al. PhysLett,1991;67:746的双稳态[39].14 Chiarelli R. ,NovakM.A. ,Rassat A. ,et al. Nature,1993;363:14715 Allemand P.M. ,Khemani K.C. ,Koch A. ,et al. Science,1991;254:301四、展 望16 MillerJ.S. ,ZhangJ.H. ,Reiff W.M. ,et al. J. Phys. Chem. ,1987;91:4344 分子基磁性材料作为一种新型的材料,近十年来,17 MillerJ.S. ,CalabressJ.C. ,DixonD.A. ,et. al. J. Am. Chem. Soc. ,1987;109:769在化学家和物理学家的努力下,在很多方面已经取得了18 Zhou P. ,LongS.M. ,MillerJ.S. Phys.Lett.A,1993;181:71突破性的进展,迅速发展成为一门材料学科的前沿领19 MillerJ.S. Inorg. Chem. ,2000;39:4392

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