1、 普通的材料通過納米化，能增添許多神奇特性；利用納米化材料特殊性質，可以開發出難以計數的新的元器件。 納米技術在電子信息領域的應用納米技術在電子信息領域的應用 納米技術在生物醫學領域的應用納米技術在生物醫學領域的應用 納米技術在國防軍事中的應用納米技術在國防軍事中的應用 納米技術發展的一個主要推動力來自于信息產業，微電子器件薄、輕、小的客觀要求與發展趨勢，迫使人們研究和使用納米科技傳統的電子器件，只利用了電子波粒二象性中的粒子性，而且都是通過電子數量來實現信號處理的納米器件或稱量子器件是利用量子效應原理制成的，它的尺寸在納米級，具有更高的響應速度、更低的功耗、更大集成度，同時器件還具有結構簡單

2、、可靠性好、成本低的優點現代電子學正經歷一個從微電子學到納米電子學的發展時期，并引起新的電子技術革命，把電子工業技術推向一個更高的階段納米電子學的目標是將集成電路的幾何尺度進一步減小，超越目前發展的極限，因而使得該功能密度和數據通過量率達到新的水平如50年前，微電子器件取代真空電子管器件給信息技術帶來革命一樣，納米結構將再次給信息技術硬件帶來革命 1996年，美國耶魯大學就首次完成了對單個分子的電學測量。 實驗表明：實驗表明：電子在穿過分子時是一個一個依次通過的，這樣，流過分子的電子將不會產生相互作用和碰撞，分子也就不會因電子在其間流動而發熱。特定有機分子導電性的測量為研特定有機分子導電性的測

3、量為研制分子器件打下一定的基礎制分子器件打下一定的基礎 2000年底，英國成功地將有機分子形成的導線分別與納米金顆粒和金電極相連，組裝成能承載電流的納米電路。在這個納米電路中，納米金顆粒和金電極之間連接了數十個有機分子。這種納米電路有望用于制造超大容量存儲器件，應用于這種納米電路有望用于制造超大容量存儲器件，應用于將來的納米計算機將來的納米計算機 納米存儲器可以用單個的分子存儲一個信息單位(bit)，并且可以寫、讀和像計算機中的隨機存儲器一樣用電子學的方法存取信息，其外觀和性能幾乎完全和普通的計算機存儲器一樣，但體積卻小得多 用分子來存儲信息的元器件研究很多，但多數分子存儲器不是采用單個的分子

4、單個的分子，而是分子團分子團存儲信息；而存儲和讀寫的方式也多采用光學方法。例用激光照射這些分子團，激發分子團發光，以此實現信息的存儲 1999年，耶魯大學研制的分子存儲器是選用一種十分特殊的分子，它可以直接用電子學的方法電子學的方法存儲和讀取信息 生物計算機主要研究目標是尋找或創造一些特定的生物分子，并期待這些生物分子能夠更加快速地完成計算機的基本運算和存儲功能，代替目前的半導體計算機中央處理器(CPU)和存儲器。 蛋白質生物計算機蛋白質生物計算機 DNA DNA生物計算機生物計算機蛋白質生物計算機蛋白質生物計算機 以蛋白質分子為材料制造的生物計算機，不僅體積小，質量輕，能耗小，環境適應性強，

5、而且運算速度和信息儲存能力比現有的計算機要高出數億倍。同時具有和人腦一樣非常優越的分析，判斷，聯想，記憶等智能。 目前，美日歐和俄羅斯在生物計算機的原型器件和系統方面進行了大量研究，取得了很大的進展，如美國和俄羅斯研制的細菌視紫紅蛋白質計算機處理器細菌視紫紅蛋白質計算機處理器。該生物材料具有非常獨特的熱，光，化學物理特性和良好的穩定性，并且其奇的光學循環特性可以用于信息的儲存，有望代替當今計算機的信息處理和存儲的作用。 美國在35年內能大批量生產這種計算機。生物計算機的造價比半導體計算機的造價要低得多，因為它所用的生物材料可利用通過基因技術改造后的細菌大量生產。 DNA含有大量的遺傳密碼基因，

6、這些基因通過生物化學反應傳遞著遺傳信息，并可以一代傳給一代。DNA計算機將利用DNA分子這些獨特的遺傳信息傳遞方式來實現計算機的計算功能。l DNA分子中的密碼相當于存儲的數據，DNA分子之間可以在某種酶的作用下瞬間完成生物化學反應，從一種基因代碼變為另一種基因代碼。如果將反應前的基因代碼作為系統的輸人數據，而將反應后的基因代碼作為運算結果的話，那么只要控制得當就可以利用這種反應過程制成DNA計算機。l 基于分子反應的DNA計算機運算速度極快運算速度極快，它幾天的運算量就可相當于計算機問世以來世界上所有計算機的總計算量。另外，由于每個DNA分子都含有大量的基因，因此DNA分子的存儲容量十分巨大

7、存儲容量十分巨大，如1m3的DNA溶液可存儲1萬億億比特的數據，這將超過目前所有計算機存儲器容量的總和。不僅如此，DNA計算機所消耗的能量卻小的出奇消耗的能量卻小的出奇，只有普通半導體計算機的10億分之一。l 生物分子計算機是人們長久以來的夢想，它的實現將可以徹底實現當今計算機無法真正實現的模糊推理功能和神經網絡運算功能，而這些都是人工智能的重大突破口之一。 美國波士頓大學制造出了世界上一種最小的分子馬達。該馬達僅由78個原子組成。幾乎同時，日本和荷蘭的科學家也研制出另一種用太陽能驅動的分子馬達，它能在光的照射下連續不斷地旋轉。分子馬達將能夠為未來的分子機械提供動力，為今后開發和研制微小的分子

8、機械奠定了一定的基礎。 2000年2月，日本東京大學宣布，他們在世界上首次研制成功可自由控制轉速的分子齒輪。該分子齒輪的結構由兩個直徑約為1nm的卟啉分子夾著一個直徑約為0.1nm的金屬離子。如將卟啉分子和金屬離子放人一種溶液中，并對溶液加熱到特定的溫度，就可以使卟啉分子和金屬離子組合成分子齒輪。目前這種分子齒輪只能分別單獨旋轉，倘若要構成一個齒輪傳動系統，就必須將多個分子齒輪按一定的方式組合起來。 圖1 兩種不同的分子在分子之間力的作用下在溶液中自組裝的情形。由于納米尺寸非常之小，納米機械必須具有自組裝、自我復制等功能納米機器人納米機器人 1990年，美國貝爾實驗室成功地制造出了極其微小的納

9、米機器人。這種只有跳蚤般大小的機器人由許多齒輪等零件、渦輪機和微型電腦組成，其零件小得猶如空氣中漂浮的塵埃。該納米機器人在當年美國麻省理工學院舉辦的科技博覽會上一亮相，就引起了人們的極大的興趣。 美國紐約大學研制出一臺納米機器人，其手臂是用兩個DNA分子制作的，可以自如地在固定的位置間旋轉。最近，瑞典也研制出一臺微型醫用機器人，由多層聚合物和黃金制成，外表類似人的手臂，其手臂、肘部和腕部都十分靈活，有24個手指，實驗已進入能讓機器人撿起和移動肉眼看不見的玻璃珠的階段。納米機器人可分為三代納米機器人可分為三代 第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體，如酶納米齒輪的結合體。這種納米機器人

10、可注入人體血管內，可以進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪積淀物，吞噬病毒，殺死癌細胞。 第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。 第三代納米機器人將包含有納米計算機。這是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦研制成功，有可能在1秒鐘內完成數十億次操作。人類的勞動方式將產生徹底的變革。 近年來，科學家們已經成功地制造出了納米齒輪、納米軸承、納米彈簧、納米噴嘴、納米傳感器等納米機械和機電零器件，而且還發明了納米發動機和納米執行機構。l納米發動機的直徑只有200m，一滴油就可以灌滿約50個這樣的發動機。將這些納米零器件和發動機等執行機構組

11、裝起來就可以構成人類夢寐以求的實用微型系統。l 日本豐田汽車公司用微型部件制造了一輛只有一粒米那么大的能開動的微型汽車。東京大學用硅材料制造了一只微型仿生昆蟲，這種微型昆蟲已經能夠飛行數厘米，將來有望應用于軍事目的。 圖2 碳納米管制作的納米齒輪模型 納米馬達是一種利用壓電陶瓷基片或薄膜、電致伸縮材料的聲振動和微小變形將換成旋轉或移動的機械輸出等運動形式的新型驅動器。它不同于傳統的電磁馬達和靜電馬達，具有低速下大力矩輸出、無電磁輻射和噪音輻射、結構簡單且設計靈活，不存在過載、過壓自毀現象，國際上已經在納米技術，微機械和微系統，通信傳感技術，半導體技電子技術，電子掃描技術，微生物技術，航空航天技

12、術等場合得到了實際應用。l圖3 納米馬達示意圖 圖圖4 納米馬達的應用實例，英文字母下的標尺為納米馬達的應用實例，英文字母下的標尺為10nma、通信技術中的微波管微調器 b、小型商用掃描隧道顯微鏡c、光電系統的鏡面微調d、三維納米操縱器，范圍為1刪X1mX5me、含三個納米馬達操縱器的工作平臺xy移動平臺f、接觸和抓取納米級樣品的針尖操縱器g、平面抓取器(05n圓的抓取行程) h、平行的抓取器i、三軸的微米裝配機(含一個限定空間的抓取器) 光纖是最近二三十年來蓬勃興起的一種用來傳輸信息的新材料，它不是通過電流來傳輸信息，而是利用光脈沖來傳輸信息的。l光纖具有其它任何材料無法比擬的優異的傳輸功能

13、，可以隨時提供描述系統狀態的準確信息，理所當然地成了最重要的信息傳輸材料l通過與納米技術結合，可進一步提高光纖的傳輸能力，降低光纖的傳輸損耗 燕山大學的侯峙云等采用調節高溫區與冷卻區距離的方法，使多晶GeO2介質膜的顆粒度降低到100nm左右，提高了光纖的傳輸能力，將光纖的傳輸損耗降低到0.8dB/m以下 l美國加州噴氣飛機推進器實驗室正在研制一種可以探測到生物體內單個細菌移動以及細胞體液流動聲音的納米傳感器，或稱“納米麥克風”。l這種極高靈敏度的納米傳感器是用碳納米管制成，它能夠在受到很小壓力的作用下作出反應而探測到相關的聲音信息。用這種納米傳感器甚至可以探測到生物體內單個細胞的生長發育時所

14、發出的聲音。 2000年，美國斯坦福大學的研究發現碳納米管可以用來探測有毒的二氧化氮和氨氣。這一發現將可能帶來新一代的納米環境探測器。l 二氧化氮和氨氣都會導致溫室效應和酸雨，因此它們在大氣中的含量必須被實時監測。現有探測技術成本高，不便移動作業，同時所需的測量溫度很高。l斯坦福大學的研究發現碳納米管當暴露在二氧化氮中時，通過它們的電流將增大；當暴露在氨氣中時，通過它們的電流將減小。應用這一原理就可以用碳納米管制造廉價的，可以在室溫條工作的納米環境探測器。 意大利科學家研制出一種用于疾病探測的“電子鼻”，它可以嗅出人體各種疾病的氣味，是一種早期發現疾病的有效儀器。 l在這種“電子鼻”中配有非常

15、靈敏的極其微小的生物傳感器，可以將人體的各種氣味轉換成電信號，經過計算機處理后繪制成一種人體“氣味圖譜”，用于分析人體的健康狀況。 l目前，科學家們正在編制各種疾病的氣味圖譜，其中包括各種癌癥的氣味圖譜，這樣就可以使疾病的診斷變得更加容易。 1999年，巴西和美國的兩位教授在進行碳納米管的強度和柔韌性實驗時，先將電流通人碳納米管，再觀測碳納米管的振動頻率，由此計算出碳管的強度和柔韌性；而后再將一個納米顆粒放在碳納米管的一個頂端，重復進行上述實驗，發現由于重量發生了變化，使碳納米管振動頻率也隨之發生了相應的變化。用這種方法就可以測算出納米顆粒的重量。l這在當年被稱為是世界上最小的“納米秤”，能夠

16、稱量十億分之一克(109克)的重量，即相當于一個病毒的重量l 利用這種“納米秤”，能夠稱不同種類病毒的重量，由此可以鑒別或發現新的病毒l此后，德國科學家發明了可以稱出單個原子的重量的納米稱l 2001年1月，德國卡塞爾大學的研究人員利用納米技術制成了世界上最小的溫度計l該溫度計只有頭發絲直徑的千分之一，能夠分辨出1nm空間范圍內千分之一攝氏度的溫度變化。這項研究進展為納米尺度溫度傳感器的應用打下了一定的基礎 l 傳統探礦過程是在預先選定的位置上下鉆取樣品再分析。下鉆取樣深度要達數十米，工作量巨大。此外，探礦下鉆取樣位置選擇有一定的隨機性，下鉆取樣得到的樣品的分析結果有可能不是所期望的礦石標本，

17、使得探礦工程前功盡棄l 礦石所含的納米微粒的滲透性都非常強，可以一直滲透到地球的表面上來，因此用特定的納米微粒探測器將可以十分有效地在地表上直接探測到地表下的礦石種類納米衛星納米衛星 在科學技術迅猛發展的世紀末期，航天技術突破那傳統的單星功能“多而全”的思想，已呈現出一種新的發展趨勢和新的設計思想，典型代表就是現代小衛星系統。 小衛星小衛星- -質量小于質量小于1 1t t的衛星：的衛星： 小型衛星（0.51t） 超小衛星（0.10.5t） 微型衛星（0.010.1t） 納米衛星（小于0.01t） 19951995年美國提出納米衛星的概念。年美國提出納米衛星的概念。l納米衛星比麻雀略大，質量不

18、足10kg，各種部件全部用納米材料制造。一枚小型火箭一次就可以發射數百顆納米衛星l若在太陽同步軌道上等間隔地布置648顆功能不同地納米衛星，就可以保證在任何時刻對地球上任何一點進行連續監視，即使少數衛星失靈，整個衛星網絡的工作也不會受影響l北京清華大學清華大學研制了質量僅為10kg的“納米衛星”，上天后與目前運行良好的“航天清華一號”微型衛星共同巡行于浩瀚太空l衛星越小，技術含量越高，納米衛星和“航天清華一號”相比，整體功能相近但質量更輕，在10kg以下，還能應用于衛星之間的通訊實驗等l 納米衛星納米衛星是一種尺寸小到低限度的航天器，質量在0.1kg以下，即每顆不到100gl數個納米衛星作為基

19、本單元，以局部星團、或分布式星座的形式部署在太空中不同的軌道上；彼此之間通過遙測、遙控的方法互相連接，形成內在有緊密聯系的星座來完成原來一顆常規衛星所具有的完整功能l 核心技術核心技術是微機電系統，因為它是衛星部件微型化的基礎l關鍵技術關鍵技術是分布式的空間系統結構小衛星系統的特點小衛星系統的特點發射發射靈活：靈活：可使小型運載火箭通過鐵路、公路機動應急發射，也 可通過飛機從空中發射研制期短：研制期短：如“銥”衛星一年可生產100多顆，平均每顆的生產周期 為21天，并且生產成本較低，便于批量生產作用巨大：作用巨大：時延短、衰減小、覆蓋面廣，可以在包括兩極在內的全球任何地方與衛星溝通，實施全球通

20、信和數據傳輸生存力強：生存力強：目標小，不易遭反衛星武器的攻擊。可采取互為補充的部署方式，即使個別衛星受損也不會影響整個系統的工作 21世紀，納米技術將給醫學帶來極大的變革。納米醫學探測技術得到迅速地發展；在20世紀人類未能徹底攻克的主要的疾病，如心臟病、艾滋病、中風、糖尿病等疾病，都有望在納米生物和醫學的成功應用中而得到解決。 納米技術與仿生學結合研制的納米醫用機器人將會給人類醫學帶來巨大的變革： 能在血液和細胞介質中工作，也能在血管中游走。因此，可以用來捕捉和移動單個細胞，也可以用來清除血管壁上，甚至心臟動脈上的脂肪沉積物，由此減少心血管疾病的發病率 可以進入人體組織的間隙里清除病毒細菌或

21、癌細胞，甚至可以代替外科手術，修復心臟、大腦和其他器官等 可以在人體內來回行走進行定位給藥，把藥直接送到損傷部位 圖5 畫家筆下的一種納米仿生術機器人 這種稱為游蕩者的納米仿生物可以為人體傳送藥物，進行細胞修復等工作。 圖6 納米機器人清理血管中的有害堆積物 納米機器人可以小到在人的血管中自由的游動，對于象腦血栓、動脈硬化等病灶，它們可以非常容易的予以清理，而不用再進行危險的開顱、開胸手術 美國著名的周刊雜志財富在1997評價：“在20世紀科技史上有兩件事影響深遠。一件是微電子芯片，它是計算機和電子儀器的心臟，它使我們的經濟結構發生了翻天覆地的變化，給人類帶來了巨大的財富，改變了我們的生活方式

22、；另一件是生物芯片，它將改變生命科學和醫學的研究方式，革新醫學診斷和治療，極大地提高人口素質和健康水平，從而改變整個世界的面貌。” 生物芯片技術通常包括基因芯片，蛋白質芯片生物芯片技術通常包括基因芯片，蛋白質芯片及芯片實驗室三大部分。及芯片實驗室三大部分。 基因芯片基因芯片(genechip)：又稱DNA芯片(DNAchip)，是生物芯片中最基礎的，研究開發最早，最為成熟和目前應用最廣泛的生物芯片。 基因芯片像計算機芯片一樣可以存儲大量的信息，不同的是在基因芯片中傳遞信息的使者是DNA分子。 基因芯片通常由大量的基因探針構成，每個基因探針是一段人工合成的堿基序列。當在探針上接有被檢測的物質后，

23、根據堿基互補原理就可以識別被檢測物質的特定基因。 目前，世界各國已經開發出上百種基因芯片，如用于檢測HIV(艾滋病)基因和腫瘤基因的芯片以及用于研究藥物新陳代謝時基因變化的細胞色素芯片等等。 蛋白質芯片：蛋白質芯片：與基因芯片的基本原理相同，但它利用的不是基因的堿基配對而是抗體與抗原結合的特異性，即免疫反應，來實現蛋白質的檢驗。所以，蛋白質芯片不像基因芯片那樣以DNA為檢測對象，而是以蛋白質為檢測對象，這樣更加進一步接近生命活動的物質層面。 芯片實驗室芯片實驗室是是一個高度集成化的生物分析系統，集樣品制備，基因擴增，核酸標記及檢驗等功能為一體，可將生化分析的全部過程全部集成在一片芯片上完成。l

24、 美國普杜大學開發的一種芯片實驗室技術，可以將生化實驗室的專用儀器微縮在一片芯片上，芯片上的儀器縮小到常規儀器的千分之一，甚至百萬分之一。l 成果使研究人員能夠在一塊小小的硅片上堆積幾十個甚至幾百個生化“實驗室”，每個“實驗室”都能進行復雜的生化檢測和分析。芯片實驗室的應用可以減少很多化學和醫學研究和分析的費用，并大大提高效率。 分子雷達分子雷達 “分子雷達分子雷達” ” 是采用光學相干層析術(OCT)制造的一種新型醫學診斷和監測儀器 分辨率可達到1um 以每秒2000次的速度完成生物體內活細胞的動態成像 不會像X光、CT、核磁共振那樣殺死活細胞 應用于臨床，能夠及早發現細胞的病變而把疾病“扼

25、殺在萌芽狀態中”，不必等到生命的尾聲時才被CT或核磁共振檢查出癌癥的病變。 清華大學已經研制成功這種清華大學已經研制成功這種“分子雷達分子雷達”的基型，不久的基型，不久的將來可用于造福人類。的將來可用于造福人類。l 微型傳感器的尖端很小，可以直接插入活細胞內也不會嚴重干擾細胞的正常生理過程，但卻可以獲取活細胞內足夠的反映其功能狀態的動態信息，為臨床疾病的診斷和治療提供客觀指標l 根據不同的診斷和檢測目的，這種探測器也可以植入人體內不同部位或隨血液在體內流動，用以實時檢測人體內的各種生物狀態的信息 美國密歇根大學研制出一種可摧毀病毒的“納米炸彈納米炸彈”。這種所謂的炸彈其實是一些分子大小的液滴。

26、 這種微小的“納米炸彈”不僅可以摧毀生化武器中的病毒，當炸彈的成分適當改變后可以用來消滅流感和孢疹病毒，甚至可以攻擊大腸桿菌、沙門氏菌和李氏桿菌。 美國伊利諾依大學研制出一種“人造細菌人造細菌”它是一種納米細管結構，它由附在帶電油脂膜上的肌動蛋白構成肌動蛋白是一種肌肉蛋白質，當肌動蛋白與特定的脂微粒混合時，它立刻經歷分層自聚合的過程，先是分成平行的片層，然后發生彎曲并形成類似細管的納米結構。由于這種細管類似細菌的細胞壁，因此，又將它稱為“人造細菌”這種納米“人造細菌”在醫學上有許多的用途，其中之一是利用它的細管結構向人體內釋放藥物。 圖7 人體中的血紅細胞和人造細胞結合圖（科學幻想）人體中紅血球的重要功能之一是向身體的各個部分輸送氧分子，因為如果身體的某些部分缺氧，那部分就會感