纳米技术
21世纪的科技新星
一、纳米的基本知识
1,纳米的概念
纳米, 是英文 nanometer的译名,
是一种度量单位, 1纳米为百万分之一
毫米, 即 1毫微米, 也就是十亿分之一
米, 约相当于 45个原子串起来那么长 。
纳米结构通常是指尺寸在 100纳米以下
的微小结构 。
纳米研究的范围是 1到 100纳米，
0,1纳米是单个氢原子的尺寸，因此
所谓 0,1纳米层面的, 纳米技术, 是
不存在的。
2,纳米科技概念的提出与发展
最早提出纳米尺度上科学和技术问
题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者
理查德 ·费恩曼。纳米科技的迅速发展是
在 80年代末,90年代初。 80年代初发明
了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要
仪器 ——扫描隧道显微镜 (STM)、原子
力显微镜 (AFM)等微观表征和操纵技术，
它们对纳米科技的发展起到了积极的促
进作用。与此同时，纳米尺度上的多学
科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成
为一个有广泛学科内容和潜在应用前景
的研究领域。
二、纳米科技的研究领域
1．纳米材料
纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材
料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有
特殊性能的材料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体、
纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材。
纳米材料结构的特殊性 [如大的比表面以及一系列新
的效应 (小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧
道效应 )]决定了纳米材料出现许多不同于传统材料的
独特性能，进一步优化了材料的电学、热学及光学
性能。对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系
统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通
过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建
立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是发
展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术问
题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、
分散化、稳定化 。
2,纳米器件
纳米科技的最终目的是以
原子、分子为起点，去制造具
有特殊功能的产品。因此，纳
米器件的研制和应用水平是进
入纳米时代的重要标志。如前
所述，纳米技术发展的一个主
要推动力来自于信息产业。
纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构
进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而
使得功能密度和数据通过量达到新的水平。在纳
米尺度下，现有的电子器件把电子视为粒子的前
提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新
的效应，如量子效应。利用量子效应而工作的电
子器件称为量子器件，像共振隧道二级管、量子
阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比，
量子器件具有高速 (速度可提高 1000倍 )、低耗
(能耗降低 1000倍 )、高效、高集成度、经济可靠
等优点。为制造具有特定功能的纳米产品，其技
术路线可分为, 自上而下, (top down)和, 自下
而上, (bottom up)两种方式。
“自上而下, 是指通过微加工或固态技
术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品
微型化；而, 自下而上，是指以原子、分
子为基本单元，根据人们的意愿进行设计
和组装,·从而构筑成具有特定功能的产
品。这种技术路线将减少对原材料的需求，
降低环境污染。 科学家希望通过纳米生
物学的研究，进一步掌握在纳米尺度上应
用生物学原理制造生物分子器件，目前，
在纳米化工、生物传感器、生物分子计算
机、纳米分子马达等方面，科学家都做了
重要的尝试。
3．纳米结构的检测与表征
为在纳米尺度上研究材料和器件的结
构及性能，发现新现象，发展新方法，创
造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表
征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各
种纳米结构的电、力、磁、光学特性，纳
米空间的化学反应过程，物理传输过程，
以及研究原子、分子的排列、组装与奇异
物性的关系。
扫描探针显微镜 (SPM)的出现，标志着
人类在对微观尺度的探索方面进入到一个
全新的领域。作为纳米科技重要研究手段
的 SPM也被形象地称为纳米科技的, 眼, 和
,手, 。
所谓, 眼睛,,即可利用 SPM直
接观察原子、分子以及纳米粒子的相
互作用与特性。
所谓, 手,,是指 SPM可用于移
动原子、构造纳米结构，同时为科学
家提供在纳米尺度下研究新现象、提
出新理论的微小实验室。
同时，与纳米材料和结构制备过
程相结合，以及与纳米器件性能检测
相结合的多种新型纳米检测技术的研
究和开发也受到广泛重视。如激光镊
子技术可用于操纵单个生物大分子。
三、纳米科技前景的展望
纳米技术在现代科技和工
业领域有着广泛的应用前景。
比如，在信息技术领域，据估
计，再有 10年左右的时间，现
在普遍使用的数据处理和存储
技术将达到最终极限。为获得
更强大的信息处理能力，人们
正在开发 DNA计算机和量子计算
机，而制造这两种计算机都需
要有控制单个分子和原子的技
术能力。
传感器是纳米技术应用的一个重要领
域。随着纳米技术的进步，造价更低、功
能更强的微型传感器将广泛应用在社会生
活的各个方面。比如，将微型传感器装在
包装箱内，可通过全球定位系统，可对贵
重物品的运输过程实施跟踪监督；将微型
传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮
胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更
换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型
传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的
工作性能进行监视。在食品工业领域，这
种微型传感器可用来监测食物是否变质，
比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状
况等。
1．材料和制备
在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和
成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可
设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用
的特点；以新原理和新结构在纳米层次上构
筑特定性质的材料或自然界不存在的材料、
生物材料和仿生材料。实现材料破坏过程中
纳米级损伤的诊断和修复。 在陶瓷领域的
应用 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随
之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，
使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。
许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧
结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将
具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工
等优点。
用纳米材料制成的
纳米材料多功能塑料，
具有抗菌、除味、防腐、
抗老化、抗紫外线等作
用，可用作电冰箱、空
调外壳里的抗菌除味塑
料。
2．微电子和计算机技术
可以从阅读硬盘上读卡机以
及存储容量为目前芯片上千倍的
纳米材料级存储器芯片都已投入
生产。计算机在普遍采用纳米材
料后，可以缩小成为, 掌上电
脑, 。 纳米结构的微处理器的效
率提高 1兆倍，并实现太比特的存
储器 (提高 1000倍 )；
纳米技术的发展，使微电子和光
电子的结合更加紧密，在光电信息传
输、存贮、处理、运算和显示等方面，
使光电器件的性能大大提高，将纳米
技术用于现有雷达信息处理上，可使
其能力提高 10倍至几百倍，甚至可以
将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星
上进行高精度的对地侦察。最近，麻
省理工学院的研究人员把被激发的钡
原子一个一个地送入激光器中，每个
原子发射一个有用的光子，其效率之
高，令人惊讶。
3．环境和能源
环境科学领域将出现功能独
特的纳米膜。这种膜能够探测到
由化学和生物制剂造成的污染，
并能够对这些制剂进行过滤，从
而消除污染。 制备孔径 lnm的
纳孔材料作为催化剂的载体，纳
米孔材料和纳米膜材料 (孔径
l0~l00nm)用来消除水和空气中的
污染；成倍的提高太阳能电池的
能量转换效率。
4．医学与健康
纳米技术将给医学带来变革：纳
米级粒子将使药物在人体内的传输更
为方便，用数层纳米粒子包裹的智能
药物进入人体后，可主动搜索并攻击
癌细胞或修补损伤组织，科研人员已
经成功利用纳米微粒进行了细胞分离，
用金的纳米粒子进行定位病变治疗，
以减少副作用等。；在人工器官外面
涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反
应；研究耐用的与人体友好的人工组
织、器官复明和复聪器件；疾病早期
诊断的纳米传感器系统。
研究纳米技术在生命医
学上的应用，可以在纳米尺
度上了解生物大分子的精细
结构及其与功能的关系，获
取生命信息。科学家们设想
利用纳米技术制造出分子机
器人，在血液中循环，对身
体各部位进行检测。诊断，
并实施特殊治疗。
5．生物技术
虽然分子计算机目前只是处于理想
阶段，但科学家已经考虑应用几种生
物分子制造计算机的组件，其中细菌
视紫红质最具前景。该生物材料具有
特异的热、光、化学物理特性和很好
的稳定性，并且，其奇特的光学循环
特性可用于储存信息，从而起到代替
当今计算机信息处理和信息存储的作
用，它将使单位物质的储存和信息处
理能力提高上百万倍。
在纳米尺度上按照预定的对称性和
排列制备具有生物活性的蛋白质、核
糖核酸等，在纳米材料和器件中植入
生物材料使其兼具生物功能和其他功
能，生物仿生化学药品和生物可降解
材料；动植物的基因改善和治疗，测
定 DNA的基因芯片等。
6．航天和航空
纳米器件在航空航天领域的应用，
不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗
能指标成指数倍的降低。这方面的研究
内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高
性能计算机；微型航天器用纳米集成的
测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损
的纳米结构涂层材料。
采用纳米材料技术对机械关键零部
件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以
提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿
命
7．国家安全
由于纳米技术对经济社会的广泛渗透
性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这
些技术的国家，将在国家经济安全和国防
安全方面处于有利地位。通过先进的纳米
电子器件在信息控制方面的应用，将使军
队在预警、导弹拦截等领域快速反应；通
过纳米机械学，微小机器人的应用，将提
高部队的灵活性和增加战斗的有效性；用
纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系
统的性能将大幅度提高；通过纳米材料技
术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波
性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇
和战斗机等。
四、各国对纳米技术的积极应对
因此, 发达国家的政府和企业纷纷投入大量人
力, 物力和财力进行纳米科技的研究和产业化 。
目前，美国已在纳米结构组装体系、高比表面
纳米颗粒制备与合成，以及纳米生物学方面处于领
先地位，在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶
瓷和其他结构材料方面略逊于欧共体。
日本在纳米器件和复合纳米结构方面有优势，
在分子电子学技术领域也有很强的实力，紧随德国
之后。德国在纳米材料、纳米测量技术、超薄膜的
研发领域具有很强的优势。
美国于 2000年 2月宣布启动, 国
家纳米科技计划 (NNI)”,在 2001年财
政年度拨款 4.95亿美元以加强研究实
力 。 政府认为纳米技术就像 20世纪 50
年代的晶体管一样, 其科研和工业化
的应用将进一步促进美国经济的发展；
为美国培养新世纪的技术人才；增强
美国国际科技竞争力的需要；节约资
源能源, 保证美国未来的可持续发展；
纳米技术是开发未来微型武器的技术
基础, 是国防工业的未来 。
德国拟建立或改组六个政府与企
业联合的研发中心，并启动国家级的
研究计划。
法国最近决定投资 8亿法郎建立一
个占地 8公顷、建筑面积为 6万平方米、
拥有 3500人的微米／纳米技术发明中
心，配备最先进的仪器设备和超净室，
并成立微米纳米技术之家，专门负责
申请专利和帮助研究人员建立创新企
业。
日本除继续推动早已开始的纳米科
技计划外，每年投资 2亿美元推动新的
国家计划和新的研究中心建设。
五、纳米的奇异特性
① 表面效应
球形颗粒的表面积与直径的平
方成正比，其体积与直径的立方成
正比，故其比表面积（表面积／体
积）与直径成反比。随着颗粒直径
变小，比表面积将会显著增大，说
明表面原子所占的百分数将会显著
地增加，假如原子间距为 3X10-4微
米，表面原子仅占一层，粗略地估
算表面原子所占的百分数见下表。
超微颗粒表面原子百分数与颗粒直径的关系
直径（ ′10 -4微米） 10 50 100
1000
质子总数 30 4′ 103 3′ 104 3′
106
表面质子百分数 100 40 20 2
由上表可见，对直径大于 0.1微米的颗粒表面
效应可忽略不计，当尺寸小于 0.1微米时，其表面
原子百分数激剧增长，甚至 1克超微颗粒表面积的
总和可高达 100米 2，这时的表面效应将不容忽略。
超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，
若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为
2′10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些
颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形
成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体
多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液
体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射
下，表面原子仿佛进入了 "沸腾 "状态，尺寸大于
10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这
时微颗粒具有稳定的结构状态。
② 小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在
一定条件下会引起颗粒性质的
质变。由于颗粒尺寸变小所引
起的宏观物理性质的变化称为
小尺寸效应。对超微颗粒而言，
尺寸变小，同时其比表面积亦
显著增加，从而产生如下一系
列新奇的性质。
（ 1） 特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸
时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。
事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈
现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色
的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很
低，通常可低于 l％，大约几微米的厚度
就能完全消光。利用这个特性可以作为高
效率的光热、光电等转换材料，可以高效
率地将太阳能转变为热能、电能。此外又
有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技
术等。
（ 2） 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，
超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于 10纳
米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为 1064C，当
颗粒尺寸减小到 10纳米尺寸时，则降低 27℃, 2纳米尺
寸时的熔点仅为 327C左右；银的常规熔点为 670C，而
超微银颗粒的熔点可低于 100℃ 。因此，超细银粉制成
的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采
用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆
料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。
日本川崎制铁公司采用 0,1～ 1微米的铜、镍超微颗粒
制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下
降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在
钨颗粒中附加 0.1％～ 0.5％重量比的超微镍颗粒后，可
使烧结温度从 3000℃ 降低到 1200～ 1300℃,以致可在较
低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。
（ 3） 特殊的磁学性质
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的
趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在
地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗
粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠
它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在
趋磁细菌体内通常含有直径约为 2′10-2微米的磁性氧化物
颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大
块的纯铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到
2′10-2微米以下时，其矫顽力可增加 1千倍，若进一步减小
其尺寸，大约小于 6′10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，
呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，
已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、
磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微
颗粒制成用途广泛的磁性液体。
（ 4）特殊的力学性质
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳
米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的
韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子
排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很
容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展
性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者
报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而
不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的
强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。
呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬 3～ 5
倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大
的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分
宽广。
③ 宏观量子隧道效应
各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原
子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用
能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构
成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于
电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可
以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了
大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，
对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而
言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；
能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、
电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就
会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，
称之为量子尺寸效应。因此，对超微颗粒在低温
条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再
成立。
电子具有粒子性又具有波动性，因此存在
隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，
如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通
量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧
道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将
会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它
确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，
当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述
的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，
当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧
道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经
典电路的极限尺寸大概在 0.25微米。目前研制的
量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的
新一代器件。
六、纳米材料应用热点评述
纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是
其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。
如超细薄膜的厚度通常只有 1纳米 ―5 纳米，甚
至会做成 1个分子或 1个原子的厚度。超细薄膜
可以是有机物也可以是无机物，具有广泛的用
途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制
造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意
义；将几层薄膜沉淀在不同材料上，可形成具
有特殊磁特性的多层薄膜，是制造高密度磁盘
的基本材料。碳纳米管是由碳 60分子经加工形
成的一种直径只有几纳米的微型管，是纳米材
料研究的重点之一。
与其它材料相比，碳纳米管具有特
殊的机械、电子和化学性能，可制成具
有导体、半导体或绝缘体特性的高强度
纤维，在传感器、锂离子电池、场发射
显示、增强复合材料等领域有广泛应用
前景，因而受到工业界的普遍重视。目
前，碳纳米管虽仍处于研究阶段，但许
多研究成果已显示出良好的应用前景。
陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎
的特点，但由纳米超微颗粒压制成的纳
米陶瓷材料却具有良好的韧性，有的可
大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的
柔韧性和可加工性。
七、几种典型的纳米材料
在长期的晶体材料研究中, 人们视具有完
整空间点阵结构的实体为晶体, 是晶体材料的
主体；而把空间点阵中的空位, 替位原子, 间
隙原子, 相界, 位错和晶界看作晶体材料中的
缺陷 。
如果从逆方向思考问题, 把, 缺陷, 作为
主体, 研制出一种晶界占有相当大体积比的材
料, 那么世界将会是怎样? 格兰特教授经过 4
年的不懈努力, 他领导的研究组终于在 1984年
研制成功了黑色金属粉末 。 实验表明, 任何金
属颗粒, 当其尺寸在纳米量级时都呈黑色 。 纳
米固体材料 (nanometer sized materials)就这样诞
生了 。
效应颜料 这是纳米材料最重要最有
前途的用途之一，特别是在汽车的涂装业中，
因为纳米材料具有随角变统汽车面漆大增光
辉，深受配受专家的喜爱。
防护材料 由于某些纳米材料透明
性好和具有优异的紫外线屏蔽作用。在产品
和材料中添加少量 (一般不超过含量的 2%)的
纳米材料，就会大大减弱紫外线对这些产品
和材料的损伤作用，使之更加具有耐久性和
透明性。因而被广泛用于护肤产品、所装材
料、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维
以及农用塑料薄膜等方面。
精细陶瓷材料 使用纳米材料可以在低
温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷。因
为这些纳米粒子非常小，很容易压实在一起。此
外，这些粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透
明涂料，喷涂在诸如玻璃、塑料、金属、漆器甚
至磨光的大理石上，具有防污、防尘、耐刮、耐
磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既
轻又耐磨，还不易破碎。 催化剂 纳米粒子表面
积大、表面活性中心多，为做催化剂提供了必要
的条件。目前用纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和
氧化铁等直接用于高分子聚合物氧化、还原及合
成反应的催化剂，可大大提高反应效率。利用纳
米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率
可提高 100倍，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化
反应表明，镍粒径在 5nm以下，反应选择性发生
急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精
的转化率急剧增大。
磁性材料 纳米粒子属单磁畴
区结构的粒子，它的磁化过程完全由
旋转磁化进行，即使不磁化也是永久
性磁体，因此用它可作永久性磁性材
料。磁性纳料粒具有单磁畴结构及矫
顽力很高的特征，用它来做磁记录材
料可以提高信噪比，改善图象质量。
当磁性材料的粒径小于临界半径时，
粒子就变得有顺磁性，称之为超顺磁
性，这时磁相互作用弱。利用这种超
强磁性可作磁流体，磁流体具有液体
的流动性和磁体的磁性，它在工业废
液处理方面有着广阔的应用前景。
传感材料 纳米粒子具有高比
表面积、高活性、特殊的物理性质
及超微小性等特征，是适合用作传
感器材料的最有前途的材料。外界
环境的改变会迅速引起纳料粒子表
面或界面离子价态和电子运输的变
化，利用其电阻的显著变化可做成
传感器，其特点是响应速度快、灵
敏度高、选择性优良。
光电材料与光学材料 纳米
材料由于其特殊的电子结构与光学
性能作为非线性光学材料、特异吸
光材料、军事航空中用的吸波隐身
材料，以及包括太阳能电池在内的
储能及能量转换材料等具有很高的
应用价值。
增强材料 纳米结构的合金
具有很高的延展性等，在航空航天
工业与汽车工业中是一类很有应用
前景的材料；纳米硅作为水泥的添
加剂可大大提高其强度；纳米纤维
作硫化橡胶的添加剂可增强橡胶并
提高其回弹性，纳米管在作纤维增
强材料方面也有潜在的应用前景。
纳米滤膜 采用纳米材料发展出分离仅在分
子结构上有微小差别的多组分混合物，实现高能分
离操全的纳米滤膜。其它还有将纳米材料用作火箭
燃料推进剂,H2分离膜、颜料稳定剂及智能涂料、
复合磁性材料等。纳料材料由于具有特异的光、电、
磁、热、声、力、化学和生物学性能，广泛应用于
宇航、国防工业、磁记录设备、计算机工程、环境
保护、化工、医药、生物工程和核工业等领域。不
仅在高科技领域有不可替代的作用，也为传统产业
带来生机和活力。可以预言，纳米材料制备技术的
不断开发及应用范围的拓展，必将对传统的化学工
业和其它产业重大影响。
超双亲性界面物性材料 (同时具有超
亲水性及超亲油性的表面 )
研究表明，光的照射可引起 TiO2表面在纳米区
域形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界
面结构。这样在宏观的 TiO 2表面将表现出奇妙的
超双亲性。利用这种原理制作的新材料，可修饰玻
璃表面及建筑材料表面，使之具有自清洁及防雾等
效果。这种双亲二元协同原理，同样可以用来指导
我们进一步设计和创成在其他基材上使用的超双亲
性修饰剂。例如，在纤维及衣物上使用修饰剂，将
使它们具有超双亲性。可以设想洗涤衣物可以仅用
清水冲洗，不再使用传统的洗洁剂；同样也可以应
用到人造血管和人造人体的形成，并且改善同活体
组织的兼容性，来实现长时间的使用寿命。
超双疏性界面物性材料
利用由下到上、由原子到分子、由分子到
聚集体的外延生长纳米化学方法，可以在特定
的表面上建造纳米尺寸同何形状互补的 (如凸与
凹相间 )界面结构。由于在纳米尺寸低凹的表面
可使吸附气体分子稳定存存，所以在宏观表面
上相当于有一层稳定的气体薄膜，使油或水无
法与材料的表面直接接触，从而使材料的表面
呈现超常的双疏性。这时水滴或油滴与界面的
接触角趋于最大值。如果在输油管的管道内壁
采用带有防静电功能的材料建造这种表面修饰
涂层，则可实施石油与管壁的无接触运输。这
对于输油管道的安全运行有重要价值。
纳米尺度光阳极、光阴极两相共
存的高效光催化界面材料
借助光化学和光电化学的研究思想，
利用纳米化学方法，计划研制多种具有光
化学活性的纳米杂化的界面材料。例如，
在 TiO2表面的纳米区域内可以构建光阳极
与光阴极共存的二元协同界面结构，在紫
外光的照射下具有高效的光催化效果。可
以用来分解有毒气体 (如：甲，苯，氧化
氮等 )，杀死其表面接触的细菌。该材料
将在空气净化和杀菌抑菌方面有重要的应
用。
八、在化工领域的应用
纳米二氧化钛（ TiO2）作为一种新型光
催化剂、抗紫外线剂、光电效应剂等，以
其神奇的功能，将在抗菌防霉、排气净化、
脱臭、水处理、防污、耐候抗老化、汽车
面漆等领域显示广阔的应用前景。随着其
产品工业化生产和功能性应用发展的日趋
成熟，它在环境、信息、材料、能源、医
疗与卫生等领域的技术革命中将起到不可
低估的作用。
将纳米 TiO2粉体按一定比例加入到化
妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。
纳米 TiO2抗菌防霉机理由于 TiO2电
子结构所具有的特点，使其受光时生成化
学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和
氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机
污染物的作用。当遇到细菌时，直接攻击
细菌的细胞，致使细菌细胞内的有机物降
解，以此杀灭细菌，并使之分解。一般常
用的杀菌剂银、铜等能使细菌细胞失去活
性，但细菌杀死后，尸体释放出内毒素等
有害的组分。纳米 TiO2不仅能影响细菌繁
殖力，而且能破坏细菌的细胞膜结构，达
到彻底降解细菌，防止内毒素引起的二次
污染。纳米 TiO2属于非溶出型材料，在降
解有机污染物和杀灭细菌的同时，自身不
分解、不溶出，光催化作用持久，并具有
持久的杀菌、降解污染物效果。
将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可
以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体
状的轻烧结体，可用于气体同位素。混合稀有气体
及有机化合物等的分离和浓缩，纳米微粒还可用作
导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等纳米
TiO2应用领域在人们的居住环境中存在着各种有害
细菌，对人类生活产生不良影响。居室内各种建筑
装饰材料，如人造板、木质复合地板、层压木质板
家具和胶粘剂等会挥发出甲醛、苯、卤代烃、芳香
烃等有毒污染物，危害人体健康。如果在建筑内墙
涂料、地面覆盖材料、墙面装饰材料、家具面漆等
材料中添入纳米 TiO2，既可杀菌防霉，又可降解有
机污染物，使人们生活在卫生健康的环境中。
此外，添加约 1％纳米 TiO2的抗
菌塑料，可广泛应用于食品包装、
电器、家具、餐具、公共设施等，
以防止病菌的繁殖和交叉感染。抗
菌纤维可制作医疗用品等，还可生
产抑菌除臭的保健纺织品、卫生纺
织品等，以提供安全有效的保健功
能。
TiO2光催化技术工艺简单、成本低廉，利用自然光、
常温常压即可催化分解病菌和污染物，具有高活性、无
二次污染、无刺激性、安全无毒、化学稳定性和热稳定
性好等特点，是最具开发前景的绿色环保催化剂之一。
采用纳米 TiO2光催化剂处理有机废水，能有效地将水
中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳烃、多环芳烃、酚
类、染料、农药等进行除毒、脱色、矿化，最终降解为
二氧化碳和水，目前这方面的研究已取得进展，光催化
降解污水将成为有效的处理手段。利用金红石型纳米
TiO2的紫外线屏蔽优异性和高耐候性，以及光催化效
应来降解氮氧化物（ NOx）、硫氧化物（ SOx）等，还
可以有效地治理工业废气、汽车尾气排放所造成的大气
污染，其原理是将有机或无机污染物进行氧化还原反应，
生成水、二氧化碳、盐等，从而净化空气。研究结果显
示，纳米 TiO2光催化空气净化涂料、陶瓷等材料在消
除氮氧化物等方面的应用具有良好的前景。
此外，纳米 TiO2在磁性材料、
浅色导电材料、气体传感器、湿度
传感器等领域已得到很好的应用。
随着应用研究的深入，它的应用领
域必将越来越广泛。 目前，国内
纳米 TiO2的生产和应用尚处于初级
发展阶段。笔者认为，这一领域的
研究应从扎实的基础理论研究开始，
提倡多学科联合，向纵深高层次发
展，使之具有更广阔的应用领域。
纳米技术引领 21世纪畜牧业革命
饲料 饲料制造采用纳米添加剂, 可以提高畜禽肠
胃吸收能力, 吸收速度和吸收率 。 如果料肉比正常情
况下是 3比 1,通过采用纳米技术, 料肉比可达到 2比 1
的话, 你可以算算多增效益是多少呢 ！ 在纳米时代是
可以做到的 。
微量元素添加剂 第一代是无机，第二代是有
机，第三代是氨基酸螯合物，第四代微量元素会是纳
米微量元素吗？无机微量元素的利用率较低，在 30％
左右，纳米微量元素的利用率可以达到多少呢？结果
是肯定的，纳米微量元素可以不通过离子交换，直接
渗透，从而大大提高了吸收的速度和利用率。
兽药 兽药采用纳米技术后，药效能够大幅度提高，
从而可以降低使用剂量，可以在不换药的前提下解决药
物残留问题。由于纳米技术的出现，已禁用的抗生素是
否可回来效劳呢？目前，医药与兽药中有使用上的交叉
耐药性矛盾。畜禽使用了医药产品之后，产生耐药性和
残留，导致人体对药物的敏感性降低，这些问题是否可
以通过纳米技术来改变呢？医药上已经在应用纳米材料
了，如消毒剂药物药效提高 200倍。医药产品采用纳米
技术后，药效大幅度提高。在美军犹他州的基地，美国
科学家带来了一些只有分子那么大 "纳米炸弹 "，是专门
用来消灭人体中的 "敌人 "，包括一些致命的生物武器的。
只要在水中加入适量 "炸弹 "，就可以杀死导致流行性感
冒和疱疹的臭虫。在展示过程中，这些微粒的成功率达
到 100％。科学家还介绍，这些微粒在民用方面同样高
效。
把纳米材料添加到传统畜牧
业产品中, 可改进或获得一系列
的功能, 这种改进并不见得昂贵,
但却使产品更具市场竞争力 。 利
用纳米技术将制造出各种各样具
有 "特异功能 "的新材料, 将会引起
畜 牧 行 业 的 重 大 变 革 。
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。如现
有的硅和砷化镓器件的响应速度最高只能
达到 10～ 12秒，功耗最低只能降至 1微瓦。
而量子器件在响应速度和功耗方面可以比
这个数据优化 1000～ 10000倍。由于器件
尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时
还具有器件结构简单、可靠性强、成本低
等诸多优点。因此，纳米电子学的发展，
可能会在电子学领域中引起一次新的电子
技术革命，从而把电子工业技术推向更高
的发展阶段。
迄今为止，作为电子器件只利用了电
子波粒二象性的粒子性，其次，各种传统
电子元器件都是通过控制电子数量来实现
信号处理的。随着集成度的提高，功耗、
速度成为严重的问题。现有的硅和砷化镓
器件无论怎样改进，其响应速度最高只能
达到１０－１２秒，功耗最低只能降低到
１ μＷ。
利用电子的量子效应原理制作
的器件称为量子器件或纳米器件也
叫单电子晶体管。在量子器件中，
只要控制一个电子的行为即可完成
特定的功能，即量子器件不单纯通
过控制电子数目的多少，主要是通
过控制电子波动的相位来实现某种
功能的。因此，量子器件具有更高
的响应速度和更低的功耗，从根本
上解决日益严重的功耗问题。
由于器件尺度为纳米级，集成度
大幅度提高，同时还具有器件结构
简单、可靠性高、成本低等诸多优
点，因此，有理由相信纳米电子学
的发展，必将在电子学领域中引起
一次新的电子技术革命，从而把电
子工业技术推向一个更高的发展阶
段。
纳米生物技术
纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物，
它即可以用于生物医学,如用纳米技术制造的微型机
器人，可让它安全地进入人体内对健康状况进行检测，
必要时还可用它直接进行治疗；用纳米技术制造的, 芯
片实验室, 可对血液和病毒进行检测，几分钟即可获得
检测结果；科学家还可以用纳米材料开发出一种新型药
物输送系统，这种输送系统是由一种内含药物的纳米球
组成的，这种纳米球外面有一种保护性涂层，可在血液
中循环而不会受到人体免疫系统的攻击，如果使其具备
识别癌细胞的能力，它就可直接将药物送到癌变部位，
而不会对健康组织造成损害。也可以服务于其它社会需
求。所包含的内容非常丰富，并以极快的速度增加和发
展，难以概述。在此仅举一些研究结果为例。
(1) 生物芯片技术
生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类
芯片。半导体电子芯片是集成具有特定电子学功
能的微单元，所形成的电子集成电路；而生物芯
片则是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或
集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，
即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分
子和 DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获
得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分
为细胞芯片、蛋白质芯片 (生物分子芯片 )和基因芯
片 (即 DNA芯片 )等几类，都有集成、并行和快速
检测的优点，已成为二十一世纪生物医学工程的
前沿科技。
近两年，已经通过微制作 (MEMS)技术，制成了微
米量级的机械手，能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞，
进行细胞结构，功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学
的 Whitesides教授领导的研究人员，发展了微电子工业普
遍使用的光刻技术在生物学领域的应用，并研制出效果
更好的软光刻方法 (soft lithography)。以此，制出了可以
捕捉和固定单个细胞的生物芯片，通过调节细胞间距等，
研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞
分类和纯化等。它的功能原理非常简单，仅利用芯片表
面微单元的几何尺寸和表面改性，即可达到选择和固定
细胞，及细胞面密度控制。
蛋白质芯片的发展已经经历了约十年的时间，现
已出现了相对成熟的技术，如瑞典的 BIACORE的单元
芯片，中科院力学所的多元蛋白质光学芯片和美国的
SELDI质谱芯片等。它们的共同特点都是将生物分子作
为配基，固定在固体芯片表面或表面微单元上，以单一、
或面阵、或序列式。利用生物分子间的特异结合的自然
属性，待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子
复合物。然后，检测此复合物的存在与否，达到对蛋白
质的探测、识别和纯化的目的。以上不同技术的差异仅
在探测方法的不同。 BIACORE技术利用表面等离子体
共振技术检测芯片，进行单一蛋白质检测；多元蛋白质
光学芯片是光学成象法，可以同时检测多种混合的蛋白
质； SELDI技术则采用质谱法，以时间顺序检测序列蛋
白质。
随着人类基因工程的发展，基因芯片 (即
DNA芯片 )得到迅速的发展。 DNA 芯片又称
为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据
DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交
的技术。 DNA芯片技术可以快速分析大量的
基因信息，从而使生物医学工作者可以研究
并收集基因表达和变异信息。可以用于人类
基因组中遗传信息的分析。具特殊用途的
DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选
已知的 DNA序列。
DNA芯片还可用于监测不同的
人体细胞和组织基因表达，以检测
癌症或其它疾病所对应的基因的变
化。随着 DNA芯片及杂交技术的发
展,DNA芯片将有可能直接应用于
临床诊断，药物开发和人类遗传诊
断。
（ 2）分子马达
分子马达是由生物大分子构成，
利用化学能进行机械做功的纳米系
统。天然的分子马达，如：驱动蛋
白,RNA聚合酶、肌球蛋白等，在
生物体内参与了胞质运输,DNA复
制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列
重要生命活动。以微管蛋白为轨道，
沿微管的负极向正极运动，并由此
完成各种细胞内外传质功能。
美国康纳尔大学的科学家利用 ATP酶
作为分子马达，研制出了一种可以进入人
体细胞的纳米机电设备 --"纳米直升机 "。
该设备共包括三个组件，两个金属推进器
和一个附属于与金属推进器相连的金属杆
的生物分子组件。其中的生物分子组件将
人体的生物 "燃料 "ATP转化为机械能量，
使得金属推进器的运转速率达到每秒 8圈。
这种技术仍处于研制初期，它的控制和如
何应用仍是未知数。将来有可能完成在人
体细胞内发放药物等医疗任务
（ 3） 硅虫晶体管
美国和北爱尔兰的研究者偶然发现了一种活的
半导体 (half bacterium,half microchip)，它能够嗅出生
物战所用的毒气。这一发现竟来自科学家为消除计算
机芯片生产线上的某些特殊细菌的屡屡失败。为消除
这些微生物，研究者试用了从紫外线到强氧化剂，但
是，细菌仍可幸存。亚利桑纳大学的物理学家
O'Hanlon 和 Baier认为外面包上硬壳的细菌可以用于
制造生物晶体管。这种细菌半导体晶体恰好可以用作
生物晶体管的门极。当在呼吸和光合作用等产生电子
转移的生物过程中，光照或者器官的水汽能诱导细菌
产生电子，犹如打开了这个生物晶体管。这种精巧的
灵敏装置能够探测到生物战毒气。
（ 4） 纳米探针
一种探测单个活细胞的纳米传感器, 探头尺
寸仅为纳米量级, 当它插入活细胞时, 可探知会
导致肿瘤的早期 DNA损伤 。
纳米探针是一支直径 50纳米，外面包银的
光纤，并传导一束氦 -镉激光。它的尖部贴有可
识别和结合 BPT的单克隆抗体。 325纳米波长的
激光将激发抗体和 BPT所形成的分子复合物产生
荧光。此荧光进入探针光纤后，由光探测器接收。
可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细
胞的蛋白质和其它所感兴趣的生物化学物质。
纳米生物学
纳米生物学主要包含两个方面：
一, 利用新兴的纳米技术来解决研究和生物学
问题；
二, 利用生物大分子制造分子器件, 模仿和制
造类似生物大分子的分子机器 。
纳米科技的最终目的是制造分子机器, 而分子
机器的启发来源于生物体系中存在的大量的生物大
分子, 它们被费曼等人看作是自然界的分子机器 。
从这个意义上说, 纳米生物学应该是纳米科技中的
一个核心领域 。
利用 DNA和某些特殊的蛋白质的特殊
性质，有可能制造出分子器件。目前
研究的热点在分子马达、硅－神经细
胞体系和 DNA相关的纳米体系与器件。
利用纳米技术，人们已经可以操纵单
个的生物大分子。操纵生物大分子，
被认为是有可能引发第二次生物学革
命的重要技术之一 。
纳米医学
我们知道人体是由多种器官组成的，如：大脑、
心脏，肝，脾，胃，肠，肺，骨骼，肌肉和皮肤；
器官又是由各种细胞组成的，细胞是器官的组织单
元，细胞的组合作用才显示出器官的功能。那么细
胞又是由什么组成的呢？按现在的认识，细胞的主
要成份是各种各样的蛋白质、核酸、脂类和其它生
物分子，可以统称生物分子，它的种类在数十万种。
生物分子是构成人体的基本成分，它们各自具有独
特的生物活性的，正是它们不同的生物活性决定了
它们在人体内的分工和作用。由于人体是由分子构
成的。当人体的分子机器，如合成蛋白质的核糖体，
DNA复制所需的酶等，出现故障或工作失常时，就
会导致细胞死亡或异常。
从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无
法达到分子修复的水平。而纳米医学则是在分子水
平上，利用分子工具和人体的分子知识，所从事的
诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健和
改善健康状况等科学技术，广义地讲都属于纳米医
学的范畴。换句话讲，人们将从分子水平上认识自
己，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，
改善人类的整个生命系统。首先需要认识生命的分
子基础，然后从科学认识发展到工程技术，设计制
造大量的具有令人难以置信的奇特功效的纳米装置，
这些微小的纳米装置的几何尺度仅有头发丝的千分
之一左右，是由一个个分子装配起来的，能够发挥
类似于组织和器官的功能，并且更准确和更有效地
发挥作用。他们可以在人体的各处畅游，甚至出入
细胞，在人体的微观世界里完成特殊使命。
例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的
癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒，并在
它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或
生物化学成分的变化，适时地释放药物和人
体所需的微量物质，及时改善人的健康状况。
最终实现纳米医学，使人类拥有持续的健康。
未来的纳米医学将是强大的，它又会是令人
惊讶得小，因为在其中所发挥作用的药物和
医疗装置都是肉眼所无法看到的。但是它的
功能会令世人惊叹。
(1) 智能药物
这是纳米医学中的一个非常活跃的领域, 适时准确
地释放药物是它的基本功能之一 。 科学家正在为糖尿病
人研制超小型的, 模仿健康人体内的葡萄糖检测系统 。
它能够被植入皮下, 监测血糖水平, 在必要的时候释放
出胰岛素, 使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正
常状态 。 目前这个芯片的尺寸还相当于一个小硬币, 可
以把它做得更小, 并计划装上一个 "智能化 "的传感器,
使它可以适时和适量地释放药物 。 能否在形成致命的肿
瘤之前, 早期杀灭癌细胞？ 美国密西根大学的 James R.
Baker Jr.博士正在设计一种纳米 "智能炸弹 ",它可以识
别出癌细胞的化学特征 (chemical "signatures")。 这种 "智
能炸弹 "很小, 仅有 20纳米左右, 能够进入并摧毁单个
的癌细胞 。 此装置的研制刚刚开始, 而初步的人体实验
至少要五年以后才能进行 。
(2) 人工红血球
纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且
还有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧 6
至 10分钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。
设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是
天然红血球的 200倍以上。当人的心脏因意外，突然
停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球
注入人体，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个
机体的正常生理活动。血球是个一微米大小的金刚石
的氧气容器，内部有 1000个大气压，泵浦动力来自血
清葡萄糖。它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的
236倍，并维持生物炭活性。 它可以应用于贫血症的
局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的
额外耗氧等。
(3)纳米药物输运
纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。按
目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。
由于药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面
积将增加，所以药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小
而提高。药物的吸收又受其溶解率的限制，因此，缩小
药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法。 纳米
晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时提
高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。粉碎过程会使
粒子间的相互作用力增加，为了避免纳米颗粒在粉碎过
程中聚合，加工中，不溶的药物是被悬浮在含一般认为
安全的稳定剂和赋形剂的悬浮液中。深入研究的制粉技
术已经能够将药物缩小到 400纳米以下。 同时，这些赋形
剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药物
颗粒的溶解率。一旦，不溶性药物转变成稳定的纳米颗
粒，就适合于口服或者注射了。
纳米医学将给医学界，诸如癌症、糖尿病和
老年性痴呆等疾病的治疗带来变革，已经获得越
来越多的认同。利用纳米技术能够把新型基因材
料输送到已经存在的 DNA里，而不会引起任何免
疫反应。树形聚合物 (dendrimers) 就是提供此类
输送的良好候选材料。因为，它是非生物材料，
不会诱发病人的免疫反应，没有形成排异反应的
危险；所以，可以作为药物的纳米载体，携带药
物分子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排
斥的条件下，发挥治病的效果。这种技术用于糖
尿病和癌症治疗是很有希望的。
(4) 捕获病毒的纳米陷阱
密西根大学的 Donald Tomalia等已经用树
形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。
体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染
细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于
捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳
米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病
毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧
失致病的能力。
通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸
成分的 "锁 "，只准许持 "钥匙 "者进入。不幸的
是，病毒竟然有硅铝酸受体 "钥匙 "。 Tomalia的
方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在
陷阱细胞 (glycodendrimers)表面。当病毒结合
到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。
陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔
可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，
直接送到肿瘤上。陷阱细胞能够繁殖，生成不
同的后代，个子较大的后代可能携带更多的药
物。尽管原因尚不明确，所观察的特点是越大
效果越好。研究者希望发展针对各种致病病毒
的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。
(5)识别血液异常的生物芯片
美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好
者的预言。正像所预想的那样，纳米技术可以在血
流中进行巡航探测，即时地发现诸如病毒和细菌类
型的外来入侵者，并予以歼灭，从而消除传染性疾
病。 Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实
验室的功能，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞
血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个
发射激光的腔体表面,从而改变激光的形成。癌细
胞会产生一种明亮的闪光；而健康细胞只发射一种
标准波长的光，以此鉴别癌变。
我国纳米科技主要成果
我国的研究力量主要集中在纳
米材料的合成和制备，扫描探针显
微学，分子电子学以及极少数纳米
技术的应用等方面。我国科学家在
纳米碳管、纳米材料的若干领域已
取得一些很出色的研究成果，但在
纳米器件方面差距明显。
1993年，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，标志着我国处于国际纳米科技前沿。
1998年，清华大学成功地制备出直径为
3―50 纳米，长度达微米量级的氮化镓半
导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把
氮化镓制备成一维纳米晶体。
1998年，我国科学家用非水热合成法，
制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为
,稻草变黄金 ―― 从四氯化碳制成金刚
石。,
近年，中国科学院物理研究所，不仅
合成了世界上最长的, 超级纤维, 碳纳
米管，创造了一项, 3毫米的世界之最,,
而且合成出世界上最细的碳纳米管。
1999年上半年，北京大学纳米技术研究
取得重大突破，在世界上首次将单壁碳纳米
管组装竖立在金属表面，并组装在世界上最
细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。
1999年，中科院金属研究所成会明博士
合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储
氢材料研究一举跃上世界先进水平。
1999年，上海交通大学微纳米科学技术
研究院的科研人员，研制成功了当时世界上
体积最小、重量最轻的微型直升机，这架双
螺旋浆微型直升机，机身长仅 18毫米，机身
高 5毫米，机重 100毫克。
近年来，根据国际发展趋势，科学家还
建立和发展了多种制备纳米结构组装体系
的方法，成功地制备出多种准维纳米材料
和纳米组装体系。
不久前，我国科学家研制出迄今世界
上信息存储密度最高的有机材料，从而在
超高密度信息存储研究上再创世界之最。
最近中国科学院化学所利用插层复合
技术将天然粘土矿物均匀分散到聚合物中，
制出一系列, 令人惊奇, 的纳米塑料，使
纳米产业化在我国成为可能。
21世纪的科技新星
一、纳米的基本知识
1,纳米的概念
纳米, 是英文 nanometer的译名,
是一种度量单位, 1纳米为百万分之一
毫米, 即 1毫微米, 也就是十亿分之一
米, 约相当于 45个原子串起来那么长 。
纳米结构通常是指尺寸在 100纳米以下
的微小结构 。
纳米研究的范围是 1到 100纳米，
0,1纳米是单个氢原子的尺寸，因此
所谓 0,1纳米层面的, 纳米技术, 是
不存在的。
2,纳米科技概念的提出与发展
最早提出纳米尺度上科学和技术问
题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者
理查德 ·费恩曼。纳米科技的迅速发展是
在 80年代末,90年代初。 80年代初发明
了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要
仪器 ——扫描隧道显微镜 (STM)、原子
力显微镜 (AFM)等微观表征和操纵技术，
它们对纳米科技的发展起到了积极的促
进作用。与此同时，纳米尺度上的多学
科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成
为一个有广泛学科内容和潜在应用前景
的研究领域。
二、纳米科技的研究领域
1．纳米材料
纳米材料是纳米科技发展的重要基础。纳米材
料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有
特殊性能的材料。其主要类型为：纳米颗粒与粉体、
纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材。
纳米材料结构的特殊性 [如大的比表面以及一系列新
的效应 (小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧
道效应 )]决定了纳米材料出现许多不同于传统材料的
独特性能，进一步优化了材料的电学、热学及光学
性能。对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系
统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通
过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建
立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是发
展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术问
题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、
分散化、稳定化 。
2,纳米器件
纳米科技的最终目的是以
原子、分子为起点，去制造具
有特殊功能的产品。因此，纳
米器件的研制和应用水平是进
入纳米时代的重要标志。如前
所述，纳米技术发展的一个主
要推动力来自于信息产业。
纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构
进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而
使得功能密度和数据通过量达到新的水平。在纳
米尺度下，现有的电子器件把电子视为粒子的前
提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新
的效应，如量子效应。利用量子效应而工作的电
子器件称为量子器件，像共振隧道二级管、量子
阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比，
量子器件具有高速 (速度可提高 1000倍 )、低耗
(能耗降低 1000倍 )、高效、高集成度、经济可靠
等优点。为制造具有特定功能的纳米产品，其技
术路线可分为, 自上而下, (top down)和, 自下
而上, (bottom up)两种方式。
“自上而下, 是指通过微加工或固态技
术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品
微型化；而, 自下而上，是指以原子、分
子为基本单元，根据人们的意愿进行设计
和组装,·从而构筑成具有特定功能的产
品。这种技术路线将减少对原材料的需求，
降低环境污染。 科学家希望通过纳米生
物学的研究，进一步掌握在纳米尺度上应
用生物学原理制造生物分子器件，目前，
在纳米化工、生物传感器、生物分子计算
机、纳米分子马达等方面，科学家都做了
重要的尝试。
3．纳米结构的检测与表征
为在纳米尺度上研究材料和器件的结
构及性能，发现新现象，发展新方法，创
造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表
征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各
种纳米结构的电、力、磁、光学特性，纳
米空间的化学反应过程，物理传输过程，
以及研究原子、分子的排列、组装与奇异
物性的关系。
扫描探针显微镜 (SPM)的出现，标志着
人类在对微观尺度的探索方面进入到一个
全新的领域。作为纳米科技重要研究手段
的 SPM也被形象地称为纳米科技的, 眼, 和
,手, 。
所谓, 眼睛,,即可利用 SPM直
接观察原子、分子以及纳米粒子的相
互作用与特性。
所谓, 手,,是指 SPM可用于移
动原子、构造纳米结构，同时为科学
家提供在纳米尺度下研究新现象、提
出新理论的微小实验室。
同时，与纳米材料和结构制备过
程相结合，以及与纳米器件性能检测
相结合的多种新型纳米检测技术的研
究和开发也受到广泛重视。如激光镊
子技术可用于操纵单个生物大分子。
三、纳米科技前景的展望
纳米技术在现代科技和工
业领域有着广泛的应用前景。
比如，在信息技术领域，据估
计，再有 10年左右的时间，现
在普遍使用的数据处理和存储
技术将达到最终极限。为获得
更强大的信息处理能力，人们
正在开发 DNA计算机和量子计算
机，而制造这两种计算机都需
要有控制单个分子和原子的技
术能力。
传感器是纳米技术应用的一个重要领
域。随着纳米技术的进步，造价更低、功
能更强的微型传感器将广泛应用在社会生
活的各个方面。比如，将微型传感器装在
包装箱内，可通过全球定位系统，可对贵
重物品的运输过程实施跟踪监督；将微型
传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮
胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更
换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型
传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的
工作性能进行监视。在食品工业领域，这
种微型传感器可用来监测食物是否变质，
比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状
况等。
1．材料和制备
在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和
成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可
设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用
的特点；以新原理和新结构在纳米层次上构
筑特定性质的材料或自然界不存在的材料、
生物材料和仿生材料。实现材料破坏过程中
纳米级损伤的诊断和修复。 在陶瓷领域的
应用 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随
之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，
使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。
许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧
结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将
具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工
等优点。
用纳米材料制成的
纳米材料多功能塑料，
具有抗菌、除味、防腐、
抗老化、抗紫外线等作
用，可用作电冰箱、空
调外壳里的抗菌除味塑
料。
2．微电子和计算机技术
可以从阅读硬盘上读卡机以
及存储容量为目前芯片上千倍的
纳米材料级存储器芯片都已投入
生产。计算机在普遍采用纳米材
料后，可以缩小成为, 掌上电
脑, 。 纳米结构的微处理器的效
率提高 1兆倍，并实现太比特的存
储器 (提高 1000倍 )；
纳米技术的发展，使微电子和光
电子的结合更加紧密，在光电信息传
输、存贮、处理、运算和显示等方面，
使光电器件的性能大大提高，将纳米
技术用于现有雷达信息处理上，可使
其能力提高 10倍至几百倍，甚至可以
将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星
上进行高精度的对地侦察。最近，麻
省理工学院的研究人员把被激发的钡
原子一个一个地送入激光器中，每个
原子发射一个有用的光子，其效率之
高，令人惊讶。
3．环境和能源
环境科学领域将出现功能独
特的纳米膜。这种膜能够探测到
由化学和生物制剂造成的污染，
并能够对这些制剂进行过滤，从
而消除污染。 制备孔径 lnm的
纳孔材料作为催化剂的载体，纳
米孔材料和纳米膜材料 (孔径
l0~l00nm)用来消除水和空气中的
污染；成倍的提高太阳能电池的
能量转换效率。
4．医学与健康
纳米技术将给医学带来变革：纳
米级粒子将使药物在人体内的传输更
为方便，用数层纳米粒子包裹的智能
药物进入人体后，可主动搜索并攻击
癌细胞或修补损伤组织，科研人员已
经成功利用纳米微粒进行了细胞分离，
用金的纳米粒子进行定位病变治疗，
以减少副作用等。；在人工器官外面
涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反
应；研究耐用的与人体友好的人工组
织、器官复明和复聪器件；疾病早期
诊断的纳米传感器系统。
研究纳米技术在生命医
学上的应用，可以在纳米尺
度上了解生物大分子的精细
结构及其与功能的关系，获
取生命信息。科学家们设想
利用纳米技术制造出分子机
器人，在血液中循环，对身
体各部位进行检测。诊断，
并实施特殊治疗。
5．生物技术
虽然分子计算机目前只是处于理想
阶段，但科学家已经考虑应用几种生
物分子制造计算机的组件，其中细菌
视紫红质最具前景。该生物材料具有
特异的热、光、化学物理特性和很好
的稳定性，并且，其奇特的光学循环
特性可用于储存信息，从而起到代替
当今计算机信息处理和信息存储的作
用，它将使单位物质的储存和信息处
理能力提高上百万倍。
在纳米尺度上按照预定的对称性和
排列制备具有生物活性的蛋白质、核
糖核酸等，在纳米材料和器件中植入
生物材料使其兼具生物功能和其他功
能，生物仿生化学药品和生物可降解
材料；动植物的基因改善和治疗，测
定 DNA的基因芯片等。
6．航天和航空
纳米器件在航空航天领域的应用，
不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗
能指标成指数倍的降低。这方面的研究
内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高
性能计算机；微型航天器用纳米集成的
测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损
的纳米结构涂层材料。
采用纳米材料技术对机械关键零部
件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以
提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿
命
7．国家安全
由于纳米技术对经济社会的广泛渗透
性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这
些技术的国家，将在国家经济安全和国防
安全方面处于有利地位。通过先进的纳米
电子器件在信息控制方面的应用，将使军
队在预警、导弹拦截等领域快速反应；通
过纳米机械学，微小机器人的应用，将提
高部队的灵活性和增加战斗的有效性；用
纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系
统的性能将大幅度提高；通过纳米材料技
术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波
性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇
和战斗机等。
四、各国对纳米技术的积极应对
因此, 发达国家的政府和企业纷纷投入大量人
力, 物力和财力进行纳米科技的研究和产业化 。
目前，美国已在纳米结构组装体系、高比表面
纳米颗粒制备与合成，以及纳米生物学方面处于领
先地位，在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶
瓷和其他结构材料方面略逊于欧共体。
日本在纳米器件和复合纳米结构方面有优势，
在分子电子学技术领域也有很强的实力，紧随德国
之后。德国在纳米材料、纳米测量技术、超薄膜的
研发领域具有很强的优势。
美国于 2000年 2月宣布启动, 国
家纳米科技计划 (NNI)”,在 2001年财
政年度拨款 4.95亿美元以加强研究实
力 。 政府认为纳米技术就像 20世纪 50
年代的晶体管一样, 其科研和工业化
的应用将进一步促进美国经济的发展；
为美国培养新世纪的技术人才；增强
美国国际科技竞争力的需要；节约资
源能源, 保证美国未来的可持续发展；
纳米技术是开发未来微型武器的技术
基础, 是国防工业的未来 。
德国拟建立或改组六个政府与企
业联合的研发中心，并启动国家级的
研究计划。
法国最近决定投资 8亿法郎建立一
个占地 8公顷、建筑面积为 6万平方米、
拥有 3500人的微米／纳米技术发明中
心，配备最先进的仪器设备和超净室，
并成立微米纳米技术之家，专门负责
申请专利和帮助研究人员建立创新企
业。
日本除继续推动早已开始的纳米科
技计划外，每年投资 2亿美元推动新的
国家计划和新的研究中心建设。
五、纳米的奇异特性
① 表面效应
球形颗粒的表面积与直径的平
方成正比，其体积与直径的立方成
正比，故其比表面积（表面积／体
积）与直径成反比。随着颗粒直径
变小，比表面积将会显著增大，说
明表面原子所占的百分数将会显著
地增加，假如原子间距为 3X10-4微
米，表面原子仅占一层，粗略地估
算表面原子所占的百分数见下表。
超微颗粒表面原子百分数与颗粒直径的关系
直径（ ′10 -4微米） 10 50 100
1000
质子总数 30 4′ 103 3′ 104 3′
106
表面质子百分数 100 40 20 2
由上表可见，对直径大于 0.1微米的颗粒表面
效应可忽略不计，当尺寸小于 0.1微米时，其表面
原子百分数激剧增长，甚至 1克超微颗粒表面积的
总和可高达 100米 2，这时的表面效应将不容忽略。
超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，
若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为
2′10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些
颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形
成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体
多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液
体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射
下，表面原子仿佛进入了 "沸腾 "状态，尺寸大于
10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这
时微颗粒具有稳定的结构状态。
② 小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在
一定条件下会引起颗粒性质的
质变。由于颗粒尺寸变小所引
起的宏观物理性质的变化称为
小尺寸效应。对超微颗粒而言，
尺寸变小，同时其比表面积亦
显著增加，从而产生如下一系
列新奇的性质。
（ 1） 特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸
时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。
事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈
现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色
的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很
低，通常可低于 l％，大约几微米的厚度
就能完全消光。利用这个特性可以作为高
效率的光热、光电等转换材料，可以高效
率地将太阳能转变为热能、电能。此外又
有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技
术等。
（ 2） 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，
超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于 10纳
米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为 1064C，当
颗粒尺寸减小到 10纳米尺寸时，则降低 27℃, 2纳米尺
寸时的熔点仅为 327C左右；银的常规熔点为 670C，而
超微银颗粒的熔点可低于 100℃ 。因此，超细银粉制成
的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采
用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆
料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。
日本川崎制铁公司采用 0,1～ 1微米的铜、镍超微颗粒
制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下
降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在
钨颗粒中附加 0.1％～ 0.5％重量比的超微镍颗粒后，可
使烧结温度从 3000℃ 降低到 1200～ 1300℃,以致可在较
低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。
（ 3） 特殊的磁学性质
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的
趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在
地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗
粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠
它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在
趋磁细菌体内通常含有直径约为 2′10-2微米的磁性氧化物
颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大
块的纯铁矫顽力约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到
2′10-2微米以下时，其矫顽力可增加 1千倍，若进一步减小
其尺寸，大约小于 6′10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，
呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，
已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、
磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微
颗粒制成用途广泛的磁性液体。
（ 4）特殊的力学性质
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳
米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的
韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子
排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很
容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展
性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者
报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而
不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的
强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。
呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬 3～ 5
倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大
的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分
宽广。
③ 宏观量子隧道效应
各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原
子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用
能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构
成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于
电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可
以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了
大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，
对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而
言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；
能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、
电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就
会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，
称之为量子尺寸效应。因此，对超微颗粒在低温
条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再
成立。
电子具有粒子性又具有波动性，因此存在
隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，
如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通
量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧
道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将
会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它
确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，
当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述
的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，
当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧
道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经
典电路的极限尺寸大概在 0.25微米。目前研制的
量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的
新一代器件。
六、纳米材料应用热点评述
纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是
其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。
如超细薄膜的厚度通常只有 1纳米 ―5 纳米，甚
至会做成 1个分子或 1个原子的厚度。超细薄膜
可以是有机物也可以是无机物，具有广泛的用
途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制
造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意
义；将几层薄膜沉淀在不同材料上，可形成具
有特殊磁特性的多层薄膜，是制造高密度磁盘
的基本材料。碳纳米管是由碳 60分子经加工形
成的一种直径只有几纳米的微型管，是纳米材
料研究的重点之一。
与其它材料相比，碳纳米管具有特
殊的机械、电子和化学性能，可制成具
有导体、半导体或绝缘体特性的高强度
纤维，在传感器、锂离子电池、场发射
显示、增强复合材料等领域有广泛应用
前景，因而受到工业界的普遍重视。目
前，碳纳米管虽仍处于研究阶段，但许
多研究成果已显示出良好的应用前景。
陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎
的特点，但由纳米超微颗粒压制成的纳
米陶瓷材料却具有良好的韧性，有的可
大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的
柔韧性和可加工性。
七、几种典型的纳米材料
在长期的晶体材料研究中, 人们视具有完
整空间点阵结构的实体为晶体, 是晶体材料的
主体；而把空间点阵中的空位, 替位原子, 间
隙原子, 相界, 位错和晶界看作晶体材料中的
缺陷 。
如果从逆方向思考问题, 把, 缺陷, 作为
主体, 研制出一种晶界占有相当大体积比的材
料, 那么世界将会是怎样? 格兰特教授经过 4
年的不懈努力, 他领导的研究组终于在 1984年
研制成功了黑色金属粉末 。 实验表明, 任何金
属颗粒, 当其尺寸在纳米量级时都呈黑色 。 纳
米固体材料 (nanometer sized materials)就这样诞
生了 。
效应颜料 这是纳米材料最重要最有
前途的用途之一，特别是在汽车的涂装业中，
因为纳米材料具有随角变统汽车面漆大增光
辉，深受配受专家的喜爱。
防护材料 由于某些纳米材料透明
性好和具有优异的紫外线屏蔽作用。在产品
和材料中添加少量 (一般不超过含量的 2%)的
纳米材料，就会大大减弱紫外线对这些产品
和材料的损伤作用，使之更加具有耐久性和
透明性。因而被广泛用于护肤产品、所装材
料、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维
以及农用塑料薄膜等方面。
精细陶瓷材料 使用纳米材料可以在低
温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷。因
为这些纳米粒子非常小，很容易压实在一起。此
外，这些粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透
明涂料，喷涂在诸如玻璃、塑料、金属、漆器甚
至磨光的大理石上，具有防污、防尘、耐刮、耐
磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既
轻又耐磨，还不易破碎。 催化剂 纳米粒子表面
积大、表面活性中心多，为做催化剂提供了必要
的条件。目前用纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和
氧化铁等直接用于高分子聚合物氧化、还原及合
成反应的催化剂，可大大提高反应效率。利用纳
米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率
可提高 100倍，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化
反应表明，镍粒径在 5nm以下，反应选择性发生
急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精
的转化率急剧增大。
磁性材料 纳米粒子属单磁畴
区结构的粒子，它的磁化过程完全由
旋转磁化进行，即使不磁化也是永久
性磁体，因此用它可作永久性磁性材
料。磁性纳料粒具有单磁畴结构及矫
顽力很高的特征，用它来做磁记录材
料可以提高信噪比，改善图象质量。
当磁性材料的粒径小于临界半径时，
粒子就变得有顺磁性，称之为超顺磁
性，这时磁相互作用弱。利用这种超
强磁性可作磁流体，磁流体具有液体
的流动性和磁体的磁性，它在工业废
液处理方面有着广阔的应用前景。
传感材料 纳米粒子具有高比
表面积、高活性、特殊的物理性质
及超微小性等特征，是适合用作传
感器材料的最有前途的材料。外界
环境的改变会迅速引起纳料粒子表
面或界面离子价态和电子运输的变
化，利用其电阻的显著变化可做成
传感器，其特点是响应速度快、灵
敏度高、选择性优良。
光电材料与光学材料 纳米
材料由于其特殊的电子结构与光学
性能作为非线性光学材料、特异吸
光材料、军事航空中用的吸波隐身
材料，以及包括太阳能电池在内的
储能及能量转换材料等具有很高的
应用价值。
增强材料 纳米结构的合金
具有很高的延展性等，在航空航天
工业与汽车工业中是一类很有应用
前景的材料；纳米硅作为水泥的添
加剂可大大提高其强度；纳米纤维
作硫化橡胶的添加剂可增强橡胶并
提高其回弹性，纳米管在作纤维增
强材料方面也有潜在的应用前景。
纳米滤膜 采用纳米材料发展出分离仅在分
子结构上有微小差别的多组分混合物，实现高能分
离操全的纳米滤膜。其它还有将纳米材料用作火箭
燃料推进剂,H2分离膜、颜料稳定剂及智能涂料、
复合磁性材料等。纳料材料由于具有特异的光、电、
磁、热、声、力、化学和生物学性能，广泛应用于
宇航、国防工业、磁记录设备、计算机工程、环境
保护、化工、医药、生物工程和核工业等领域。不
仅在高科技领域有不可替代的作用，也为传统产业
带来生机和活力。可以预言，纳米材料制备技术的
不断开发及应用范围的拓展，必将对传统的化学工
业和其它产业重大影响。
超双亲性界面物性材料 (同时具有超
亲水性及超亲油性的表面 )
研究表明，光的照射可引起 TiO2表面在纳米区
域形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界
面结构。这样在宏观的 TiO 2表面将表现出奇妙的
超双亲性。利用这种原理制作的新材料，可修饰玻
璃表面及建筑材料表面，使之具有自清洁及防雾等
效果。这种双亲二元协同原理，同样可以用来指导
我们进一步设计和创成在其他基材上使用的超双亲
性修饰剂。例如，在纤维及衣物上使用修饰剂，将
使它们具有超双亲性。可以设想洗涤衣物可以仅用
清水冲洗，不再使用传统的洗洁剂；同样也可以应
用到人造血管和人造人体的形成，并且改善同活体
组织的兼容性，来实现长时间的使用寿命。
超双疏性界面物性材料
利用由下到上、由原子到分子、由分子到
聚集体的外延生长纳米化学方法，可以在特定
的表面上建造纳米尺寸同何形状互补的 (如凸与
凹相间 )界面结构。由于在纳米尺寸低凹的表面
可使吸附气体分子稳定存存，所以在宏观表面
上相当于有一层稳定的气体薄膜，使油或水无
法与材料的表面直接接触，从而使材料的表面
呈现超常的双疏性。这时水滴或油滴与界面的
接触角趋于最大值。如果在输油管的管道内壁
采用带有防静电功能的材料建造这种表面修饰
涂层，则可实施石油与管壁的无接触运输。这
对于输油管道的安全运行有重要价值。
纳米尺度光阳极、光阴极两相共
存的高效光催化界面材料
借助光化学和光电化学的研究思想，
利用纳米化学方法，计划研制多种具有光
化学活性的纳米杂化的界面材料。例如，
在 TiO2表面的纳米区域内可以构建光阳极
与光阴极共存的二元协同界面结构，在紫
外光的照射下具有高效的光催化效果。可
以用来分解有毒气体 (如：甲，苯，氧化
氮等 )，杀死其表面接触的细菌。该材料
将在空气净化和杀菌抑菌方面有重要的应
用。
八、在化工领域的应用
纳米二氧化钛（ TiO2）作为一种新型光
催化剂、抗紫外线剂、光电效应剂等，以
其神奇的功能，将在抗菌防霉、排气净化、
脱臭、水处理、防污、耐候抗老化、汽车
面漆等领域显示广阔的应用前景。随着其
产品工业化生产和功能性应用发展的日趋
成熟，它在环境、信息、材料、能源、医
疗与卫生等领域的技术革命中将起到不可
低估的作用。
将纳米 TiO2粉体按一定比例加入到化
妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。
纳米 TiO2抗菌防霉机理由于 TiO2电
子结构所具有的特点，使其受光时生成化
学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和
氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机
污染物的作用。当遇到细菌时，直接攻击
细菌的细胞，致使细菌细胞内的有机物降
解，以此杀灭细菌，并使之分解。一般常
用的杀菌剂银、铜等能使细菌细胞失去活
性，但细菌杀死后，尸体释放出内毒素等
有害的组分。纳米 TiO2不仅能影响细菌繁
殖力，而且能破坏细菌的细胞膜结构，达
到彻底降解细菌，防止内毒素引起的二次
污染。纳米 TiO2属于非溶出型材料，在降
解有机污染物和杀灭细菌的同时，自身不
分解、不溶出，光催化作用持久，并具有
持久的杀菌、降解污染物效果。
将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可
以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体
状的轻烧结体，可用于气体同位素。混合稀有气体
及有机化合物等的分离和浓缩，纳米微粒还可用作
导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等纳米
TiO2应用领域在人们的居住环境中存在着各种有害
细菌，对人类生活产生不良影响。居室内各种建筑
装饰材料，如人造板、木质复合地板、层压木质板
家具和胶粘剂等会挥发出甲醛、苯、卤代烃、芳香
烃等有毒污染物，危害人体健康。如果在建筑内墙
涂料、地面覆盖材料、墙面装饰材料、家具面漆等
材料中添入纳米 TiO2，既可杀菌防霉，又可降解有
机污染物，使人们生活在卫生健康的环境中。
此外，添加约 1％纳米 TiO2的抗
菌塑料，可广泛应用于食品包装、
电器、家具、餐具、公共设施等，
以防止病菌的繁殖和交叉感染。抗
菌纤维可制作医疗用品等，还可生
产抑菌除臭的保健纺织品、卫生纺
织品等，以提供安全有效的保健功
能。
TiO2光催化技术工艺简单、成本低廉，利用自然光、
常温常压即可催化分解病菌和污染物，具有高活性、无
二次污染、无刺激性、安全无毒、化学稳定性和热稳定
性好等特点，是最具开发前景的绿色环保催化剂之一。
采用纳米 TiO2光催化剂处理有机废水，能有效地将水
中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳烃、多环芳烃、酚
类、染料、农药等进行除毒、脱色、矿化，最终降解为
二氧化碳和水，目前这方面的研究已取得进展，光催化
降解污水将成为有效的处理手段。利用金红石型纳米
TiO2的紫外线屏蔽优异性和高耐候性，以及光催化效
应来降解氮氧化物（ NOx）、硫氧化物（ SOx）等，还
可以有效地治理工业废气、汽车尾气排放所造成的大气
污染，其原理是将有机或无机污染物进行氧化还原反应，
生成水、二氧化碳、盐等，从而净化空气。研究结果显
示，纳米 TiO2光催化空气净化涂料、陶瓷等材料在消
除氮氧化物等方面的应用具有良好的前景。
此外，纳米 TiO2在磁性材料、
浅色导电材料、气体传感器、湿度
传感器等领域已得到很好的应用。
随着应用研究的深入，它的应用领
域必将越来越广泛。 目前，国内
纳米 TiO2的生产和应用尚处于初级
发展阶段。笔者认为，这一领域的
研究应从扎实的基础理论研究开始，
提倡多学科联合，向纵深高层次发
展，使之具有更广阔的应用领域。
纳米技术引领 21世纪畜牧业革命
饲料 饲料制造采用纳米添加剂, 可以提高畜禽肠
胃吸收能力, 吸收速度和吸收率 。 如果料肉比正常情
况下是 3比 1,通过采用纳米技术, 料肉比可达到 2比 1
的话, 你可以算算多增效益是多少呢 ！ 在纳米时代是
可以做到的 。
微量元素添加剂 第一代是无机，第二代是有
机，第三代是氨基酸螯合物，第四代微量元素会是纳
米微量元素吗？无机微量元素的利用率较低，在 30％
左右，纳米微量元素的利用率可以达到多少呢？结果
是肯定的，纳米微量元素可以不通过离子交换，直接
渗透，从而大大提高了吸收的速度和利用率。
兽药 兽药采用纳米技术后，药效能够大幅度提高，
从而可以降低使用剂量，可以在不换药的前提下解决药
物残留问题。由于纳米技术的出现，已禁用的抗生素是
否可回来效劳呢？目前，医药与兽药中有使用上的交叉
耐药性矛盾。畜禽使用了医药产品之后，产生耐药性和
残留，导致人体对药物的敏感性降低，这些问题是否可
以通过纳米技术来改变呢？医药上已经在应用纳米材料
了，如消毒剂药物药效提高 200倍。医药产品采用纳米
技术后，药效大幅度提高。在美军犹他州的基地，美国
科学家带来了一些只有分子那么大 "纳米炸弹 "，是专门
用来消灭人体中的 "敌人 "，包括一些致命的生物武器的。
只要在水中加入适量 "炸弹 "，就可以杀死导致流行性感
冒和疱疹的臭虫。在展示过程中，这些微粒的成功率达
到 100％。科学家还介绍，这些微粒在民用方面同样高
效。
把纳米材料添加到传统畜牧
业产品中, 可改进或获得一系列
的功能, 这种改进并不见得昂贵,
但却使产品更具市场竞争力 。 利
用纳米技术将制造出各种各样具
有 "特异功能 "的新材料, 将会引起
畜 牧 行 业 的 重 大 变 革 。
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。如现
有的硅和砷化镓器件的响应速度最高只能
达到 10～ 12秒，功耗最低只能降至 1微瓦。
而量子器件在响应速度和功耗方面可以比
这个数据优化 1000～ 10000倍。由于器件
尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时
还具有器件结构简单、可靠性强、成本低
等诸多优点。因此，纳米电子学的发展，
可能会在电子学领域中引起一次新的电子
技术革命，从而把电子工业技术推向更高
的发展阶段。
迄今为止，作为电子器件只利用了电
子波粒二象性的粒子性，其次，各种传统
电子元器件都是通过控制电子数量来实现
信号处理的。随着集成度的提高，功耗、
速度成为严重的问题。现有的硅和砷化镓
器件无论怎样改进，其响应速度最高只能
达到１０－１２秒，功耗最低只能降低到
１ μＷ。
利用电子的量子效应原理制作
的器件称为量子器件或纳米器件也
叫单电子晶体管。在量子器件中，
只要控制一个电子的行为即可完成
特定的功能，即量子器件不单纯通
过控制电子数目的多少，主要是通
过控制电子波动的相位来实现某种
功能的。因此，量子器件具有更高
的响应速度和更低的功耗，从根本
上解决日益严重的功耗问题。
由于器件尺度为纳米级，集成度
大幅度提高，同时还具有器件结构
简单、可靠性高、成本低等诸多优
点，因此，有理由相信纳米电子学
的发展，必将在电子学领域中引起
一次新的电子技术革命，从而把电
子工业技术推向一个更高的发展阶
段。
纳米生物技术
纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物，
它即可以用于生物医学,如用纳米技术制造的微型机
器人，可让它安全地进入人体内对健康状况进行检测，
必要时还可用它直接进行治疗；用纳米技术制造的, 芯
片实验室, 可对血液和病毒进行检测，几分钟即可获得
检测结果；科学家还可以用纳米材料开发出一种新型药
物输送系统，这种输送系统是由一种内含药物的纳米球
组成的，这种纳米球外面有一种保护性涂层，可在血液
中循环而不会受到人体免疫系统的攻击，如果使其具备
识别癌细胞的能力，它就可直接将药物送到癌变部位，
而不会对健康组织造成损害。也可以服务于其它社会需
求。所包含的内容非常丰富，并以极快的速度增加和发
展，难以概述。在此仅举一些研究结果为例。
(1) 生物芯片技术
生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类
芯片。半导体电子芯片是集成具有特定电子学功
能的微单元，所形成的电子集成电路；而生物芯
片则是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或
集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，
即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分
子和 DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获
得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分
为细胞芯片、蛋白质芯片 (生物分子芯片 )和基因芯
片 (即 DNA芯片 )等几类，都有集成、并行和快速
检测的优点，已成为二十一世纪生物医学工程的
前沿科技。
近两年，已经通过微制作 (MEMS)技术，制成了微
米量级的机械手，能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞，
进行细胞结构，功能和通讯等特性研究。美国哈佛大学
的 Whitesides教授领导的研究人员，发展了微电子工业普
遍使用的光刻技术在生物学领域的应用，并研制出效果
更好的软光刻方法 (soft lithography)。以此，制出了可以
捕捉和固定单个细胞的生物芯片，通过调节细胞间距等，
研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以作细胞
分类和纯化等。它的功能原理非常简单，仅利用芯片表
面微单元的几何尺寸和表面改性，即可达到选择和固定
细胞，及细胞面密度控制。
蛋白质芯片的发展已经经历了约十年的时间，现
已出现了相对成熟的技术，如瑞典的 BIACORE的单元
芯片，中科院力学所的多元蛋白质光学芯片和美国的
SELDI质谱芯片等。它们的共同特点都是将生物分子作
为配基，固定在固体芯片表面或表面微单元上，以单一、
或面阵、或序列式。利用生物分子间的特异结合的自然
属性，待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子
复合物。然后，检测此复合物的存在与否，达到对蛋白
质的探测、识别和纯化的目的。以上不同技术的差异仅
在探测方法的不同。 BIACORE技术利用表面等离子体
共振技术检测芯片，进行单一蛋白质检测；多元蛋白质
光学芯片是光学成象法，可以同时检测多种混合的蛋白
质； SELDI技术则采用质谱法，以时间顺序检测序列蛋
白质。
随着人类基因工程的发展，基因芯片 (即
DNA芯片 )得到迅速的发展。 DNA 芯片又称
为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据
DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交
的技术。 DNA芯片技术可以快速分析大量的
基因信息，从而使生物医学工作者可以研究
并收集基因表达和变异信息。可以用于人类
基因组中遗传信息的分析。具特殊用途的
DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选
已知的 DNA序列。
DNA芯片还可用于监测不同的
人体细胞和组织基因表达，以检测
癌症或其它疾病所对应的基因的变
化。随着 DNA芯片及杂交技术的发
展,DNA芯片将有可能直接应用于
临床诊断，药物开发和人类遗传诊
断。
（ 2）分子马达
分子马达是由生物大分子构成，
利用化学能进行机械做功的纳米系
统。天然的分子马达，如：驱动蛋
白,RNA聚合酶、肌球蛋白等，在
生物体内参与了胞质运输,DNA复
制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列
重要生命活动。以微管蛋白为轨道，
沿微管的负极向正极运动，并由此
完成各种细胞内外传质功能。
美国康纳尔大学的科学家利用 ATP酶
作为分子马达，研制出了一种可以进入人
体细胞的纳米机电设备 --"纳米直升机 "。
该设备共包括三个组件，两个金属推进器
和一个附属于与金属推进器相连的金属杆
的生物分子组件。其中的生物分子组件将
人体的生物 "燃料 "ATP转化为机械能量，
使得金属推进器的运转速率达到每秒 8圈。
这种技术仍处于研制初期，它的控制和如
何应用仍是未知数。将来有可能完成在人
体细胞内发放药物等医疗任务
（ 3） 硅虫晶体管
美国和北爱尔兰的研究者偶然发现了一种活的
半导体 (half bacterium,half microchip)，它能够嗅出生
物战所用的毒气。这一发现竟来自科学家为消除计算
机芯片生产线上的某些特殊细菌的屡屡失败。为消除
这些微生物，研究者试用了从紫外线到强氧化剂，但
是，细菌仍可幸存。亚利桑纳大学的物理学家
O'Hanlon 和 Baier认为外面包上硬壳的细菌可以用于
制造生物晶体管。这种细菌半导体晶体恰好可以用作
生物晶体管的门极。当在呼吸和光合作用等产生电子
转移的生物过程中，光照或者器官的水汽能诱导细菌
产生电子，犹如打开了这个生物晶体管。这种精巧的
灵敏装置能够探测到生物战毒气。
（ 4） 纳米探针
一种探测单个活细胞的纳米传感器, 探头尺
寸仅为纳米量级, 当它插入活细胞时, 可探知会
导致肿瘤的早期 DNA损伤 。
纳米探针是一支直径 50纳米，外面包银的
光纤，并传导一束氦 -镉激光。它的尖部贴有可
识别和结合 BPT的单克隆抗体。 325纳米波长的
激光将激发抗体和 BPT所形成的分子复合物产生
荧光。此荧光进入探针光纤后，由光探测器接收。
可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细
胞的蛋白质和其它所感兴趣的生物化学物质。
纳米生物学
纳米生物学主要包含两个方面：
一, 利用新兴的纳米技术来解决研究和生物学
问题；
二, 利用生物大分子制造分子器件, 模仿和制
造类似生物大分子的分子机器 。
纳米科技的最终目的是制造分子机器, 而分子
机器的启发来源于生物体系中存在的大量的生物大
分子, 它们被费曼等人看作是自然界的分子机器 。
从这个意义上说, 纳米生物学应该是纳米科技中的
一个核心领域 。
利用 DNA和某些特殊的蛋白质的特殊
性质，有可能制造出分子器件。目前
研究的热点在分子马达、硅－神经细
胞体系和 DNA相关的纳米体系与器件。
利用纳米技术，人们已经可以操纵单
个的生物大分子。操纵生物大分子，
被认为是有可能引发第二次生物学革
命的重要技术之一 。
纳米医学
我们知道人体是由多种器官组成的，如：大脑、
心脏，肝，脾，胃，肠，肺，骨骼，肌肉和皮肤；
器官又是由各种细胞组成的，细胞是器官的组织单
元，细胞的组合作用才显示出器官的功能。那么细
胞又是由什么组成的呢？按现在的认识，细胞的主
要成份是各种各样的蛋白质、核酸、脂类和其它生
物分子，可以统称生物分子，它的种类在数十万种。
生物分子是构成人体的基本成分，它们各自具有独
特的生物活性的，正是它们不同的生物活性决定了
它们在人体内的分工和作用。由于人体是由分子构
成的。当人体的分子机器，如合成蛋白质的核糖体，
DNA复制所需的酶等，出现故障或工作失常时，就
会导致细胞死亡或异常。
从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无
法达到分子修复的水平。而纳米医学则是在分子水
平上，利用分子工具和人体的分子知识，所从事的
诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健和
改善健康状况等科学技术，广义地讲都属于纳米医
学的范畴。换句话讲，人们将从分子水平上认识自
己，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，
改善人类的整个生命系统。首先需要认识生命的分
子基础，然后从科学认识发展到工程技术，设计制
造大量的具有令人难以置信的奇特功效的纳米装置，
这些微小的纳米装置的几何尺度仅有头发丝的千分
之一左右，是由一个个分子装配起来的，能够发挥
类似于组织和器官的功能，并且更准确和更有效地
发挥作用。他们可以在人体的各处畅游，甚至出入
细胞，在人体的微观世界里完成特殊使命。
例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的
癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒，并在
它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或
生物化学成分的变化，适时地释放药物和人
体所需的微量物质，及时改善人的健康状况。
最终实现纳米医学，使人类拥有持续的健康。
未来的纳米医学将是强大的，它又会是令人
惊讶得小，因为在其中所发挥作用的药物和
医疗装置都是肉眼所无法看到的。但是它的
功能会令世人惊叹。
(1) 智能药物
这是纳米医学中的一个非常活跃的领域, 适时准确
地释放药物是它的基本功能之一 。 科学家正在为糖尿病
人研制超小型的, 模仿健康人体内的葡萄糖检测系统 。
它能够被植入皮下, 监测血糖水平, 在必要的时候释放
出胰岛素, 使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正
常状态 。 目前这个芯片的尺寸还相当于一个小硬币, 可
以把它做得更小, 并计划装上一个 "智能化 "的传感器,
使它可以适时和适量地释放药物 。 能否在形成致命的肿
瘤之前, 早期杀灭癌细胞？ 美国密西根大学的 James R.
Baker Jr.博士正在设计一种纳米 "智能炸弹 ",它可以识
别出癌细胞的化学特征 (chemical "signatures")。 这种 "智
能炸弹 "很小, 仅有 20纳米左右, 能够进入并摧毁单个
的癌细胞 。 此装置的研制刚刚开始, 而初步的人体实验
至少要五年以后才能进行 。
(2) 人工红血球
纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且
还有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧 6
至 10分钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。
设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是
天然红血球的 200倍以上。当人的心脏因意外，突然
停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球
注入人体，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个
机体的正常生理活动。血球是个一微米大小的金刚石
的氧气容器，内部有 1000个大气压，泵浦动力来自血
清葡萄糖。它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的
236倍，并维持生物炭活性。 它可以应用于贫血症的
局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的
额外耗氧等。
(3)纳米药物输运
纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。按
目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。
由于药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面
积将增加，所以药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小
而提高。药物的吸收又受其溶解率的限制，因此，缩小
药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法。 纳米
晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时提
高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。粉碎过程会使
粒子间的相互作用力增加，为了避免纳米颗粒在粉碎过
程中聚合，加工中，不溶的药物是被悬浮在含一般认为
安全的稳定剂和赋形剂的悬浮液中。深入研究的制粉技
术已经能够将药物缩小到 400纳米以下。 同时，这些赋形
剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药物
颗粒的溶解率。一旦，不溶性药物转变成稳定的纳米颗
粒，就适合于口服或者注射了。
纳米医学将给医学界，诸如癌症、糖尿病和
老年性痴呆等疾病的治疗带来变革，已经获得越
来越多的认同。利用纳米技术能够把新型基因材
料输送到已经存在的 DNA里，而不会引起任何免
疫反应。树形聚合物 (dendrimers) 就是提供此类
输送的良好候选材料。因为，它是非生物材料，
不会诱发病人的免疫反应，没有形成排异反应的
危险；所以，可以作为药物的纳米载体，携带药
物分子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排
斥的条件下，发挥治病的效果。这种技术用于糖
尿病和癌症治疗是很有希望的。
(4) 捕获病毒的纳米陷阱
密西根大学的 Donald Tomalia等已经用树
形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。
体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染
细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于
捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳
米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病
毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧
失致病的能力。
通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸
成分的 "锁 "，只准许持 "钥匙 "者进入。不幸的
是，病毒竟然有硅铝酸受体 "钥匙 "。 Tomalia的
方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在
陷阱细胞 (glycodendrimers)表面。当病毒结合
到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。
陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔
可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，
直接送到肿瘤上。陷阱细胞能够繁殖，生成不
同的后代，个子较大的后代可能携带更多的药
物。尽管原因尚不明确，所观察的特点是越大
效果越好。研究者希望发展针对各种致病病毒
的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。
(5)识别血液异常的生物芯片
美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好
者的预言。正像所预想的那样，纳米技术可以在血
流中进行巡航探测，即时地发现诸如病毒和细菌类
型的外来入侵者，并予以歼灭，从而消除传染性疾
病。 Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实
验室的功能，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞
血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个
发射激光的腔体表面,从而改变激光的形成。癌细
胞会产生一种明亮的闪光；而健康细胞只发射一种
标准波长的光，以此鉴别癌变。
我国纳米科技主要成果
我国的研究力量主要集中在纳
米材料的合成和制备，扫描探针显
微学，分子电子学以及极少数纳米
技术的应用等方面。我国科学家在
纳米碳管、纳米材料的若干领域已
取得一些很出色的研究成果，但在
纳米器件方面差距明显。
1993年，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，标志着我国处于国际纳米科技前沿。
1998年，清华大学成功地制备出直径为
3―50 纳米，长度达微米量级的氮化镓半
导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把
氮化镓制备成一维纳米晶体。
1998年，我国科学家用非水热合成法，
制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为
,稻草变黄金 ―― 从四氯化碳制成金刚
石。,
近年，中国科学院物理研究所，不仅
合成了世界上最长的, 超级纤维, 碳纳
米管，创造了一项, 3毫米的世界之最,,
而且合成出世界上最细的碳纳米管。
1999年上半年，北京大学纳米技术研究
取得重大突破，在世界上首次将单壁碳纳米
管组装竖立在金属表面，并组装在世界上最
细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。
1999年，中科院金属研究所成会明博士
合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储
氢材料研究一举跃上世界先进水平。
1999年，上海交通大学微纳米科学技术
研究院的科研人员，研制成功了当时世界上
体积最小、重量最轻的微型直升机，这架双
螺旋浆微型直升机，机身长仅 18毫米，机身
高 5毫米，机重 100毫克。
近年来，根据国际发展趋势，科学家还
建立和发展了多种制备纳米结构组装体系
的方法，成功地制备出多种准维纳米材料
和纳米组装体系。
不久前，我国科学家研制出迄今世界
上信息存储密度最高的有机材料，从而在
超高密度信息存储研究上再创世界之最。
最近中国科学院化学所利用插层复合
技术将天然粘土矿物均匀分散到聚合物中，
制出一系列, 令人惊奇, 的纳米塑料，使
纳米产业化在我国成为可能。
