第六章、纳米技术的现在和未来一、从宏观到微观著名的科学家 爱因斯坦 曾经说过，未来科学的发展，无非是继续向宏观世界和微观世界进军。
宏观世界 就是说我们 人类的肉眼可以分辨出来的物体，大至宇宙及宇宙的深处。
微观世界指的是原子、分子、中子、质子，夸克等。
纳米 是一个长度单位 。
1025米大约十亿光年，这个范围是我们人类目前已经观测到的宇宙大致的范围；
1021米大约是十万光年，在这个范围可以看到银河系的全貌；
1014次方米是一千亿公里，可以看到冥王星的完整轨道；
107米是一万公里，在航天飞机上可以分辨出地球的一部；,
103米是一公里，从飞机上可以看到分辨城市建筑物的排列、街道、田野；
到 101米是十米，那么我们就可以看到足球场上运动员；
如果说我们把我们目光聚焦在运动员的腿部，膝盖，继续缩小我们的观测范围，到 10－ 2次方米一个厘米，就可以看到他腿上汗毛孔了，皮肤表面的皱纹就可以看到。
10－ 4米，是一百个微米，就可以分辨细胞，细胞大小在十几个微米；
10－ 6米是一个微米，可以看到染色体当中，聚集着染色质；
10－ 7米，是一百个纳米，可以分辨染色质的两个部分；
10－ 9米，是 1纳米，可以分辨出 DNA里边的分子结构；
10－ 10米，可以看到电子云笼罩下的原子的轮廓；
10－ 13米，从整体上可以分辨出原子核；
10－ 14米，就可以看到原子核当中的质子和中子，原子核是由质子和中子组成的；
10－ 15米，就可以分辨出 组成质子和中子的夸克,六个夸克组成原子核；
10－ 16方米，可以进一步看清夸克；
二、纳米科技的产生用一个长度单位把宏观的宇宙深处，一直到构成物质最基本的粒子，夸克都可以连接起来。 1纳米是 10－ 9米,十亿分一之米，
是一毫米的一百万分之一，如果用纳米作为单位，则身高 1.7米的人为 17亿纳米，一个红细胞得几千个纳米。人的头发丝直径约
0.07～ 0.1mm，头发丝一百万分之一约为 1纳米。
DNA分子是双螺旋结构,螺旋直径 2nm，螺旋周期包含 10
对碱基，螺距 3.4nm，相邻碱基对平面的间距 0.34nm。氢原子是最小的原子，氢原子的直径大概 0.1nm,10个氢原子排成一条线就是一个纳米长。一寸直尺对折 29次，大约为一个纳米长。
纳米科技是指在纳米的尺度上来研究物质的特性和相互作用，
包括原子分子的操纵。
纳米科技使人类认识和改造物质世界的手段和能力，延伸到原子和分子,纳米科技的重要意义有两个方面：
① 纳米科技可以促使人类的认知革命，
② 纳米科技的发展，会带来一场产业革命。
宏观理论研究宇宙天体、人类生活的空间及物体，有很多的理论，包括牛顿力学、天文学、地球物理、物理学、地质学等。
微观理论研究分子、原子、粒子有量子理论、高能物理、粒子物理、基本粒子等。
当我们回顾 20世纪科技的发展的时候，大家都公认，量子论和相对论的诞生，奠定了现在通讯、信息技术的理论基础。 1953
年建立的 DNA的双螺旋结构模型，是一个分子的结构模型，它奠定了现在分子生物学的基础。没有 DNA螺旋结构模型，就没有我们今天的基因技术、转基因技术等。
纳米科技引发工业革命的最主要的驱动力是来源于信息产业，
我们对生命科学的研究,DNA蛋白质、生物分子马达，它们都在纳米的尺寸上，所以说 纳米科技的发展，是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础。
纳米科技不仅仅是一个未来高新技术的问题，它也可以促进传统产业的技术改造，纳米技术现在已经渗透到一些传统的产业中去，已经形成了相当的市场规模。
如纳米食品、纳米药品、纳米纤维服装、纳米涂料,纳米丝、
纳米管、纳米电缆、纳米薄膜、纳米水、纳米材料冰箱、纳米自洁玻璃和瓷砖、纳米陶瓷、纳米油漆、纳米级存储器、纳米塑料、
纳米级微粉录像带。 （ 登天梯用碳纳米管制作 ）
罗雷尔博士（左一）参观哈尔滨工业大学机器人研究所诺贝尔奖获得者 罗雷尔
（ Heniroler）指出：许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义，但我确信纳米科技现在已具有与 150年前微米科技所具有的希望和重要意义。
150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家，都在工业发展中占据了巨大的优势，同样，
未来的技术，将属于那些明智接受纳米作为新标准，并首先学习和使用它的国家，我们应当记住，微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要 。
罗雷尔博士,微米技术改变了农业的工作方式，产生了拖拉机、旋耕机、播种机、联合收割机等农业机械化机器。 纳米科技的概念最早提出来，是诺贝尔奖获得者物理学家理查德 ·费因曼,他是美国加州理工学院的教授，他 1959年做了一个很激动人心的演讲。他说现在加工材料制造产品，都是从大做到小，比如我们要加工一个桌子，需要把大树锯成板材，分割成各种形状的木板并刨光，最后再组合成桌子。若加工生产一个机械零件，则需要把大块钢材分割成毛坯，然后再进行车、磨、洗、刨的加工，
这些都是从大往小里做，要浪费很多材料。世界上任何东西，都是由原子分子组成的，包括我们人类自身、空气、海洋、桌子、
麦克风、茶水、食物等都是原子分子组成的。
宇宙间一切产品都是原子分子组成的，我们就能够 通过一个一个的把原子堆放在一起，把原子分子就像用砖盖房子那样，加工成任何形状的产品，这就是 纳米加工技术。
用纳米材料加工产品，既节约资源，又节省劳动力，还没有污染，环保节能。因为你需要什么我就拿什么做，效率高，质量好，不浪费原材料。
20世纪 70年代后期，美国麻省理工学院的德雷克斯勒，提倡纳米科技的研究，通过原子分子组装来制备装置。
1990年，第一届国际的纳米科技会议在美国巴尔第摩召开，
与第五届的国际扫描隧道显微学的会议同时举办，纳米技术专业的学术刊物,纳米技术,在 1990年创刊。
美国巴尔第摩哥伦布海洋科学研究中心
1996年在北京召开了第四届纳米科技的国际会议,
在纳米尺度上，这种多学科的交叉性，展现了巨大的生命力，迅速的形成了一个具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。
三、纳米科技的应用领域第一个是纳米材料；第二个是纳米装置，第三个是纳米区域的探测、研究和表征分析。
1.纳米材料是纳米科技的基础，它的主要类型分为四类：
（ 1） 纳米颗粒与纳米分体,即颗粒或者粉体都在纳米的量级。
（ 2） 纳米管、线材料,在一个方向为纳米量级，如碳纳米管，
直径在纳米量级，但非常长。纳米线，纳米硅是一维的纳米材料。
（ 3） 纳米薄膜,纳米薄膜分成两个方面，一个是纳米的颗粒膜，即颗粒大小都在纳米量级，表面上构成一层膜；另外一种膜就是纳米的层状膜，
就是涂层的厚度在纳米的量级。
（ 4） 纳米块材,就是把纳米的材料给压制成一个整体的，宏观上看着跟一块一块一样的东西，这是纳米块层，
2.纳米材料的性能纳米材料 与传统的材料相比有非常大的不同，有的是传统材料所没有的，有的是较传统材料的特性有了很显著的提高。比如纳米金属固体的硬度,一般要比 传统的粗晶材料，要 硬 3到 5倍 ；
纳米固体铁的断裂应力，比常规的铁材料会提高近 12倍 ； 纳米的固体铜，比一般的铜材料的热扩散增强近 一倍 ；纳米的磁性金属的磁化率，是普通磁性金属的 20倍 。
当材料品质不变，仅把它做成一个 纳米量级,它的很多性能就发生了非常重要的显著的改变。比如,铜或者铝,宏观上的样子我们都知道，但是如果你把铜和铝给加工成纳米颗粒时候，它自己就会燃烧起来，会发生爆炸，跟铜和铝的宏观性质就不一样了，故它可以作为 火箭推行剂的燃料 。
陶瓷耐高温，有很好的硬度，但它易碎，掉在地上会摔碎。
若把陶瓷的颗粒做成纳米量级，或者在里面掺杂一些纳米量级的颗粒，它就具有很高的硬度和耐高温，同时掉在地上也不会摔碎。
纳米陶瓷发动机，可以耐高温，不必像现在的发动机，需要水的冷却，其热效率会显著提高。
纳米氧化物,可以在电场作用下改变颜色，不同光，不同电场，
就改变为不同的颜色，可以做丰富多彩的广告牌。
纳米氧化物在催化及环境保护方面，也有广泛的应用前景。如用纳米的二氧化钛，可以广泛的应用于防晒霜化妆品中，因为纳米级二氧化钛，可以吸收紫外线。另外它还可以做轿车金属色的面漆，
可以做高压绝缘材料等。
纳米二氧化钛具有催化性质，它可以降解汽车尾气，日本已经在高速公路的两侧，在公路的隧道之内，设置了涂有二氧化钛的光催化板来防止汽车尾气。当汽车尾气遇到催化板时，二氧化钛就把汽车尾气催化，变成另外一种无毒的物质。
自清洁纳米材料的 重要的应用：
① 汽车玻璃，后视镜，窗户玻璃经常脏，涂上纳米自清洁材料以后，有灰尘落上去，下雨时或用水一冲，灰尘就会马上掉落下来，
且冲洗完后玻璃上不会留下一圈一圈的水印。
② 纳米瓷砖,具有自清洁效果，厨房污渍，用抹布一擦，光亮如新。
③ 纳米衣服,具有自清洁的功能，可以减少洗衣服的次数。
自然界中的荷叶，出污泥而不染，表面不沾上水，就是其表面具有微小的纳米结构。
纳米塑料瓶。 一般塑料瓶可以装可乐，装雪碧，装矿泉水，
但是塑料瓶不能装啤酒，啤酒要用玻璃瓶装，但容易爆炸伤人。
为何不能拿塑料瓶装啤酒，因为塑料瓶氧气透过率比较高，一般塑料瓶装啤酒后，容易变质。但是纳米的塑料瓶可以有效隔绝氧气的透过，故可以装啤酒，据说美国已经有这种纳米的塑料瓶装啤酒。我们国家的化学所已经做出了这种材料，已出口到日本去。
但我国目前还不能把它作为装啤酒的塑料瓶，因为吹纳米塑料瓶的技术是美国人的专利。
纳米尼龙材料可以做帘子线，做薄膜 等，还可做纳米的管材，
具有自阻燃的特性，有些纳米的材料它自己烧不起来，不能燃烧。
许多火灾中人是被有毒气体熏死的，而不是真正烧死的。塑料的东西燃烧以后，会产生有毒的气体。如果室内装饰材料不燃烧，
就不会产生火灾，造成巨大危害。
（ 1993年 2月 14日，唐山林西百货大楼发生特大火灾，烧死营业员和顾客 80人，烧伤 55人 ）。
3.纳米器件纳米科技会带来一场产业革命，很重要一个因素是来源于信息产业对它的需求，器件的发展，是非常重要的。如果我们到了纳米时代，对于人类的生活和生产方式，会产生这样深刻而广泛的影响，纳米时代到来的标志，就是纳米器件的研制水平和应用程度。
将来用纳米材料做纳米器件，制成 纳米机器人,可以到患者的血管里头爬行，将血管内壁的胆固醇清除掉，或者给你进行微小的手术治疗。（ 如肠梗阻，不再需要开刀做手术，机器人钻到肠子里就可以进行清障操作，快捷、方便，还无痛苦，节省医疗费用 ）分子马达是非常重要和环保的器件，因为分子马达不需要外接电力就能工作。
用 纳米器件制成的计算机,其计算能力可以提高上千倍，所需功率仅是目前电子计算机的百万分之一。
纳米级的光电信息材料 可以使通讯带宽增强百倍，利用纳米技术可以使信息存储量成千倍的提高。
4,纳米科技前景展望纳米技术在显微学、机械学、电子学、材料学、环境与能源、医学与健康、航天与航空、生物技术、国家安全、人民生活等方面具有广阔的应用前景。
（ 1） 环境和能源。
发展绿色能源和环境处理技术，来减少污染或者恢复被破坏的环境，用纳米技术，可以去除水和空气当中极小颗粒的污染物质。
利用纳米技术能够制造出低能耗的各种机电设备。
如单电子晶体管所需的电力可降低到通常晶体管的十万分之一。
利用纳米技术可以开发出新的能源，大幅度提高能源供给量。科学家们发现,碳纳米管是 一种优异的 储氢材料,利用它可以制做燃料电池来驱动汽车。
（ 2）纳米科技用于生物医学现在的药物吃完以后，许多成分并没有被吸收，而是排出了体外。如果 把药物做成纳米级颗粒 以后，会有助于药物的吸收。
在介入治疗当中也非常有作用，比如食道镜，胃镜检测对人的损伤很痛苦。如果用 纳米 技术生产 微小检测探头,只有一个药丸大小，可以从口吞下。在腰带上别一个像手机机大小的接收机，
当微小检测探头进到人的食道、肠道、胃里以后，它不断向外发射信息，把它在里面观察到图像传送出来，这时你就可以知道，
食道、肠道、胃里边的内部结构，就不需要非常痛苦的插入一个非常大的内窥镜检测了。
美国波士顿大学化学家罗斯,凯利研制成了 人造分子发动机 。
该研究有助于科学家们了解生物机体在原子水平上的运动过程，
有助于医生们了解因分子发动机出现故障而发生的疾病。如不孕症，呼吸系统、消化系统、代谢系统、遗传性等疾病。
纳米技术能够使生物的反应运动方式和酶工程发生重大变化。
人们可以按照自己的意愿培育生物新品种。
利用纳米技术可制造医用 纳米“潜艇”或机器人,让它在人的血管中漫游，进行巡逻和检查，并将发现的“敌人”歼灭，或对机体内的细胞组织进行修复、清除动脉粥样硬化斑块等。
我国南京希科集团利用纳米技术将银制成尺度在纳米量级的超细小微粒（直径为 100纳米左右），然后使其附着于棉织物上，
制成了一种新的医用敷料 —— 纳米银长效广谱抗菌棉 。它对临床常见的外科感染细菌有较好的抑制作用。
纳米银香皂纳米银清洁剂香港生产“纳米银颗粒”
可有效抑制乙肝病毒复制。
（ 3）纳米显微学随着对扫描隧道显微镜（ STM）原理及检测技术的推广，
进一步促成了原子力显微镜（ AFM）和近场光学显微镜（ SNOM）
等的发明。现在以 STM,AFM和 SNOM为代表的高分辨率显微镜已经形成一类新的显微成像技术 —— 扫描探针显微术 。这类显微镜统称为扫描探针显微镜（ SPM）。其特点是采用一个极小的探针（针尖一般在纳米尺度）在样品表面极小的距离内移动，同时获得样品表面信息。 SPM不仅可以帮助人们认识纳米世界，还可以帮助人们制造纳米材料，进行纳米微加工，甚至原子操纵等。北京大学电子系 薛增泉 领导的科研小组，用单壁碳纳米管做出了世界上最细、
性能最好的扫描探针，
获得了精美的热解石墨的原子形貌图像。
(石墨电极图片 ）
（ 4）纳米机械学纳米机械学是一门具有巨大发展潜力的纳米技术科学。
1986年，著名科学家埃里克．德雷克斯勒就已经预言，采用纳米技术可以制成只有分子大小的可自我复制的机器，它可以做任何你想做的事。这种分子机器将取代传统的机械加工，用一桶一桶的原料，一个分子一个分子地制造出包括计算机和汽车在内的各种东西。利用纳米技术可以对原子进行组合，可以进行纳米微加工，制造出微型机电设备。利用纳米加工技术和性能优异的纳米材料还可以制造出性能优良的宏观机电设备。
重庆科技人员研制的 OMOM
胶囊内镜系统 纳米机械人,腰围 11mm,身高 25.4mm。内置摄像与信号传输等智能装置，外包无毒耐酸碱塑料，能在体内工作 15小时，为一次性产品。
1990年，美国贝尔实验室制造出 纳米机械人 。它由许多齿轮零件、涡轮机和微电脑等组成，总共才只有跳蚤般大小。
犹他大学研制成功 纳米旋转电机 。
加州大学研制成功 纳米摇摆电机 。
美国华盛顿大学的女科学家维奥拉．福格尔正在研制 纳米火车和铁路 。福格尔的纳米火车是以神经细胞中的驱动蛋白（一种蛋白质长杆）片段为车厢，以牛脑中的驱动蛋白为牵引机车。它可以在特氟隆（聚四氟乙烯）
分子铺成的小轨道上运行，动力是由三磷酸腺苷（ ATP）
分子中的能量提供的。
大规模地生产纳米级设备将有赖于“自组装”技术，
即让原子或分子自行排列而非一个个地把它们安排就位。
（ 5）纳米电子学
1924年,法国物理学家德布罗意就提出了电子具有 粒子性和波动性 两种性质的假说 。 现在，由于特大规模集成电路的发展，
电子的粒子性将被用到极限，而其波动性却表现出了极大的优势。
以电子波动性为基础的纳米电子学是纳米科技的重要组成部分，
也是纳米技术发展的主要动力。
纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型和低功耗的特点 。
应用纳米电子技术，可用单个原子制成开关，制成单电子晶体管、
单电子逻辑器件等。它们能控制单个电子的运动状态（ 而传统的晶体管等元件只能控制群电子的运动状态 ），而且只要控制一个电子的运动状态就可以实现某种预定的效应。这种计算机将小如谷粒，其计算能力可为奔腾芯片的 1000亿倍，处理能力相当于拥有 100个工作站的超级计算机中心。如今物理学家们还能把原子压缩在一起，制成只有分子大小的电子元件,量子井,（ 亦称
,量子点,是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。简略地说，量子点三个维度的尺寸都在 100纳米 (nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著 ）。用于制造超高速、超微型的计算机。
（ 6）纳米材料学用纳米量级的小颗粒组成的固体材料称为纳米材料 。 纳米颗粒的大小最大不超过 100纳米，通常小于 10纳米。纳米材料学主要研究纳米材料的制备、性能和用途等。
纳米固体材料具有一般晶体材料和非晶体材料都不具备的优异特性，例如其硬度、强度、韧性、导电性等都非常高，在磁、
光、声、热等方面的性能都有很大的变化。
纳米固体材料在一定条件下还会出现一些特异的性质：
纳米级尺度的硅会发光；
由纳米晶体组成的钢材，其硬度大幅度提高；
由石墨原子层卷曲成的 碳纳米管 （ 直径一般为几纳米到几十纳米，壁厚仅几纳米 ），其韧性极高，强度比钢铁高 100倍，密度才是钢的 1/6，它还具有非常好的储氢性能。
优良导体的金属，当尺寸减小到几纳米时就成了绝缘体，且各种金属纳米微粒几乎都是黑色；原本不发光的材料，当粒径小于几个纳米时就可以在室温下发射可见光；原来铁磁性的粒子可以变成超顺磁性，矫顽力为零；纳米粒子的熔点急剧下降；由纳米微粒构成的纳米陶瓷有极高的硬度，并在低温下出现良好的延展性。
(7) 纳米技术在航天和航空的开发当器件做得非常小时，它不仅仅是减少体积，它还会减少能耗，因为很多航天、航空的器件需要太阳能电池提供能源，耗能越少就会增加航天器的有效载荷，成指数倍的降低耗能指标，像美国 NASA（国家航空航天局）就希望，航天器采用纳米材料以后，发射费用可以从目前的每磅一万美元，降至二百美元，制造成本也将只需 6万美元做一个航天器，其体积会大大缩小。
（ 8）纳米科技与国家安全纳米电子技术会对国家安全产生非常重要的影响，谁掌握了纳米技术的知识产权和广泛应用，都会处于非常有利的地位。
纳米科技的发展，会给未来战争带来比目前信息技术更大的影响，从战场上的大容量信息，包括数据图像的实时传递，战争的指挥、导弹的预警、核武器的防护，到纳米技术制造的微型侦查装置（苍蝇、蚊子、蚂蚁式间谍）等，都会对国家安全产生非常重要的影响。
美国一个公司预期 纳米科技发展可能经历五个阶段,
第一个阶段 是要准确的 控制原子数量,在 100个以下的纳米结构物质，这需要使用计算机设计制造技术和现有工厂设备，超精密电子装置，这个阶段市场规模大约是五亿美元。
第二个阶段 是生产 纳米结构物质,这个阶段纳米结构物质和纳米复合材料的制造，将达到实用化的水平，其中包括从有机碳酸钙当中，制取的有机纳米材料等，其市场规模，大约在 200亿美元以上。
第三个阶段 就是大量 制造复杂的纳米结构物质,这要求有高级的计算机设计制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等，其市场规模将达到一千亿美元以上。
第四阶段 就是生产 纳米计算机,其市场规模将达到一万亿美元以上。
第 五个阶段 是将研制出能够 制造动力源与程序自律化的元件和装置,其市场规模将达到六万亿美元以上。
预计在 2010年，纳米技术有可能发展到第三个阶段，就是超越量子效应障碍的技术，将达到实用化水平。量子效应障碍就是说由于微电子技术的发展，量子效应会越来越显著，线条宽度越小的话，那么量子效应对微电子技术的发展，会产生技术局限，
或者叫量子效应障碍。
（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极，能极间的间距随颗粒尺寸减少而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能极间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，这就是所谓的,量子效应,。 ）
许多国家，都想争夺纳米技术领域的领先地位，都在实施纳米科技的研发计划，并在不同的方面各有特色。比如：
美国 在纳米结构的组装体系，纳米颗粒制备合成，纳米生物学方面，处于一个领先地位；
欧共体 在纳米器件，纳米仪器，超精度工程等方面具有领先地位；
德国 在分子电子学技术，在纳米材料方面，超薄膜方面有很强优势；
日本 在纳米器件和复合材料方面有较强实力。
据说美国已经开始推动了一个国家级的纳米科技的研究计划，政府投入将近 5亿美元；德国和法国也分别建立了国家级的纳米科技中心，
配备了很多的人，给予了很强的投资。德国有六个研究中心，美国有十几个研究中心。
（ 美国西北大学的纳米研究中心 ）
（ 9）纳米科技与未来战争在未来战争中，利用纳米科技可以成千倍地提高指挥自动化系统处理战场的能力、侦察预警能力和精确打击能力。
纳米技术可以把现代作战飞机上的全部电子系统集成在一块芯片上，其体积和质量大为减少；它能使目前需要车载、机载的电子站系统缩小成可由单兵携带的装置，大大提高电子战的覆盖面；它可将现有的雷达的体积缩小几十倍，而信息处理能力则提高数百倍；采用纳米技术还可以制造纳米侦察卫星（质量小于
0.1克），一枚火箭至少可发射几百颗卫星，覆盖全球。
将纳米军用遥控机器人植入昆虫的神经系统（如美国试制的
“蚂蚁雄兵”），就可以遥控昆虫进入敌人任何要害部门，以搜集情报，杀伤敌人或干扰破坏敌人的电子系统。
以色列研制的,仿生黄蜂,
生物武器 ——
身材以纳米计的恐怖分子
（ 10）纳米科技走进生活将肉眼看不见的纳米计算机织入衣服，当洗衣服时计算机就会告诉水温应该多高才合适；将纳米杀菌材料涂敷在洗衣机缸内，
可以达到杀菌的目的；将具有人的大脑思维智能的纳米机器人用于生产劳动中，可减轻劳动强度，提高劳动生产率，改变劳动方式；将纳米材料加入润滑油中，可减少机机械零件的磨损，延长其寿命。
新研制成功的纳米金、纳米银溶液，抗菌性、安全性、毒性已通过美国 FDA认证，已应用于生活日用品、食品、饮品、纺织、
室内空气净化类产品等，包括香皂牙刷保鲜盒、抗菌除痘美容护肤品和抗菌解毒解酒饮品、抗菌布料衣服袜子擦洗品。
最近把纳米新技术应用到室内空气污染治理产品中，清除甲醛、苯等效果非凡。目前房屋装修中的甲醛超标严重，国内涂料达到环保要求的基本没有，假冒伪劣涂料充斥市场，白血病患者很多都与过度装修有关。
（ 要美观不要健康 ）
（ 11）我国纳米技术的发展。
我国在 90年代就已经通过攀登计划，科学院的部门，基金委就投入了一些钱，来资助纳米科技研究，跟发达国家相比，有很大的差距。 国内很多大学，科学院成立了一些研究中心，把纳米材料，纳米科学的进展，作为十五规划当中科技进步和创新的一个重要任务。
我国目前成吨级以上的纳米粉体的生产线已经有将近 20条，
现在不完全统计，有 300多家企业从事所谓纳米科技的发展，当然 90％以上都是小企业，民办企业比较多。我们国家希望能够建成若干具有国际一流水平的科研创新基地，大幅度提高纳米科技的创新能力，能够形成一批具有市场竞争力的骨干企业。
中科院苏州纳米研究所奠基
我们要围绕国家目标，加强基地建设，同时要把基础研究和应用研究相结合，要以市场需求为导向，加强应用技术的开发，
促进产业化，同时还要注重知识产权的保护，尤其在纳米器件方面，国外申请了很多专利，在这方面我国应该特别注重知识产权的保护，不要再过几年以后，我们自己开发出的新技术，已经被国外的专利技术所涵盖。
国家现在已经成立了国家纳米科技指导协调委员会，来加强对纳米科技研究与开发的领导与协调，同时准备实施国家纳米科技专项行动计划，这有助于调动各方面积极性，集中精力和条件，
能够在某一方面取得重要突破。
清华纳米技术研究所第六章 纳米技术 思考题
1.宏观世界和 微观世界分别指的是什么？
2,1纳米 =（ ）米，某同学身高 1.7米，合多少纳米，
人的头发丝直径约为 0.07～ 0.1mm，头发丝
（ ）分之一约为 1纳米。
3,DNA分子是（ ）结构 。
4.什么是纳米加工技术？
5.简述纳米材料主要分为哪几种类型。
6.若把铜或铝，加工成纳米量级颗粒，会产生什么样的性质，有什么用处？
7.想象一下“纳米机器人”有哪些用处？
8.什么是纳米材料？
9.纳米电子器件具有什么样的特点？
10.纳米科技在生物医学方面有哪些用武之地？
第六节、基因技术
1.生物工程科学界预言,21世纪是一个基因工程世纪。 基因工程是在分子水平对生物遗传作人为干预,它是生物工程的一部分。
生物工程是以生物学 (特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学 )的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能，短期内创造出具有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”
或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术。
生物工程的基础是现代生命科学、技术科学和信息科学。生物工程的主要产品是为社会提供大量优质发酵产品，例如生化药物、化工原料、能源、生物防治剂以及食品和饮料，还可以为人类提供治理环境、提取金属、临床诊断、基因治疗和改良农作物品种等社会服务。
生物工程主要有基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程等 5个部分生物工程的应用领域非常广泛，包括农业、工业、医学、药物学、能源、环保、冶金、化工原料等。它必将对人类社会的政治、经济、军事和生活等方面产生巨大的影响，为世界面临的资源、环境和人类健康等问题的解决提供美好的前景。
2.基因工程基因工程就是人们对生物基因进行改造，利用生物生产人们想要的特殊产品。
随着 DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前，生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密，
而是开始设想在分子水平上去干预生物的遗传特性。
美国的 吉尔伯特 是碱基排列分析法的创始人，他率先支持人类基因组工程。如果将一种生物的 DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的 DNA链上去，将 DNA重新组织一下，就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型。
这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同，它很像技术科学的工程设计，即按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就被称为“基因工程”，或者称之为,遗传工程” 。
3.人类基因工程走过的主要历程：
—— 1866年，奥地利遗传学家孟德尔神父发现生物的遗传基因规律；
—— 1868年，瑞士生物学家弗里德里希发现细胞核内存有酸性和蛋白质两个部分。酸性部分就是后来的所谓的 DNA；
—— 1882年，德国胚胎学家瓦尔特弗莱明在研究蝾螈细胞时发现细胞核内的包含有大量的分裂的线状物体，也就是后来的染色体；
—— 1944年，美国科研人员证明 DNA是大多数有机体的遗传原料，而不是蛋白质；
—— 1953年，美国生化学家华森和英国物理学家克里克宣布他们发现了 DNA的双螺旋结果，奠下了基因工程的基础；
—— 1980年，第一只经过基因改造的老鼠诞生；
—— 1996年，第一只克隆羊诞生；
—— 1999年，美国科学家破解了人类第 22组基因排序列图；未来的计划是可以根据基因图有针对性地对有关病症下药。
4.人类基因组研究它是一项生命科学的基础性研究。有科学家把基因组图谱看成是指路图，或化学中的元素周期表；也有科学家把基因组图谱比作字典，但不论是从哪个角度去阐释，破解人类自身基因密码，以促进人类健康、预防疾病、延长寿命，其应用前景都是极其美好的。 人类 10万个基因的信息 以及相应的染色体位置被破译后，破译人类和动植物的基因密码，为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。将成为医学和生物制药产业知识和技术创新的源泉。
科学研究证明，一些困扰人类健康的主要疾病，例如心脑血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等都与基因有关。依据已经破译的基因序列和功能，找出这些基因并针对相应的病变区位进行药物筛选，甚至基于已有的基因知识来设计新药，就能“有的放矢”
地修补或替换这些病变的基因，从而根治顽症。基因药物将成为
21世纪医药中的耀眼明星。 基因研究不仅能够为筛选和研制新药提供基础数据，也为利用基因进行检测、预防和治疗疾病提供了可能。 比如，有同样生活习惯和生活环境的人，由于具有不同基因序列，对同一种病的易感性就大不一样。明显的例子有，同为吸烟人群，有人就易患肺癌，有人则不然。
医生会根据各人不同的基因序列给予因人而异的指导，使其养成科学合理的生活习惯，最大可能地预防疾病。
信息技术的发展改变了人类的生活方式，而基因工程的突破将帮助人类延年益寿。目前，一些国家人口的平均寿命已突破 80
岁，中国也突破了 70岁。有科学家预言，随着癌症、心脑血管疾病等顽症的有效攻克，到 2050年，人类的平均寿命将达到 90至
95岁。
人类将挑战生命科学的极限。 1953年 2月的一天，英国科学家弗朗西斯 ·克里克宣布：我们已经发现了生命的秘密。他发现
DNA是一种存在于细胞核中的双螺旋分子，决定了生物的遗传。
破译人类和动植物的基因密码，为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。 1987年，美国科学家提出了“人类基因组计划”，目标是确定人类的全部遗传信息，确定人的基因在 23对染色体上的具体位置，查清每个基因核苷酸的顺序，建立人类基因库。 1999年，人的第 22对染色体的基因密码被破译，“人类基因组计划”迈出了成功的一步。可以预见，在今后的四分之一世纪里，科学家们就可能揭示人类大约 5000种基因遗传病的致病基因，从而为癌症、糖尿病、心脏病、血友病等致命疾病找到基因疗法。
DNA结构示意图 （ 双螺旋的螺距为 3.6nm，直径为 2.0nm。碱基对层间的距离为 0.34nm)
5.转基因与克隆技术继 2000年 6月 26日科学家公布人类基因组“工作框架图”
之后，中、美、日、德、法、英等 6国科学家和美国塞莱拉公司于 2001年 2月 12日联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。这次公布的人类基因组图谱是在原“工作框架图”的基础上，经过整理、分类和排列后得到的，它更加准确、清晰、完整。人类基因组蕴涵有人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息，破译它将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索带来一场革命。人类基因组图谱及初步分析结果的公布将对生命科学和生物技术的发展起到重要的推动作用。
基因工程在 20世纪取得了两大的进展：一是转基因动植物，
一是克隆技术。 转基因动植物由于植入了新的基因，使得动植物具有了原先没有的全新的性状，这引起了一场农业革命。如今，
转基因技术已经开始广泛应用，如抗虫西红柿、抗虫棉、生长迅速的鲫鱼、转基因大豆等。 1997年世界十大科技突破之首是 克隆羊 的诞生。这只叫“多利”母绵羊是第一只通过 无性繁殖 产生的哺乳动物，它完全秉承了给予它细胞核的那只母羊的遗传基因。
今后人可以在年轻时为自己克隆必要的重要器官备用。
6.基因治疗随着人类对基因研究的不断深入，发现许多疾病是由于基因结构与功能发生改变所引起的。科学家将不仅能发现有缺陷的基因，而且还能掌握如何进行对基因诊断、修复、治疗和预防，这是生物技术发展的前沿。这项成果将给人类的健康和生活带来不可估量的利益。
所谓基因治疗是指用基因工程的技术方法，将正常的基因转入病患者的细胞中，以取代病变基因，从而表达所缺乏的产物，
或者通过关闭或降低异常表达的基因等途径，达到治疗某些遗传病的目的。
目前，已发现的遗传病有 6500多种，其中由单基因缺陷引起的就有约 3000多种。
基因治疗的最新进展是即将用 基因枪技术 于基因治疗。其方法是将特定的 DNA用改进的基因枪技术导入小鼠的肌肉、肝脏、
脾、肠道和皮肤获得成功的表达。这一成功预示着人们未来可能利用基因枪传送药物到人体内的特定部位，以取代传统的接种疫苗，并用基因枪技术来治疗遗传病。
目前，科学家们正在研究的是胎儿基因疗法。如果现在的实验疗效得到进一步确证的话，就有可能将胎儿基因疗法扩大到其它遗传病，以防止出生患遗传病症的新生儿，从而从根本上提高后代的健康水平。
7.基因工程药物研究基因工程药物，是重组 DNA的表达产物。 广义的说，凡是在药物生产过程中涉及用基因工程的，都可以成为基因工程药物。
在这方面的研究具有十分诱人的前景。
基因工程药物研究的开发重点是从蛋白质类药物，如 胰岛素,
人生长激素,促红细胞生成素 等的分子蛋白质，转移到寻找较小分子蛋白质药物。这是因为蛋白质的分子一般都比较大，不容易穿过细胞膜，因而影响其药理作用的发挥，而小分子药物在这方面就具有明显的优越性。另一方面对疾病的治疗思路也开阔了，
从单纯的用药发展到用基因工程技术或基因本身作为治疗手段。
基因工程药物 --α-干扰素 （ IFN）
干扰素是一种细胞因子，它是机体感染病毒时，宿主细胞通过抗病毒应答反应，而产生的一组结构类似、功能相近的低分子糖蛋白。干扰素是 1957年英国科学家发现的。他们把灭活的流感病毒作用于小鸡细胞，结果发现这些细胞产生了一种可溶性物质，这种物质能抑制流感病毒，并且能干扰其它病毒的繁殖，因此，他们将这种物质称为“干扰素”。以后科学家们进一步发现，机体对入侵的异种核酸（包括病毒）都产生干扰素以进行防御。当机体细胞受到病毒感染时，机体细胞产生干扰素，干扰病毒复制，它是机体抗病毒感染的防御系统。
α-干扰素具有三大功能：（ 1）抗病毒作用,这是干扰素最重要的也是应用最广的作用。干扰素是通过抑制病毒复制和调节机体免疫功能，从而发挥抗病毒作用。是治疗慢性乙肝的首选抗病毒药物，
是治疗丙肝的唯一有效抗病毒药物。 （ 2）抗肿瘤作用,α-干扰素是临床上应用最广的治疗肿瘤的细胞因子。它通过直接抗肿瘤细胞增殖和调节机体免疫功能发挥抗肿瘤作用。 （ 3）免疫调节作用,
α-干扰素通过调节机体的免疫功能，从而间接地发挥抗病毒作用和抗肿瘤作用。
8.农作物新品种的培育科学家们在利用基因工程技术改良农作物方面已取得重大进展，一场新的绿色革命近在眼前。这场新的绿色革命的一个显著特点就是生物技术、农业、食品和医药行业将融合到一起。
基因技术的突破使科学家们得以用传统育种专家难以想象的方式改良农作物。例如，基因技术可以使农作物自己释放出杀虫剂（抗虫棉），可以使农作物种植在旱地或盐碱地上，可以使一般农作物产生如同大豆的根瘤菌，
起到固氮作用（ 根瘤菌所固定的氮供大豆一生需氮量的 1/3～ 1/2，且残留土壤相当部分 ），或者生产出营养更丰富的食品。科学家们还在开发可以生产出能够防病的疫苗和食品的农作物。
基因技术也使开发农作物新品种的时间大为缩短。利用传统的育种方法，需要七、八年时间才能培育出一个新的植物品种，基因工程技术使研究人员可以将任何一种基因注入到一种植物中，从而培育出一种全新的农作物品种，时间则缩短一半。
9.分子进化工程的研究分子进化工程 借助于人工合成或生物表达的手段，制造大量的变异体，根据需要，给予适当的选择条件，从大量的变异体中筛选出目标分子，从而在几天甚至几小时之内实现自然界可能需要成千上万年才能产生的选择，是继蛋白质工程之后的第三代基因工程。它通过在试管里对以核酸为主的多分子体系施以选择的压力，模拟自然中生物进化历程，以达到创造新基因、
新蛋白质的目的。
这 需要三个步骤，即扩增、突变和选择 。 扩增是使所提取的遗传信息 DNA片段分子获得大量的拷贝；突变是在基因水平上施加压力，使 DNA片段上的碱基发生变异，这种变异为选择和进化提供原料；选择是在表型水平上通过适者生存，不适者淘汰的方式固定变异。 这三个过程紧密相连缺一不可。
现在，科学家已应用此方法，通过试管里的定向进化，获得了能抑制凝血酶活性的 DNA分子，这类 DNA具有抗凝血作用，
它有可能代替溶解血栓的蛋白质药物，来治疗心肌梗塞、脑血栓等疾病。
10.我国基因研究的成果以破译人类基因组全部遗传信息为目的的科学研究，是当前国际生物医学界攻克的前沿课题之一。据介绍，这项研究中最受关注的是对人类疾病相关基因和具有重要生物学功能基因的克隆分离和鉴定，以此获得对相关疾病进行基因治疗的可能性和生产生物制品的权利。
目前，我国在蛋白基因的突变研究、血液病的基因治疗、食管癌研究、分子进化理论、白血病相关基因的结构研究等项目的基础性研究上，有的成果已处于国际领先水平，有的已形成了自己的技术体系。而 乙肝疫苗、重组 α型干扰素、重组人红细胞生成素，以及转基因动物的药物 生产等十多个基因工程药物，均已进入了产业化阶段。
11.基因技术：进退两难的境地和两面性的特征基因作物在舆论界引发争议不足为怪，但在同属发达世界的大西洋两岸，转基因技术的待遇迥然不同。当美国 40%的农田种植了经过基因改良的作物、消费者大都泰然自若地购买转基因食品时，此类食品在欧洲却遭遇一浪高过一浪的喊打之声。转基因食品是否对人的身体健康造成危害目前尚无定论。
中国的大豆油市场，现在基本上已被国外的,转基因大豆油”
所垄断，东北的优质大豆油很少能在市场上找到，中国的大豆种植受到摧残性的破坏。中国的食用油企业大多数被外资所控制。
生物技术在许多领域正在发挥越来越重要的作用：遗传工程产品在农业领域无孔不入，遗传工程作物开始在美国农业中占有重要位置；生物技术在医学领域取得显著进展，已有一些遗传工程药物取代了常规药物，医学界在几方面从基因研究中获利；克隆技术的进展为拯救濒危物种及探索多种人类疾病的治疗方法提供了前所未有的机会。目前研究人员正准备将生物技术推进到更富挑战性的领域。 （ 据法新社报道，法国女科学家布里吉特 〃 布瓦瑟利耶透露，第二名克隆婴儿 2003年在荷兰诞生，是个女孩，其“父母”是一对荷兰女同性恋者。）
今天，人们借助于所谓的 DNA切片已能同时研究上百个遗传基质。随着对人类遗传物质分析的结束，人们开始集中所有的手段对人的其他部分遗传物质的优缺点进行有系统地研究。但是，
生物学的发展也有其消极的一面：它容易为种族主义提供新的遗传学方面的依据，（ 希特勒要灭绝犹太人 ）对新的遗传学持批评态度的人总喜欢描绘出一幅可怕的景象：没完没了的测试、操纵和克隆、毫无感情的士兵、基因很完美的工厂工人 …… 遗传密码使基因研究人员能深入到人们的内心深处，并给他们提供了操纵生命的工具。
2000年 6月 26日，由美、英、日、法、德、中六国共同参与的国际人类基因组计划合作组织宣布人类基因组工作框架图已经完成,90%的基因组序列已被测定； 2001年 2月 12日，六国科学家又进一步公布了人类基因组图谱的研究结果，初步确定 人类基因总数为 3,5万个左右 。现在，“基因”这一生命最本质信息的研究，正以前所未有的气势，领导着世界科学技术发展潮流，生命科学和生物技术对整个社会的发展正在产生越来越深远的影响。
世界上许多落后的国家仍受着饥饿的威胁，目前，世界上有
8亿人没足够的粮食。所以，基因工程技术的发展对解决人类面临的粮食危机具有重要意义。人类基因组计划的组织者之一、诺贝尔奖获得者，美国遗传学家、詹姆斯 · 沃森评价道：“遗传学和分子生物学的研究和应用，正不断取得令人震惊的进步。随着新技术的发展，确实产生了许多伴随而来的社会上、经济上、道德上值得思考的问题。但是，如果我们就此止步不前，不能不说是一种愚蠢的错误。不能因为害怕滥用而停止克隆研究,克隆人是对克隆技术的滥用,应该阻止，但这项技术本身应该获得发展。
美国马萨诸塞州的生物技术公司 2001年 11月 25日成功克隆出人类胚胎，在克隆人的技术上迈出了重要一步 。
第六章 科技集锦思考题
1.微观世界是指哪些粒子？
2.
宏观世界 就是说我们 人类的肉眼可以分辨出来的物体，大至宇宙及宇宙的深处。
微观世界指的是原子、分子、中子、质子，夸克等。
纳米 是一个长度单位 。
1025米大约十亿光年，这个范围是我们人类目前已经观测到的宇宙大致的范围；
1021米大约是十万光年，在这个范围可以看到银河系的全貌；
1014次方米是一千亿公里，可以看到冥王星的完整轨道；
107米是一万公里，在航天飞机上可以分辨出地球的一部；,
103米是一公里，从飞机上可以看到分辨城市建筑物的排列、街道、田野；
到 101米是十米，那么我们就可以看到足球场上运动员；
如果说我们把我们目光聚焦在运动员的腿部，膝盖，继续缩小我们的观测范围，到 10－ 2次方米一个厘米，就可以看到他腿上汗毛孔了，皮肤表面的皱纹就可以看到。
10－ 4米，是一百个微米，就可以分辨细胞，细胞大小在十几个微米；
10－ 6米是一个微米，可以看到染色体当中，聚集着染色质；
10－ 7米，是一百个纳米，可以分辨染色质的两个部分；
10－ 9米，是 1纳米，可以分辨出 DNA里边的分子结构；
10－ 10米，可以看到电子云笼罩下的原子的轮廓；
10－ 13米，从整体上可以分辨出原子核；
10－ 14米，就可以看到原子核当中的质子和中子，原子核是由质子和中子组成的；
10－ 15米，就可以分辨出 组成质子和中子的夸克,六个夸克组成原子核；
10－ 16方米，可以进一步看清夸克；
二、纳米科技的产生用一个长度单位把宏观的宇宙深处，一直到构成物质最基本的粒子，夸克都可以连接起来。 1纳米是 10－ 9米,十亿分一之米，
是一毫米的一百万分之一，如果用纳米作为单位，则身高 1.7米的人为 17亿纳米，一个红细胞得几千个纳米。人的头发丝直径约
0.07～ 0.1mm，头发丝一百万分之一约为 1纳米。
DNA分子是双螺旋结构,螺旋直径 2nm，螺旋周期包含 10
对碱基，螺距 3.4nm，相邻碱基对平面的间距 0.34nm。氢原子是最小的原子，氢原子的直径大概 0.1nm,10个氢原子排成一条线就是一个纳米长。一寸直尺对折 29次，大约为一个纳米长。
纳米科技是指在纳米的尺度上来研究物质的特性和相互作用，
包括原子分子的操纵。
纳米科技使人类认识和改造物质世界的手段和能力，延伸到原子和分子,纳米科技的重要意义有两个方面：
① 纳米科技可以促使人类的认知革命，
② 纳米科技的发展，会带来一场产业革命。
宏观理论研究宇宙天体、人类生活的空间及物体，有很多的理论，包括牛顿力学、天文学、地球物理、物理学、地质学等。
微观理论研究分子、原子、粒子有量子理论、高能物理、粒子物理、基本粒子等。
当我们回顾 20世纪科技的发展的时候，大家都公认，量子论和相对论的诞生，奠定了现在通讯、信息技术的理论基础。 1953
年建立的 DNA的双螺旋结构模型，是一个分子的结构模型，它奠定了现在分子生物学的基础。没有 DNA螺旋结构模型，就没有我们今天的基因技术、转基因技术等。
纳米科技引发工业革命的最主要的驱动力是来源于信息产业，
我们对生命科学的研究,DNA蛋白质、生物分子马达，它们都在纳米的尺寸上，所以说 纳米科技的发展，是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础。
纳米科技不仅仅是一个未来高新技术的问题，它也可以促进传统产业的技术改造，纳米技术现在已经渗透到一些传统的产业中去，已经形成了相当的市场规模。
如纳米食品、纳米药品、纳米纤维服装、纳米涂料,纳米丝、
纳米管、纳米电缆、纳米薄膜、纳米水、纳米材料冰箱、纳米自洁玻璃和瓷砖、纳米陶瓷、纳米油漆、纳米级存储器、纳米塑料、
纳米级微粉录像带。 （ 登天梯用碳纳米管制作 ）
罗雷尔博士（左一）参观哈尔滨工业大学机器人研究所诺贝尔奖获得者 罗雷尔
（ Heniroler）指出：许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义，但我确信纳米科技现在已具有与 150年前微米科技所具有的希望和重要意义。
150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家，都在工业发展中占据了巨大的优势，同样，
未来的技术，将属于那些明智接受纳米作为新标准，并首先学习和使用它的国家，我们应当记住，微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要 。
罗雷尔博士,微米技术改变了农业的工作方式，产生了拖拉机、旋耕机、播种机、联合收割机等农业机械化机器。 纳米科技的概念最早提出来，是诺贝尔奖获得者物理学家理查德 ·费因曼,他是美国加州理工学院的教授，他 1959年做了一个很激动人心的演讲。他说现在加工材料制造产品，都是从大做到小，比如我们要加工一个桌子，需要把大树锯成板材，分割成各种形状的木板并刨光，最后再组合成桌子。若加工生产一个机械零件，则需要把大块钢材分割成毛坯，然后再进行车、磨、洗、刨的加工，
这些都是从大往小里做，要浪费很多材料。世界上任何东西，都是由原子分子组成的，包括我们人类自身、空气、海洋、桌子、
麦克风、茶水、食物等都是原子分子组成的。
宇宙间一切产品都是原子分子组成的，我们就能够 通过一个一个的把原子堆放在一起，把原子分子就像用砖盖房子那样，加工成任何形状的产品，这就是 纳米加工技术。
用纳米材料加工产品，既节约资源，又节省劳动力，还没有污染，环保节能。因为你需要什么我就拿什么做，效率高，质量好，不浪费原材料。
20世纪 70年代后期，美国麻省理工学院的德雷克斯勒，提倡纳米科技的研究，通过原子分子组装来制备装置。
1990年，第一届国际的纳米科技会议在美国巴尔第摩召开，
与第五届的国际扫描隧道显微学的会议同时举办，纳米技术专业的学术刊物,纳米技术,在 1990年创刊。
美国巴尔第摩哥伦布海洋科学研究中心
1996年在北京召开了第四届纳米科技的国际会议,
在纳米尺度上，这种多学科的交叉性，展现了巨大的生命力，迅速的形成了一个具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。
三、纳米科技的应用领域第一个是纳米材料；第二个是纳米装置，第三个是纳米区域的探测、研究和表征分析。
1.纳米材料是纳米科技的基础，它的主要类型分为四类：
（ 1） 纳米颗粒与纳米分体,即颗粒或者粉体都在纳米的量级。
（ 2） 纳米管、线材料,在一个方向为纳米量级，如碳纳米管，
直径在纳米量级，但非常长。纳米线，纳米硅是一维的纳米材料。
（ 3） 纳米薄膜,纳米薄膜分成两个方面，一个是纳米的颗粒膜，即颗粒大小都在纳米量级，表面上构成一层膜；另外一种膜就是纳米的层状膜，
就是涂层的厚度在纳米的量级。
（ 4） 纳米块材,就是把纳米的材料给压制成一个整体的，宏观上看着跟一块一块一样的东西，这是纳米块层，
2.纳米材料的性能纳米材料 与传统的材料相比有非常大的不同，有的是传统材料所没有的，有的是较传统材料的特性有了很显著的提高。比如纳米金属固体的硬度,一般要比 传统的粗晶材料，要 硬 3到 5倍 ；
纳米固体铁的断裂应力，比常规的铁材料会提高近 12倍 ； 纳米的固体铜，比一般的铜材料的热扩散增强近 一倍 ；纳米的磁性金属的磁化率，是普通磁性金属的 20倍 。
当材料品质不变，仅把它做成一个 纳米量级,它的很多性能就发生了非常重要的显著的改变。比如,铜或者铝,宏观上的样子我们都知道，但是如果你把铜和铝给加工成纳米颗粒时候，它自己就会燃烧起来，会发生爆炸，跟铜和铝的宏观性质就不一样了，故它可以作为 火箭推行剂的燃料 。
陶瓷耐高温，有很好的硬度，但它易碎，掉在地上会摔碎。
若把陶瓷的颗粒做成纳米量级，或者在里面掺杂一些纳米量级的颗粒，它就具有很高的硬度和耐高温，同时掉在地上也不会摔碎。
纳米陶瓷发动机，可以耐高温，不必像现在的发动机，需要水的冷却，其热效率会显著提高。
纳米氧化物,可以在电场作用下改变颜色，不同光，不同电场，
就改变为不同的颜色，可以做丰富多彩的广告牌。
纳米氧化物在催化及环境保护方面，也有广泛的应用前景。如用纳米的二氧化钛，可以广泛的应用于防晒霜化妆品中，因为纳米级二氧化钛，可以吸收紫外线。另外它还可以做轿车金属色的面漆，
可以做高压绝缘材料等。
纳米二氧化钛具有催化性质，它可以降解汽车尾气，日本已经在高速公路的两侧，在公路的隧道之内，设置了涂有二氧化钛的光催化板来防止汽车尾气。当汽车尾气遇到催化板时，二氧化钛就把汽车尾气催化，变成另外一种无毒的物质。
自清洁纳米材料的 重要的应用：
① 汽车玻璃，后视镜，窗户玻璃经常脏，涂上纳米自清洁材料以后，有灰尘落上去，下雨时或用水一冲，灰尘就会马上掉落下来，
且冲洗完后玻璃上不会留下一圈一圈的水印。
② 纳米瓷砖,具有自清洁效果，厨房污渍，用抹布一擦，光亮如新。
③ 纳米衣服,具有自清洁的功能，可以减少洗衣服的次数。
自然界中的荷叶，出污泥而不染，表面不沾上水，就是其表面具有微小的纳米结构。
纳米塑料瓶。 一般塑料瓶可以装可乐，装雪碧，装矿泉水，
但是塑料瓶不能装啤酒，啤酒要用玻璃瓶装，但容易爆炸伤人。
为何不能拿塑料瓶装啤酒，因为塑料瓶氧气透过率比较高，一般塑料瓶装啤酒后，容易变质。但是纳米的塑料瓶可以有效隔绝氧气的透过，故可以装啤酒，据说美国已经有这种纳米的塑料瓶装啤酒。我们国家的化学所已经做出了这种材料，已出口到日本去。
但我国目前还不能把它作为装啤酒的塑料瓶，因为吹纳米塑料瓶的技术是美国人的专利。
纳米尼龙材料可以做帘子线，做薄膜 等，还可做纳米的管材，
具有自阻燃的特性，有些纳米的材料它自己烧不起来，不能燃烧。
许多火灾中人是被有毒气体熏死的，而不是真正烧死的。塑料的东西燃烧以后，会产生有毒的气体。如果室内装饰材料不燃烧，
就不会产生火灾，造成巨大危害。
（ 1993年 2月 14日，唐山林西百货大楼发生特大火灾，烧死营业员和顾客 80人，烧伤 55人 ）。
3.纳米器件纳米科技会带来一场产业革命，很重要一个因素是来源于信息产业对它的需求，器件的发展，是非常重要的。如果我们到了纳米时代，对于人类的生活和生产方式，会产生这样深刻而广泛的影响，纳米时代到来的标志，就是纳米器件的研制水平和应用程度。
将来用纳米材料做纳米器件，制成 纳米机器人,可以到患者的血管里头爬行，将血管内壁的胆固醇清除掉，或者给你进行微小的手术治疗。（ 如肠梗阻，不再需要开刀做手术，机器人钻到肠子里就可以进行清障操作，快捷、方便，还无痛苦，节省医疗费用 ）分子马达是非常重要和环保的器件，因为分子马达不需要外接电力就能工作。
用 纳米器件制成的计算机,其计算能力可以提高上千倍，所需功率仅是目前电子计算机的百万分之一。
纳米级的光电信息材料 可以使通讯带宽增强百倍，利用纳米技术可以使信息存储量成千倍的提高。
4,纳米科技前景展望纳米技术在显微学、机械学、电子学、材料学、环境与能源、医学与健康、航天与航空、生物技术、国家安全、人民生活等方面具有广阔的应用前景。
（ 1） 环境和能源。
发展绿色能源和环境处理技术，来减少污染或者恢复被破坏的环境，用纳米技术，可以去除水和空气当中极小颗粒的污染物质。
利用纳米技术能够制造出低能耗的各种机电设备。
如单电子晶体管所需的电力可降低到通常晶体管的十万分之一。
利用纳米技术可以开发出新的能源，大幅度提高能源供给量。科学家们发现,碳纳米管是 一种优异的 储氢材料,利用它可以制做燃料电池来驱动汽车。
（ 2）纳米科技用于生物医学现在的药物吃完以后，许多成分并没有被吸收，而是排出了体外。如果 把药物做成纳米级颗粒 以后，会有助于药物的吸收。
在介入治疗当中也非常有作用，比如食道镜，胃镜检测对人的损伤很痛苦。如果用 纳米 技术生产 微小检测探头,只有一个药丸大小，可以从口吞下。在腰带上别一个像手机机大小的接收机，
当微小检测探头进到人的食道、肠道、胃里以后，它不断向外发射信息，把它在里面观察到图像传送出来，这时你就可以知道，
食道、肠道、胃里边的内部结构，就不需要非常痛苦的插入一个非常大的内窥镜检测了。
美国波士顿大学化学家罗斯,凯利研制成了 人造分子发动机 。
该研究有助于科学家们了解生物机体在原子水平上的运动过程，
有助于医生们了解因分子发动机出现故障而发生的疾病。如不孕症，呼吸系统、消化系统、代谢系统、遗传性等疾病。
纳米技术能够使生物的反应运动方式和酶工程发生重大变化。
人们可以按照自己的意愿培育生物新品种。
利用纳米技术可制造医用 纳米“潜艇”或机器人,让它在人的血管中漫游，进行巡逻和检查，并将发现的“敌人”歼灭，或对机体内的细胞组织进行修复、清除动脉粥样硬化斑块等。
我国南京希科集团利用纳米技术将银制成尺度在纳米量级的超细小微粒（直径为 100纳米左右），然后使其附着于棉织物上，
制成了一种新的医用敷料 —— 纳米银长效广谱抗菌棉 。它对临床常见的外科感染细菌有较好的抑制作用。
纳米银香皂纳米银清洁剂香港生产“纳米银颗粒”
可有效抑制乙肝病毒复制。
（ 3）纳米显微学随着对扫描隧道显微镜（ STM）原理及检测技术的推广，
进一步促成了原子力显微镜（ AFM）和近场光学显微镜（ SNOM）
等的发明。现在以 STM,AFM和 SNOM为代表的高分辨率显微镜已经形成一类新的显微成像技术 —— 扫描探针显微术 。这类显微镜统称为扫描探针显微镜（ SPM）。其特点是采用一个极小的探针（针尖一般在纳米尺度）在样品表面极小的距离内移动，同时获得样品表面信息。 SPM不仅可以帮助人们认识纳米世界，还可以帮助人们制造纳米材料，进行纳米微加工，甚至原子操纵等。北京大学电子系 薛增泉 领导的科研小组，用单壁碳纳米管做出了世界上最细、
性能最好的扫描探针，
获得了精美的热解石墨的原子形貌图像。
(石墨电极图片 ）
（ 4）纳米机械学纳米机械学是一门具有巨大发展潜力的纳米技术科学。
1986年，著名科学家埃里克．德雷克斯勒就已经预言，采用纳米技术可以制成只有分子大小的可自我复制的机器，它可以做任何你想做的事。这种分子机器将取代传统的机械加工，用一桶一桶的原料，一个分子一个分子地制造出包括计算机和汽车在内的各种东西。利用纳米技术可以对原子进行组合，可以进行纳米微加工，制造出微型机电设备。利用纳米加工技术和性能优异的纳米材料还可以制造出性能优良的宏观机电设备。
重庆科技人员研制的 OMOM
胶囊内镜系统 纳米机械人,腰围 11mm,身高 25.4mm。内置摄像与信号传输等智能装置，外包无毒耐酸碱塑料，能在体内工作 15小时，为一次性产品。
1990年，美国贝尔实验室制造出 纳米机械人 。它由许多齿轮零件、涡轮机和微电脑等组成，总共才只有跳蚤般大小。
犹他大学研制成功 纳米旋转电机 。
加州大学研制成功 纳米摇摆电机 。
美国华盛顿大学的女科学家维奥拉．福格尔正在研制 纳米火车和铁路 。福格尔的纳米火车是以神经细胞中的驱动蛋白（一种蛋白质长杆）片段为车厢，以牛脑中的驱动蛋白为牵引机车。它可以在特氟隆（聚四氟乙烯）
分子铺成的小轨道上运行，动力是由三磷酸腺苷（ ATP）
分子中的能量提供的。
大规模地生产纳米级设备将有赖于“自组装”技术，
即让原子或分子自行排列而非一个个地把它们安排就位。
（ 5）纳米电子学
1924年,法国物理学家德布罗意就提出了电子具有 粒子性和波动性 两种性质的假说 。 现在，由于特大规模集成电路的发展，
电子的粒子性将被用到极限，而其波动性却表现出了极大的优势。
以电子波动性为基础的纳米电子学是纳米科技的重要组成部分，
也是纳米技术发展的主要动力。
纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型和低功耗的特点 。
应用纳米电子技术，可用单个原子制成开关，制成单电子晶体管、
单电子逻辑器件等。它们能控制单个电子的运动状态（ 而传统的晶体管等元件只能控制群电子的运动状态 ），而且只要控制一个电子的运动状态就可以实现某种预定的效应。这种计算机将小如谷粒，其计算能力可为奔腾芯片的 1000亿倍，处理能力相当于拥有 100个工作站的超级计算机中心。如今物理学家们还能把原子压缩在一起，制成只有分子大小的电子元件,量子井,（ 亦称
,量子点,是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。简略地说，量子点三个维度的尺寸都在 100纳米 (nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著 ）。用于制造超高速、超微型的计算机。
（ 6）纳米材料学用纳米量级的小颗粒组成的固体材料称为纳米材料 。 纳米颗粒的大小最大不超过 100纳米，通常小于 10纳米。纳米材料学主要研究纳米材料的制备、性能和用途等。
纳米固体材料具有一般晶体材料和非晶体材料都不具备的优异特性，例如其硬度、强度、韧性、导电性等都非常高，在磁、
光、声、热等方面的性能都有很大的变化。
纳米固体材料在一定条件下还会出现一些特异的性质：
纳米级尺度的硅会发光；
由纳米晶体组成的钢材，其硬度大幅度提高；
由石墨原子层卷曲成的 碳纳米管 （ 直径一般为几纳米到几十纳米，壁厚仅几纳米 ），其韧性极高，强度比钢铁高 100倍，密度才是钢的 1/6，它还具有非常好的储氢性能。
优良导体的金属，当尺寸减小到几纳米时就成了绝缘体，且各种金属纳米微粒几乎都是黑色；原本不发光的材料，当粒径小于几个纳米时就可以在室温下发射可见光；原来铁磁性的粒子可以变成超顺磁性，矫顽力为零；纳米粒子的熔点急剧下降；由纳米微粒构成的纳米陶瓷有极高的硬度，并在低温下出现良好的延展性。
(7) 纳米技术在航天和航空的开发当器件做得非常小时，它不仅仅是减少体积，它还会减少能耗，因为很多航天、航空的器件需要太阳能电池提供能源，耗能越少就会增加航天器的有效载荷，成指数倍的降低耗能指标，像美国 NASA（国家航空航天局）就希望，航天器采用纳米材料以后，发射费用可以从目前的每磅一万美元，降至二百美元，制造成本也将只需 6万美元做一个航天器，其体积会大大缩小。
（ 8）纳米科技与国家安全纳米电子技术会对国家安全产生非常重要的影响，谁掌握了纳米技术的知识产权和广泛应用，都会处于非常有利的地位。
纳米科技的发展，会给未来战争带来比目前信息技术更大的影响，从战场上的大容量信息，包括数据图像的实时传递，战争的指挥、导弹的预警、核武器的防护，到纳米技术制造的微型侦查装置（苍蝇、蚊子、蚂蚁式间谍）等，都会对国家安全产生非常重要的影响。
美国一个公司预期 纳米科技发展可能经历五个阶段,
第一个阶段 是要准确的 控制原子数量,在 100个以下的纳米结构物质，这需要使用计算机设计制造技术和现有工厂设备，超精密电子装置，这个阶段市场规模大约是五亿美元。
第二个阶段 是生产 纳米结构物质,这个阶段纳米结构物质和纳米复合材料的制造，将达到实用化的水平，其中包括从有机碳酸钙当中，制取的有机纳米材料等，其市场规模，大约在 200亿美元以上。
第三个阶段 就是大量 制造复杂的纳米结构物质,这要求有高级的计算机设计制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等，其市场规模将达到一千亿美元以上。
第四阶段 就是生产 纳米计算机,其市场规模将达到一万亿美元以上。
第 五个阶段 是将研制出能够 制造动力源与程序自律化的元件和装置,其市场规模将达到六万亿美元以上。
预计在 2010年，纳米技术有可能发展到第三个阶段，就是超越量子效应障碍的技术，将达到实用化水平。量子效应障碍就是说由于微电子技术的发展，量子效应会越来越显著，线条宽度越小的话，那么量子效应对微电子技术的发展，会产生技术局限，
或者叫量子效应障碍。
（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极，能极间的间距随颗粒尺寸减少而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能极间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，这就是所谓的,量子效应,。 ）
许多国家，都想争夺纳米技术领域的领先地位，都在实施纳米科技的研发计划，并在不同的方面各有特色。比如：
美国 在纳米结构的组装体系，纳米颗粒制备合成，纳米生物学方面，处于一个领先地位；
欧共体 在纳米器件，纳米仪器，超精度工程等方面具有领先地位；
德国 在分子电子学技术，在纳米材料方面，超薄膜方面有很强优势；
日本 在纳米器件和复合材料方面有较强实力。
据说美国已经开始推动了一个国家级的纳米科技的研究计划，政府投入将近 5亿美元；德国和法国也分别建立了国家级的纳米科技中心，
配备了很多的人，给予了很强的投资。德国有六个研究中心，美国有十几个研究中心。
（ 美国西北大学的纳米研究中心 ）
（ 9）纳米科技与未来战争在未来战争中，利用纳米科技可以成千倍地提高指挥自动化系统处理战场的能力、侦察预警能力和精确打击能力。
纳米技术可以把现代作战飞机上的全部电子系统集成在一块芯片上，其体积和质量大为减少；它能使目前需要车载、机载的电子站系统缩小成可由单兵携带的装置，大大提高电子战的覆盖面；它可将现有的雷达的体积缩小几十倍，而信息处理能力则提高数百倍；采用纳米技术还可以制造纳米侦察卫星（质量小于
0.1克），一枚火箭至少可发射几百颗卫星，覆盖全球。
将纳米军用遥控机器人植入昆虫的神经系统（如美国试制的
“蚂蚁雄兵”），就可以遥控昆虫进入敌人任何要害部门，以搜集情报，杀伤敌人或干扰破坏敌人的电子系统。
以色列研制的,仿生黄蜂,
生物武器 ——
身材以纳米计的恐怖分子
（ 10）纳米科技走进生活将肉眼看不见的纳米计算机织入衣服，当洗衣服时计算机就会告诉水温应该多高才合适；将纳米杀菌材料涂敷在洗衣机缸内，
可以达到杀菌的目的；将具有人的大脑思维智能的纳米机器人用于生产劳动中，可减轻劳动强度，提高劳动生产率，改变劳动方式；将纳米材料加入润滑油中，可减少机机械零件的磨损，延长其寿命。
新研制成功的纳米金、纳米银溶液，抗菌性、安全性、毒性已通过美国 FDA认证，已应用于生活日用品、食品、饮品、纺织、
室内空气净化类产品等，包括香皂牙刷保鲜盒、抗菌除痘美容护肤品和抗菌解毒解酒饮品、抗菌布料衣服袜子擦洗品。
最近把纳米新技术应用到室内空气污染治理产品中，清除甲醛、苯等效果非凡。目前房屋装修中的甲醛超标严重，国内涂料达到环保要求的基本没有，假冒伪劣涂料充斥市场，白血病患者很多都与过度装修有关。
（ 要美观不要健康 ）
（ 11）我国纳米技术的发展。
我国在 90年代就已经通过攀登计划，科学院的部门，基金委就投入了一些钱，来资助纳米科技研究，跟发达国家相比，有很大的差距。 国内很多大学，科学院成立了一些研究中心，把纳米材料，纳米科学的进展，作为十五规划当中科技进步和创新的一个重要任务。
我国目前成吨级以上的纳米粉体的生产线已经有将近 20条，
现在不完全统计，有 300多家企业从事所谓纳米科技的发展，当然 90％以上都是小企业，民办企业比较多。我们国家希望能够建成若干具有国际一流水平的科研创新基地，大幅度提高纳米科技的创新能力，能够形成一批具有市场竞争力的骨干企业。
中科院苏州纳米研究所奠基
我们要围绕国家目标，加强基地建设，同时要把基础研究和应用研究相结合，要以市场需求为导向，加强应用技术的开发，
促进产业化，同时还要注重知识产权的保护，尤其在纳米器件方面，国外申请了很多专利，在这方面我国应该特别注重知识产权的保护，不要再过几年以后，我们自己开发出的新技术，已经被国外的专利技术所涵盖。
国家现在已经成立了国家纳米科技指导协调委员会，来加强对纳米科技研究与开发的领导与协调，同时准备实施国家纳米科技专项行动计划，这有助于调动各方面积极性，集中精力和条件，
能够在某一方面取得重要突破。
清华纳米技术研究所第六章 纳米技术 思考题
1.宏观世界和 微观世界分别指的是什么？
2,1纳米 =（ ）米，某同学身高 1.7米，合多少纳米，
人的头发丝直径约为 0.07～ 0.1mm，头发丝
（ ）分之一约为 1纳米。
3,DNA分子是（ ）结构 。
4.什么是纳米加工技术？
5.简述纳米材料主要分为哪几种类型。
6.若把铜或铝，加工成纳米量级颗粒，会产生什么样的性质，有什么用处？
7.想象一下“纳米机器人”有哪些用处？
8.什么是纳米材料？
9.纳米电子器件具有什么样的特点？
10.纳米科技在生物医学方面有哪些用武之地？
第六节、基因技术
1.生物工程科学界预言,21世纪是一个基因工程世纪。 基因工程是在分子水平对生物遗传作人为干预,它是生物工程的一部分。
生物工程是以生物学 (特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学 )的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能，短期内创造出具有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”
或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有代谢产物或发挥它们独特生理功能的一门新兴技术。
生物工程的基础是现代生命科学、技术科学和信息科学。生物工程的主要产品是为社会提供大量优质发酵产品，例如生化药物、化工原料、能源、生物防治剂以及食品和饮料，还可以为人类提供治理环境、提取金属、临床诊断、基因治疗和改良农作物品种等社会服务。
生物工程主要有基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程等 5个部分生物工程的应用领域非常广泛，包括农业、工业、医学、药物学、能源、环保、冶金、化工原料等。它必将对人类社会的政治、经济、军事和生活等方面产生巨大的影响，为世界面临的资源、环境和人类健康等问题的解决提供美好的前景。
2.基因工程基因工程就是人们对生物基因进行改造，利用生物生产人们想要的特殊产品。
随着 DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前，生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密，
而是开始设想在分子水平上去干预生物的遗传特性。
美国的 吉尔伯特 是碱基排列分析法的创始人，他率先支持人类基因组工程。如果将一种生物的 DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的 DNA链上去，将 DNA重新组织一下，就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型。
这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同，它很像技术科学的工程设计，即按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就被称为“基因工程”，或者称之为,遗传工程” 。
3.人类基因工程走过的主要历程：
—— 1866年，奥地利遗传学家孟德尔神父发现生物的遗传基因规律；
—— 1868年，瑞士生物学家弗里德里希发现细胞核内存有酸性和蛋白质两个部分。酸性部分就是后来的所谓的 DNA；
—— 1882年，德国胚胎学家瓦尔特弗莱明在研究蝾螈细胞时发现细胞核内的包含有大量的分裂的线状物体，也就是后来的染色体；
—— 1944年，美国科研人员证明 DNA是大多数有机体的遗传原料，而不是蛋白质；
—— 1953年，美国生化学家华森和英国物理学家克里克宣布他们发现了 DNA的双螺旋结果，奠下了基因工程的基础；
—— 1980年，第一只经过基因改造的老鼠诞生；
—— 1996年，第一只克隆羊诞生；
—— 1999年，美国科学家破解了人类第 22组基因排序列图；未来的计划是可以根据基因图有针对性地对有关病症下药。
4.人类基因组研究它是一项生命科学的基础性研究。有科学家把基因组图谱看成是指路图，或化学中的元素周期表；也有科学家把基因组图谱比作字典，但不论是从哪个角度去阐释，破解人类自身基因密码，以促进人类健康、预防疾病、延长寿命，其应用前景都是极其美好的。 人类 10万个基因的信息 以及相应的染色体位置被破译后，破译人类和动植物的基因密码，为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。将成为医学和生物制药产业知识和技术创新的源泉。
科学研究证明，一些困扰人类健康的主要疾病，例如心脑血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等都与基因有关。依据已经破译的基因序列和功能，找出这些基因并针对相应的病变区位进行药物筛选，甚至基于已有的基因知识来设计新药，就能“有的放矢”
地修补或替换这些病变的基因，从而根治顽症。基因药物将成为
21世纪医药中的耀眼明星。 基因研究不仅能够为筛选和研制新药提供基础数据，也为利用基因进行检测、预防和治疗疾病提供了可能。 比如，有同样生活习惯和生活环境的人，由于具有不同基因序列，对同一种病的易感性就大不一样。明显的例子有，同为吸烟人群，有人就易患肺癌，有人则不然。
医生会根据各人不同的基因序列给予因人而异的指导，使其养成科学合理的生活习惯，最大可能地预防疾病。
信息技术的发展改变了人类的生活方式，而基因工程的突破将帮助人类延年益寿。目前，一些国家人口的平均寿命已突破 80
岁，中国也突破了 70岁。有科学家预言，随着癌症、心脑血管疾病等顽症的有效攻克，到 2050年，人类的平均寿命将达到 90至
95岁。
人类将挑战生命科学的极限。 1953年 2月的一天，英国科学家弗朗西斯 ·克里克宣布：我们已经发现了生命的秘密。他发现
DNA是一种存在于细胞核中的双螺旋分子，决定了生物的遗传。
破译人类和动植物的基因密码，为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。 1987年，美国科学家提出了“人类基因组计划”，目标是确定人类的全部遗传信息，确定人的基因在 23对染色体上的具体位置，查清每个基因核苷酸的顺序，建立人类基因库。 1999年，人的第 22对染色体的基因密码被破译，“人类基因组计划”迈出了成功的一步。可以预见，在今后的四分之一世纪里，科学家们就可能揭示人类大约 5000种基因遗传病的致病基因，从而为癌症、糖尿病、心脏病、血友病等致命疾病找到基因疗法。
DNA结构示意图 （ 双螺旋的螺距为 3.6nm，直径为 2.0nm。碱基对层间的距离为 0.34nm)
5.转基因与克隆技术继 2000年 6月 26日科学家公布人类基因组“工作框架图”
之后，中、美、日、德、法、英等 6国科学家和美国塞莱拉公司于 2001年 2月 12日联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。这次公布的人类基因组图谱是在原“工作框架图”的基础上，经过整理、分类和排列后得到的，它更加准确、清晰、完整。人类基因组蕴涵有人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息，破译它将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索带来一场革命。人类基因组图谱及初步分析结果的公布将对生命科学和生物技术的发展起到重要的推动作用。
基因工程在 20世纪取得了两大的进展：一是转基因动植物，
一是克隆技术。 转基因动植物由于植入了新的基因，使得动植物具有了原先没有的全新的性状，这引起了一场农业革命。如今，
转基因技术已经开始广泛应用，如抗虫西红柿、抗虫棉、生长迅速的鲫鱼、转基因大豆等。 1997年世界十大科技突破之首是 克隆羊 的诞生。这只叫“多利”母绵羊是第一只通过 无性繁殖 产生的哺乳动物，它完全秉承了给予它细胞核的那只母羊的遗传基因。
今后人可以在年轻时为自己克隆必要的重要器官备用。
6.基因治疗随着人类对基因研究的不断深入，发现许多疾病是由于基因结构与功能发生改变所引起的。科学家将不仅能发现有缺陷的基因，而且还能掌握如何进行对基因诊断、修复、治疗和预防，这是生物技术发展的前沿。这项成果将给人类的健康和生活带来不可估量的利益。
所谓基因治疗是指用基因工程的技术方法，将正常的基因转入病患者的细胞中，以取代病变基因，从而表达所缺乏的产物，
或者通过关闭或降低异常表达的基因等途径，达到治疗某些遗传病的目的。
目前，已发现的遗传病有 6500多种，其中由单基因缺陷引起的就有约 3000多种。
基因治疗的最新进展是即将用 基因枪技术 于基因治疗。其方法是将特定的 DNA用改进的基因枪技术导入小鼠的肌肉、肝脏、
脾、肠道和皮肤获得成功的表达。这一成功预示着人们未来可能利用基因枪传送药物到人体内的特定部位，以取代传统的接种疫苗，并用基因枪技术来治疗遗传病。
目前，科学家们正在研究的是胎儿基因疗法。如果现在的实验疗效得到进一步确证的话，就有可能将胎儿基因疗法扩大到其它遗传病，以防止出生患遗传病症的新生儿，从而从根本上提高后代的健康水平。
7.基因工程药物研究基因工程药物，是重组 DNA的表达产物。 广义的说，凡是在药物生产过程中涉及用基因工程的，都可以成为基因工程药物。
在这方面的研究具有十分诱人的前景。
基因工程药物研究的开发重点是从蛋白质类药物，如 胰岛素,
人生长激素,促红细胞生成素 等的分子蛋白质，转移到寻找较小分子蛋白质药物。这是因为蛋白质的分子一般都比较大，不容易穿过细胞膜，因而影响其药理作用的发挥，而小分子药物在这方面就具有明显的优越性。另一方面对疾病的治疗思路也开阔了，
从单纯的用药发展到用基因工程技术或基因本身作为治疗手段。
基因工程药物 --α-干扰素 （ IFN）
干扰素是一种细胞因子，它是机体感染病毒时，宿主细胞通过抗病毒应答反应，而产生的一组结构类似、功能相近的低分子糖蛋白。干扰素是 1957年英国科学家发现的。他们把灭活的流感病毒作用于小鸡细胞，结果发现这些细胞产生了一种可溶性物质，这种物质能抑制流感病毒，并且能干扰其它病毒的繁殖，因此，他们将这种物质称为“干扰素”。以后科学家们进一步发现，机体对入侵的异种核酸（包括病毒）都产生干扰素以进行防御。当机体细胞受到病毒感染时，机体细胞产生干扰素，干扰病毒复制，它是机体抗病毒感染的防御系统。
α-干扰素具有三大功能：（ 1）抗病毒作用,这是干扰素最重要的也是应用最广的作用。干扰素是通过抑制病毒复制和调节机体免疫功能，从而发挥抗病毒作用。是治疗慢性乙肝的首选抗病毒药物，
是治疗丙肝的唯一有效抗病毒药物。 （ 2）抗肿瘤作用,α-干扰素是临床上应用最广的治疗肿瘤的细胞因子。它通过直接抗肿瘤细胞增殖和调节机体免疫功能发挥抗肿瘤作用。 （ 3）免疫调节作用,
α-干扰素通过调节机体的免疫功能，从而间接地发挥抗病毒作用和抗肿瘤作用。
8.农作物新品种的培育科学家们在利用基因工程技术改良农作物方面已取得重大进展，一场新的绿色革命近在眼前。这场新的绿色革命的一个显著特点就是生物技术、农业、食品和医药行业将融合到一起。
基因技术的突破使科学家们得以用传统育种专家难以想象的方式改良农作物。例如，基因技术可以使农作物自己释放出杀虫剂（抗虫棉），可以使农作物种植在旱地或盐碱地上，可以使一般农作物产生如同大豆的根瘤菌，
起到固氮作用（ 根瘤菌所固定的氮供大豆一生需氮量的 1/3～ 1/2，且残留土壤相当部分 ），或者生产出营养更丰富的食品。科学家们还在开发可以生产出能够防病的疫苗和食品的农作物。
基因技术也使开发农作物新品种的时间大为缩短。利用传统的育种方法，需要七、八年时间才能培育出一个新的植物品种，基因工程技术使研究人员可以将任何一种基因注入到一种植物中，从而培育出一种全新的农作物品种，时间则缩短一半。
9.分子进化工程的研究分子进化工程 借助于人工合成或生物表达的手段，制造大量的变异体，根据需要，给予适当的选择条件，从大量的变异体中筛选出目标分子，从而在几天甚至几小时之内实现自然界可能需要成千上万年才能产生的选择，是继蛋白质工程之后的第三代基因工程。它通过在试管里对以核酸为主的多分子体系施以选择的压力，模拟自然中生物进化历程，以达到创造新基因、
新蛋白质的目的。
这 需要三个步骤，即扩增、突变和选择 。 扩增是使所提取的遗传信息 DNA片段分子获得大量的拷贝；突变是在基因水平上施加压力，使 DNA片段上的碱基发生变异，这种变异为选择和进化提供原料；选择是在表型水平上通过适者生存，不适者淘汰的方式固定变异。 这三个过程紧密相连缺一不可。
现在，科学家已应用此方法，通过试管里的定向进化，获得了能抑制凝血酶活性的 DNA分子，这类 DNA具有抗凝血作用，
它有可能代替溶解血栓的蛋白质药物，来治疗心肌梗塞、脑血栓等疾病。
10.我国基因研究的成果以破译人类基因组全部遗传信息为目的的科学研究，是当前国际生物医学界攻克的前沿课题之一。据介绍，这项研究中最受关注的是对人类疾病相关基因和具有重要生物学功能基因的克隆分离和鉴定，以此获得对相关疾病进行基因治疗的可能性和生产生物制品的权利。
目前，我国在蛋白基因的突变研究、血液病的基因治疗、食管癌研究、分子进化理论、白血病相关基因的结构研究等项目的基础性研究上，有的成果已处于国际领先水平，有的已形成了自己的技术体系。而 乙肝疫苗、重组 α型干扰素、重组人红细胞生成素，以及转基因动物的药物 生产等十多个基因工程药物，均已进入了产业化阶段。
11.基因技术：进退两难的境地和两面性的特征基因作物在舆论界引发争议不足为怪，但在同属发达世界的大西洋两岸，转基因技术的待遇迥然不同。当美国 40%的农田种植了经过基因改良的作物、消费者大都泰然自若地购买转基因食品时，此类食品在欧洲却遭遇一浪高过一浪的喊打之声。转基因食品是否对人的身体健康造成危害目前尚无定论。
中国的大豆油市场，现在基本上已被国外的,转基因大豆油”
所垄断，东北的优质大豆油很少能在市场上找到，中国的大豆种植受到摧残性的破坏。中国的食用油企业大多数被外资所控制。
生物技术在许多领域正在发挥越来越重要的作用：遗传工程产品在农业领域无孔不入，遗传工程作物开始在美国农业中占有重要位置；生物技术在医学领域取得显著进展，已有一些遗传工程药物取代了常规药物，医学界在几方面从基因研究中获利；克隆技术的进展为拯救濒危物种及探索多种人类疾病的治疗方法提供了前所未有的机会。目前研究人员正准备将生物技术推进到更富挑战性的领域。 （ 据法新社报道，法国女科学家布里吉特 〃 布瓦瑟利耶透露，第二名克隆婴儿 2003年在荷兰诞生，是个女孩，其“父母”是一对荷兰女同性恋者。）
今天，人们借助于所谓的 DNA切片已能同时研究上百个遗传基质。随着对人类遗传物质分析的结束，人们开始集中所有的手段对人的其他部分遗传物质的优缺点进行有系统地研究。但是，
生物学的发展也有其消极的一面：它容易为种族主义提供新的遗传学方面的依据，（ 希特勒要灭绝犹太人 ）对新的遗传学持批评态度的人总喜欢描绘出一幅可怕的景象：没完没了的测试、操纵和克隆、毫无感情的士兵、基因很完美的工厂工人 …… 遗传密码使基因研究人员能深入到人们的内心深处，并给他们提供了操纵生命的工具。
2000年 6月 26日，由美、英、日、法、德、中六国共同参与的国际人类基因组计划合作组织宣布人类基因组工作框架图已经完成,90%的基因组序列已被测定； 2001年 2月 12日，六国科学家又进一步公布了人类基因组图谱的研究结果，初步确定 人类基因总数为 3,5万个左右 。现在，“基因”这一生命最本质信息的研究，正以前所未有的气势，领导着世界科学技术发展潮流，生命科学和生物技术对整个社会的发展正在产生越来越深远的影响。
世界上许多落后的国家仍受着饥饿的威胁，目前，世界上有
8亿人没足够的粮食。所以，基因工程技术的发展对解决人类面临的粮食危机具有重要意义。人类基因组计划的组织者之一、诺贝尔奖获得者，美国遗传学家、詹姆斯 · 沃森评价道：“遗传学和分子生物学的研究和应用，正不断取得令人震惊的进步。随着新技术的发展，确实产生了许多伴随而来的社会上、经济上、道德上值得思考的问题。但是，如果我们就此止步不前，不能不说是一种愚蠢的错误。不能因为害怕滥用而停止克隆研究,克隆人是对克隆技术的滥用,应该阻止，但这项技术本身应该获得发展。
美国马萨诸塞州的生物技术公司 2001年 11月 25日成功克隆出人类胚胎，在克隆人的技术上迈出了重要一步 。
第六章 科技集锦思考题
1.微观世界是指哪些粒子？
2.
