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1 引 言 磁性纳米粒子是近年来发展起来的一种新型材料,因其具有独特的磁学特性,如超顺磁性和高矫顽力,在生物分离和检测领域展现了广阔的应用前景[1]。同时,因磁性氧化铁纳米粒子具有小尺寸效应、良好的磁导向性、生物相容性、生物降解性和活性功能基团等特点[2~4], 在核磁共振成像、靶向药物、酶的固定、免疫测定等生物医学领域表现出潜在的应用前景[5~7]。但由于其较高的比表面积,强烈的聚集倾向,所以通常对其表面进行修饰,降低粒子的表面,能得到分散性好、多功能的磁性纳米粒子。对磁性纳米粒子的表面进行特定修饰,如果在修饰后的粒子上引入靶向剂、药物分子、抗体、荧光素等多种生物分子,可以改善其分散稳定性和生物相容性, 以实现特定的生物医学应用。此外,适当的表面修饰或表面功能化还可以调节磁性纳米粒子表面的反应活性[8],从而使其应用在细胞分离、蛋白质纯化、核酸分离和生物检测等领域。本文介绍了磁性氧化铁纳米粒子的制备方法, 比较了各种制备方法的优缺点,并对其在生物分离及检测中应用的最新进展进行了评述。 2 磁性氧化铁纳米粒子的合成方法 磁性纳米粒子的制备是其应用的基础。目前已发展了多种合成和制备方法,如共沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法和微乳液法等,上述方法均可制备高分散、粒度分布均匀的纳米粒子,并能方便地对其表面进行化学修饰,这些方法的优点和缺点见表1。 在这些合成方法当中,共沉淀法是水相合成氧化铁纳米粒子最常用的方法。该方法制备的磁性纳米颗粒具有粒径小,分散均匀,高度生物相容性等优点,但制得的颗粒存在形状不规则,结晶差等缺点。通过在反应体系中加入柠檬酸,可得到形状规则、分散性好的纳米粒子。利用这种方法合成的磁性纳米材料被广泛应用在生物化学及生物医学等领域[9]。微乳液法制备纳米粒子,产物均匀、单分散,可长期保持稳定,通过控制胶束、结构、极性等,可望从分子规模来控制粒子的大小、结构、特异性等。微乳液合成的磁性纳米粒子仅溶于有机溶剂,其应用受到限制。通常需要在磁性纳米粒子的表面修饰上亲水分子,使其溶于水,从而能应用于生物、医学等领域。 热分解法是有机相合成氧化铁纳米粒子最多也是最稳定的方法。利用热分解法制备的纳米Fe3O4颗粒产物具有好的单分散性,且呈疏水性,可以长期稳定地分散于非极性有机溶剂中。该方法合成的氧化铁纳米粒子虽然具有粒径均一的特点,但必须在其表面偶联亲水性及生物相容性好的生物分子或制备成核壳结构,才可用于生物医学领域。表1 磁性氧化铁纳米粒子的制备方法(略) 此外,绿色化学和生物方法合成氧化铁纳米粒子也备受关注[28,29]。磁性氧化铁纳米粒子除具有的表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应等纳米粒子基本特性外,它同时还具有超顺磁特性、类酶催化特性和生物相容性等特殊性质,因此在医学和生物技术领域中的应用引起了人们的广泛兴趣。 3 磁性氧化铁纳米材料在生物分离与生物检测的应用 1 磁性氧化铁纳米材料在生物分离的应用 磁性氧化铁纳米粒子可以通过外界磁场来控制纳米粒子的磁性能,从而达到分离的目的,如细胞分离[30,31]、蛋白分离[32] 和核酸分离[33]等。此外磁性氧化铁纳米粒子由于兼有纳米、磁学和类酶催化活性等性能,不仅能够实现被检测物的分离和富集,而且能够使检测信号放大,在生物分析领域也都具有很好的应用前景[34,35]。磁性纳米粒子(MNP)能够应用于这些领域主要基于它的表面化学修饰,包括非聚合物有机固定、聚合物有机固定、无机分子固定及靶向配体修饰等[36](图1)。纳米粒子表面功能化修饰是目前研究的热点。 1 磁性氧化铁纳米材料在细胞分离方面的应用 细胞分离技术的目的是快速获得所需目标细胞。传统细胞分离技术主要根据细胞的大小、形态以及密度的差异进行分离,如采用微滤、超滤以及超离心等方法。这些方法操作简单,但是特异性差,而且存在纯度不高、制备量偏小、影响细胞活性等缺点,因此未能被广泛地用于细胞的纯化研究[37]。近年来,随着对磁性纳米粒子研究的深入,人们开始利用磁性纳米粒子来分离细胞[38,39]。如磁性氧化铁纳米粒子在其表面接上具有生物活性的吸附剂或配体(如抗体、荧光物质、外源凝结素等),利用它们与目标细胞的特异性结合,在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对其种类、数量分布进行研究。张春明等[40]运用化学连接方法将单克隆抗体CD133连接到SiO2/Fe3O4复合粒子的表面得到免疫磁性Fe3O4纳米粒子,利用它分离出单核细胞和CD133细胞。经培养后可以看出,分离出来的CD133细胞与单核细胞一样,具有很好的活性,能够正常增殖形成集落,并且在整个分离过程中对细胞的形态以及活性没有明显的毒副作用,这与Kuhara等[30]]报道的采用磁分离技术分离CD19+和CD20+细胞的结果一致。Chatterjee等[39]采用外源凝结素分别修饰聚苯乙烯包被的磁性Fe3O4微球和白蛋白磁性微球,利用凝结素与红细胞良好的结合能力,快速、高效的分离了红细胞。此外,磁性粒子在分离癌细胞和正常细胞方面的动物实验也已获得成功。 2 磁性氧化铁纳米材料在蛋白质和核酸分离中的应用 利用传统的生物学技术(如溶剂萃取技术等)来分离蛋白质和核酸程序非常繁杂,而磁分离技术是分离蛋白、核酸及其他生物分子便捷而有效的方法。目前在外磁场作用下,超顺磁性氧化铁纳米粒子已广泛应用于蛋白质和核酸的分离。 Liu等[41]利用聚乙烯醇等表面活性剂存在下制备出共聚磁性高分子微球,表面用乙二胺修饰后用于分离鼠腹水抗体,得到很好的分离效果。Xu等[42]在磁性氧化铁纳米粒子表面偶联多巴胺分子,用于多种蛋白质的分离纯化。多巴胺分子具有二齿烯二醇配体,它可以与氧化铁纳米粒子表面配位不饱和的Fe原子配位,形成纳米颗粒多巴胺复合物,此复合物可以进一步偶联次氨基三乙酸分子(NTA),NTA分子可特异螯合Ni+,对于具有6×His标签的蛋白质的分离纯化方面表现出很高的专一性。Liu等[43]用硅烷偶联剂(AEAPS)对核壳结构的SiO2/Fe2O3复合粒子的表面进行处理,研究复合磁性粒子对牛血清白蛋白(BSA)的吸附情况,结果表明BSA与磁性复合粒子之间是通过化学键作用被吸附的,复合粒子对BSA的最大吸附量达86 mg/g,显示出在白蛋白的分离和固定上有很大的应用潜力。Herdt等[44]利用羧基修饰的吸附/解离速度快的核壳型(Fe3O4/PAA)磁性纳米颗粒与Cu2+亚氨基二乙酸(IDA)共价交联,通过Cu2+与组氨酸较强的亲和能力实现了组氨酸标记蛋白的选择性分离,分离过程如图2所示。 磁性纳米粒子也是核酸分子分离的理想载体[45]。DNA/mRNA含有单一碱基错位,它们的富集和分离在人类疾病诊断学、基因表达研究方面有着至关重要的作用。Zhao等[46]合成了一种磁性纳米基因捕获器,用于富集、分离、检测痕量的DNA/mRNA分子。这种材料以磁性纳米粒子为核,包覆一层具有生物相容性的SiO2保护层,表面再偶联抗生素蛋白维生素H分子作为DNA分子的探针,可以将10-15 mol/L DNA/mRNA有效地富集,并能实时监控产物。Tayor等[47]用硅酸钠水解法、正硅酸乙酯水解法制备SiO2/Fe2O3磁性纳米粒子并对DNA进行了分离。结果表明,SiO2功能化的Fe2O3磁性纳米粒子对DNA的吸附分离效果明显好于单独Fe2O3磁性纳米粒子的分离效果,但是其吸附机理有待进一步研究。 2 磁性氧化铁纳米材料在生物检测中的应用 1 基于磁学性能的生物检测 磁性氧化铁纳米粒子因其特有的磁导向性、小尺寸效应及其偶联基团的活性,兼有分离和富集地作用,使其在生物检测领域有广泛的应用。当检测目标为低含量的蛋白分子时,不能通过聚合酶链反应(PCR)对其信号进行放大,而磁微球与有机染料或量子点荧光微球结合可以对某些特异性蛋白、细胞因子、抗原和核酸等进行多元化检测,实现信号放大的作用。Yang等[48]采用一对分子探针分别连接荧光光学条码(彩色)和磁珠(棕色),对DNA(顶端镶板)和蛋白质(底截镶板)生物分子进行目标分析(图3)。如果目标DNA序列或蛋白存在,它将与两个磁珠结合一起,形成了一个三明治结构,经过磁选,光学条码可以在单磁珠识别目标水平下,通过分光光度计或是在流式细胞仪读出。通过此方法检测目标分子是基于数百万个荧光基团组成的微米尺寸光学条码信号的扩增而检测出来,其基因和蛋白的检出限可达到amol/L量级,甚至更低。 Nam等[49]利用多孔微粒法(每个微粒可填充大量条形码DNA)和金纳米微粒为基础的比色法生物条形码检测技术检测了人白细胞介素2(IL2),检出限可达到30 amol/L,比普通的酶联免疫分析技术的灵敏度高3个数量级。Oh等 [50]利用荧光为基础的生物条形码放大方法检测了前列腺特异性抗原(PSA)的水平,其检出限也低于300 amol/L,而且实现了快速检测。 在免疫检测中,磁性纳米粒子作为抗体的固相载体,粒子上的抗体与特性抗原结合,形成抗原抗体复合物,在磁力作用下,使特异性抗原与其它物质分离,克服了放免和酶联免疫测定方法的缺点。这种分离具有灵敏度高、检测速度快、特异性高、重复性好等优点。Yang等[51]通过反相微乳液法制备了粒径很小的SiO2包覆的Fe3O4磁性纳米粒子,生物分子通过诱导这些高单分散的磁性纳米粒子可用于酶的固定和免疫检测。Lange等[52]采用直接或三明治固相免疫法(生物素基化抗IgG抗体和共轭连接链霉素的磁性纳米粒子组成三明治结构)和超导量子干涉法(SQUID),研究它们在确定抗原、抗体相互作用免疫检测中的应用,结果表明特异性键合的磁性纳米颗粒的驰豫信号大小依赖于抗原(人免疫球蛋白G,IgG)的用量,这种磁弛豫(Magnetic relaxation)免疫检测方法得到的结果与广泛使用的ELISA方法的结果相当。 因磁性纳米粒子独特的性能,在生物传感器上也有潜在的应用前景。Fan等[53]在磁珠上偶联被检测物的一级抗体,在金纳米颗粒上连接二级抗体,两者反应后,利用HClNaClBr2将Au氧化为Au3+,催化发光胺(Luminol)化学发光,人免疫球蛋白G(IgG)的检出限可达2 × 10-10 mol/L ,实现了磁性纳米颗粒化学发光免疫结合的方法对IgG进行生物传感分析(图4)。 2 类酶催化特性在生物检测中的应用 Cao等[54]发现Fe3O4磁性纳米粒子能够催化H2O2氧化3,3',5,5'四甲基联苯胺(TMB)、3,3'二氨基联苯胺四盐酸盐(DAB)和邻苯二胺(OPD),使其发生显色反应,具有类辣根过氧化物酶(HRP)活性(图5),而且其催化活性比相同浓度的辣根过氧化物酶高40倍。并且Fe3O4磁性纳米粒子可以运用磁分离手段进行重复性利用,显著降低了生物检测的实验成本,利用此特性可进行多种生物分子的检测。 利用葡萄糖氧化酶(GOx)与Fe3O4磁性纳米粒子催化葡萄糖的反应(见式(1)和(2)),通过比色法检测葡萄糖,其检测的灵敏度达到5×10-5 ~ 1×10-3 mol/L 。由于Fe3O4磁性纳米粒子制备简单、稳定性好、活性高,成本低,因而比普通酶更有竞争优势,这也为葡萄糖的检测提供了高灵敏度和选择性的分析方法,在生物传感领域的应用上展现了巨大的潜能,为糖尿病人疾病的诊断提供了快速、灵敏的检测方法。然而要提高检测灵敏度,合成催化效率高的Fe3O4磁性纳米粒子及多功能磁性纳米粒子是关键。Peng等[56]用电化学方法比较了不同尺寸Fe3O4纳米粒子的催化活性发现,随着尺寸的变小,磁性纳米粒子的催化活性变高。Wang等[57]制备的单分散哑铃型PtFe3O4纳米粒子,由于本身尺寸和结构特点,可更大限度地提高催化活性。本研究组已经合成了分散性好和磁性高的氧化铁纳米粒子并对其进行了表征,利用其磁学和催化特性,已开展了葡萄糖等生物分子的检测,该方法的检出限达到1 μmol/L,具有灵敏度高、操作简便和成本低等优点[58]。 总之,Fe3O4磁性氧化铁纳米粒子不但具有显著的超顺磁性,而且具有类辣根过氧化物酶催化特性,可通过使用过氧化物敏感染料,设计了一系列(如乙肝病毒表面抗原等)的免疫检测模型[59],因此超顺磁性纳米粒子在生物分离和免疫检测领域具有广阔的应用前景。 4 结 语 随着纳米技术的迅速发展,磁性氧化铁纳米粒子的开发及其在生物医学、生物分析、生物检测等领域的潜在应用已经越来越受到重视,但同时也面临很多挑战和问题。(1)构建并制备尺寸小、粒径均一、分散性和生物相容性好及催化性能高的多功能磁性纳米粒子;(2)根据被检测生物分子的特点设计多功能磁性氧化铁纳米粒子,实现高灵敏度、特异性检测;(3)利用纳米氧化铁颗粒作为分子探针进行实时、在线、原位、活体和细胞内生物分子的检测。这些问题不仅是纳米材料在生物分子检测领域应用需要解决的难点,也是目前其进行生物分子检测研究的热点和重点。【参考文献】 1 Perez J M, Simeone F J, Saeki, Y, Josephson L, Weissleder R J A C S, 2003, 125(34): 10192~10193 2 Kim G J, O'Regan R M, Nie S M 2005 27th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2005,17:714~716 3 LIU JunTao(刘军涛), LIU RuPing(刘儒平), WANG MiXia(王蜜霞), LIU ChunXiu(刘春秀), LUO JinPing(罗金平), CAI XinXia(蔡新霞) Chinese J A C(分析化学), 2009, 37(7): 985~988 4 Lang C, Schuler D, Faivre D M B, 2007, 7(2): 144~151 5 Silva G A S N, 2007, 67(2):113~116 6 Corot C, Robert P, Idee J M, Port M A Drug D R, 2006, 58(14): 1471~1504 7 Kohler N, Sun C, Wang J, Zhang M Q L, 2005, 21(19), 8858~8864 8 LI BaoYu(李宝玉) Biomedical Nanomaterials(纳米生物医药材料) Beijing(北京): Chemical Industry Press(化学工业出版社), 2004: 141 9 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我校重大科技成果喜获“国家科学技术奖”近日,2011年度国家科学技术奖评审结果揭晓。由江苏省科技厅推荐,我校与苏州苏大维格光电科技股份有限公司共同合作研发的“大幅面微纳图形制造技术与产业化应用”项目荣获“国家科学技术进步奖二等奖”。“大幅面微纳图形制造技术与产业化应用”由陈林森教授领衔的科研团队经多年的努力研发,该项目解决了大幅面下微纳米结构图形的快速制造难题,提出并自主建立了微结构图形柔性制造生产线,填补了国内空白,提升了我国微纳制造行业的国际竞争力。项目获授权发明专利14项,授权实用新型专利2项,软件著作权5项,发表科研论文40余篇。该项目是我校自2007年以来再次以第一完成单位获得的国家科技奖。同时,今年附属第一医院吴德沛教授与浙江大学合作项目“急性髓细胞白血病生物学特征研究及化疗新方案的创建和推广应用”,苏州大学以第二单位同获“国家科学技术进步奖二等奖”,这两项科技奖项的取得是我校在“十二五”开局之年重大成果方面的突破。
浅谈纳米技术及其在机械工业中的应用摘要:主要介绍了纳米技术的内涵、主要内容及纳米技术在微机械和包装、食品机械工业中的应用,并研究预测了纳米技术在未来机械工业中的发展前景。关键词:纳米技术;微机械;机械工业;发展前景1纳米技术的内涵纳米是长度单位,原称“毫微米”,就是10-9(10亿分之一)米。纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在1~100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科技与众多学科密切相关,它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。若以研究对象或工作性质来区分,纳米科技包括三个研究领域:纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础;纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志;纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点,去设计制造具有特殊功能的产品。2纳米技术的主要内容(1)纳米材料包括制备和表征。在纳米尺度下,物质中电子的放性(量子力学学性质)和原子的相互作用将受到尺度大小的影响,如能得到纳米尺度的结构,就可能控制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至颜色。而不改变物质的化学成份。(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。MEMS使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。(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相互作用的试验,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。(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。“更快”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。3纳米技术在机械工业中的应用3.1纳米技术在微机械领域中的应用随着纳米技术应用途径的不断拓宽,微机械的开发在全世界方兴未艾。例如,进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品,其技术路线可分为两种:一是通过微加工和固态技术,不断将产品微型化;二是以原子、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。3.1.1采用微加工技术制造纳米机械(1)微细加工。日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型精密加工车床(FANUCROBO nano Ui型),可实现5轴控制,数控系统最小设定单位是1nm(10-3μm)。该机床设有编码器半闭环控制,还有激光全息式直线移动的全闭环控制。编码器与电机直联,具有每周6 400万个脉冲的分辨率,每个脉冲相当于坐标轴移动0.2 nm,编码器反馈单位为1/3 nm,故跟踪误差在±1/3 nm以内。直线分辨率为1 nm,跟踪误差在±3 nm以内。CNC装置采用FANUC-16i,实现AInano轮廓控制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服放大器,实现了微细加工。(2)微型机器人。在工业制造领域,微型机器人可以适应精密微细操作,尤其在电子元器件的制造方面。美国迈特公司的研究人员最近设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人,这种机器人的长度约为5mm。研究人员称,假设能利用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小,其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本三菱公司也开发了一种微型工业机器人,该机器人采用了5节闭式连杆机构,以实现手臂的轻量化与高刚性,其动作速度及精度完全可以赶上专用机器人。往复上下方向25 mm,水平方向100 mm的拾取动作,所需时间缩短到0.28 s。另外,通过采用闭式连杆机构与高刚性减速机,实现了比以往机器人高10%的位置重复精度(±5 nm),可适用于精密微细操作。我国在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成绩。据媒体报道,由哈尔滨工业大学研制的机器人,其操作精度达到了纳米级,可以应用于分子生物学基因操作,能够对细胞和染色体进行“手术”,并能在微电子、精密加工等精度要求较高的领域一显身手。(3)微型电机。美国俄亥俄州克利夫西卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实验室,专门研究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电动机,小到只能在显微镜下才能看得见。德国汽车零件制造商博士公司正在研制纳米技术传感器,这种传感器将为人们提供关于汽车上每个零部件在三维空间中运动的精确信息。当微型传感器探测到速度骤减时,就会自动释放安全气囊。3.1.2采用自组装技术制造纳米机械(1)生物器件。以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选作生物芯片,利用蛋白质可制成各种生物分子器件,如开关器件、逻辑电路、存储器、传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇根韦思大学医学院生物分子信息小组,利用细菌视紫红质(简称BR蛋白质)和发光染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子集成膜,这是一种可使分子周围的势场得到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大学也利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。(2)纳米分子电动机。美国IBM公司瑞士苏黎士实验室与瑞士巴塞尔大学的研究人员发现DNA能够被用来弯曲直径不及头发丝的五十分之一的硅原子构成的“悬臂”。上下弯曲,顶端则粘有单股DNA链。DNA自然形成双螺旋结构,双链被分开后,它们会力图重新组合。当研究人员将带有单股DNA链的“悬臂”置于含有与之对应的单股DNA链的溶液中,这两个链就会自动配对结合在一起,小“悬臂”在这种力的作用下开始弯曲。研究人员利用这种生物力学技术制造带有纳米级阀门的微型胶囊(纳米分子电动机)。通过控制这种驱动力来控制阀门的开合,可以将精确剂量的药物传送到身体的需要部位来达到治疗的目的。3.2纳米技术在包装机械领域中的应用采用纳米材科技术对包装机关键零部件(如轴承、齿轮、弹簧等)进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。碳纳米管还具有较高的机械强度和较高的热导率。由于具有非常大的长度—直径比,可以制造出任何复杂形状的零件,是复合材料理想的增强纤维。目前,用价格低廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已走进企业,开始代替金属材料。现代胶印机上应用着很多传感器.如控制飞达纸堆的自动升降、气泵供气时间检测、合压时间检测、空张检测、墨量控制等。纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐磨性和耐蚀性,也可用于制作输送机械和沸腾干燥床关健部件的表面涂层。3.3纳米技术在食品机械领域中的应用纳米SiC、Si3N4在较宽的波长范围内对红外线有较强的吸收作用,可用作红外吸波和透波材料,做成功能性薄膜或纤维。纳米Si3N4非晶块具有从黄光到近红外光的选择性吸收,也可用于特殊窗口材料,以纳米SiO2做成的光纤对600 nm以上波长光的传输损耗小于10 dB/km,以纳米SiO2和纳米TiO2制成的微米级厚的多层干涉膜,透光性好而反射红外线能力强,与传统的卤素灯相比,可节省15%的电能。经研究证明,将30~40 nm的TiO2分散到树脂中制成薄膜,成为对400 nm波长以下的光有强烈吸收能力的紫外线吸收材料,可作为食品杀菌袋和保鲜袋最佳原料。纳米SiO2光催化降解有机物水处理技术无二次污染,除净度高,其优点是:①具有很大的比表面积,可将有机物最大限度地吸附在其表面;②具有更强的紫外线吸收能力,因而具有更强的光催化降解能力,可快速将吸附在其表面的有机物分解掉。这为污水处理量较大的食品企业提供了有力的技术支持。介孔固体和介孔复合体是近年来纳米材料科学领域较引人注目的研究对象,由于这种材料较高的孔隙率(孔洞尺寸为2~50 nm)和较高的比表面,因而在吸附、过滤和催化等方面有良好的应用前景。对纯净水、软饮料等膜过滤和杀菌设备又提供了一个广阔的发展空间。橡胶和塑料是包装和食品机械应用较多的原材料。但通常的橡胶是靠加入炭黑来提高其强度、耐磨性和抗老化性,制品为黑色,不适宜用在食品机械上。纳米材料的问世使这一问题迎刃而解。新的纳米改性橡胶各项指标均有大幅度提高,尤其抗老化性能提高3倍,使用寿命长达30年以上,且色彩艳丽,保色效果优异。普通塑料产量大、应用广、价格低,但性能逊于工程塑料,而工程塑料虽性能优越,但价格高,限制了它在包装和食品机械上的大范围应用。用纳米材料对普通塑料聚丙烯进行改性,达到工程塑料尼龙-6的性能指标,且工艺性能好、成本低,可大量采用。4纳米技术在机械行业中的发展前景(1)机械及汽车工业的滑配原件如:轴承、滑轨上应用纳米陶瓷镀膜能产生超底的磨擦界面,大大减低磨损并能提高负载。(2)塑胶流道的低粘应用:例如T型模、拉丝模、套筒和热胶道,可有效减少积料碳化的产生几率。(3)射出成型时发生的粘模、包封短射、镜面雾化及拖痕均具有革命性的改善,尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润滑,更是任何金属所无法表现的优异性。(4)IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于具有极高的粘着性,因此必须借助大量脱模剂来帮助脱模,纳米陶瓷的荷叶效应可减少脱模剂的使用及模具清理时间。(5)纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使塑胶在模具内的流动性大幅提升,特别是高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚光灯罩等模具应用后对产品的不良率上均有明显的改善。5结语综上所述,纳米技术是近十多年来逐步发展起来的一门前沿性与综合性交叉的新学科,是现代科学和现代技术相结合的产物,它的迅猛发展将引发21世纪新的工业革命。美国商业通讯公司研究报告称,未来五年,用于橡胶产品和油墨生产的碳黑填充料将继续高居纳米材料需求榜首。今后几年,全球纳米材料的需求将以2.7%年增长速度增长,到2010年将达到1 030万t,所以纳米包装具有较大的市场发展潜力。过去,我国机械包装工业的一些先进设备、先进技术,大多是依靠进口。纳米技术的出现,将对我国机械包装行业的技术创新带来新的发展机遇。相信在不远的将来,纳米技术将广泛应用于机械工业的各个领域,它给机械工业带来的变化将是巨大的。参考文献1向春礼.纳米科技及其发展前景[J].新材料产业,2001(4)2王新林.金属功能材料的几个最新发展动向[J].新材料产业,2001(4)3唐苏亚.纳米技术在微机械领域中的应用[J].微电机,2002(5)4万乃建.21世纪数控技术新面貌[J].机械制造,2001(20)5杨大智.智能材料与智能系统[M].天津:天津大学出版社,2000
纳米科技发展态势和特点_(转) 科学界普遍认为,纳米技术是21世纪经济增长的一台主要的发动机,其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌,纳米技术将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。因此,近几年来,纳米科技受到了世界各国尤其是发达国家的极大青睐,并引发了越来越激烈的竞争。 一、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划 由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义,世界各国(地区)纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器,相继制定了发展战略和计划,以指导和推进本国纳米科技的发展。目前,世界上已有50多个国家制定了国家级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划,但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。 (一) 发达国家和地区雄心勃勃 众所周知,为了抢占纳米科技的先机,美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划(NNI),其宗旨是整合联邦各机构的力量,加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月,美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》,这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划,从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。 曰本政府将纳米技术视为“曰本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域,并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源(人才、资金、设备)的落实。之后,曰本科技界较为彻底地贯彻了这一方针,积极推进从基础性到实用性的研发,同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。 欧盟在2002~2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域,有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略,目前已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施:增加研发投入,形成势头;加强研发基础设施;从质和量方面扩大人才资源;重视工业创新,将知识转化为产品和服务;考虑社会因素,趋利避险。另外,包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。 (二) 新兴工业化经济体瞄准先机 意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响,韩国、中国台湾等新兴工业化经济体,为了保持竞争优势,也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》,2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》,随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域,以提升前沿技术和基础技术的水平;到2010年10年计划结束时,韩国纳米技术研发要达到与美国和曰本等领先国家的水平,进入世界前5位的行列。 中国台湾自1999年开始,相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》,这些计划以人才和核心设施建设为基础,以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标,意在引领台湾知识经济的发展,建立产业竞争优势。 (三) 发展中大国奋力赶超 综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头,也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就发布了《国家纳米科技发展纲要》,并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图,确定中国在目前和中长期的研发任务,以便在国家层面上进行指导与协调,集中力量、发挥优势,争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术,南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略,可望在2005年度执行。印对箕府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度,加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。 二、纳米科技研发投入一路攀升 纳米科技已在国际间形成研发热潮,现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家,都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金,而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称,在过去10年里,世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明,全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。 美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内,联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2亿美元增加到2003年的5亿美元,2005年将增加到82亿美元。更重要的是,根据《21世纪纳米技术研究开发法》,在2005~2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元,而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。 曰本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。曰本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究,近年来纳米科技投入迅速增长,从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元,而2004年还将增长20%。 在欧洲,根据第六个框架计划,欧盟对纳米技术的资助每年约达5亿美元,有些人估计可达15亿美元。另有一些人估计,欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国,甚至更高。 中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到4亿美元左右;另外,地方政府也将支出4亿~6亿美元。中国台湾计划从2002~2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元,每年稳中有增,平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为45亿美元,而新加坡则达7亿美元左右。 就纳米科技人均公共支出而言,欧盟25国为4欧元,美国为7欧元,曰本为2欧元。按照计划,美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元,曰本2004年增加到8欧元,因此欧盟与美曰之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是:欧盟为01%,美国为01%,曰本为02%。 另外,据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年发布的一份年度报告称,很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元,占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元,占36%。欧洲的私营机构将投资5亿美元,占17%。由于这样的投资水平,基于纳米技术的创新势必将到来。 三、世界各国纳米科技发展各有千秋 各纳米科技强国比较而言,美国虽具有一定的优势,但现在尚无确定的赢家和输家。 (一) 在纳米科技论文方面曰、德、中三国不相上下 根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果,2000~2002年,共有40 370篇纳米研究论文被《2000~2002年科学引文索引(SCI)》收录。纳米研究论文数量逐年增长,且增长幅度较大,2001年和2002年的增长率分别达到了22%和26%。 2000~2002年纳米研究论文,美国以较大的优势领先于其他国家,3年累计论文数超过10 000篇,几乎占全部论文产出的30%。曰本(76%)、德国(28%)、中国(64%)和法国(89%)列在其后,它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000~2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇,是纳米研究最活跃的国家,也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出,2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点,到2002年已经超过德国,位居世界第三位,与曰本接近。 在上述5国之后,英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多,各国三年累计论文总数都超过了1000篇,且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。 另外,如果欧盟各国作为一个整体,其论文量则超过36%,高于美国的46%。 (二) 在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头 据统计,美国专利商标局2000~2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国(1454项),其次是曰本(368项)和德国(118项)。由于专利数据来源美国专利商标局,所以美国的专利数量非常多,所占比例超过了60%。曰本和德国分别以46%和28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多,所占比例都超过了1%。 专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大,在论文数最多的20个国家和地区中,专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、曰本和中国台湾。这说明,很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力,但比较侧重于基础研究,而实用化能力较弱。 (三) 就整体而言纳米科技大国各有所长 美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用,目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面,纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断,而且,已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年,美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》,目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合,实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标;利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门,这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用,还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果,未来5~10年有望商业化。 虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点,纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究,期望突破传统的极限,让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒,并按照一定规则排列这些颗粒,使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术未来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面,目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。 曰本纳米技术的研究开发实力强大,某些方面处于世界领先水平,但尚未脱离基础和应用研究阶段,距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上,曰本最重视的是应用研究,尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外,曰本开发出多种不同结构的纳米材料,如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。 在制造方法上,曰本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法,同时积极开发新的制造技术,特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1/10,两三年内即可进入批量生产阶段。 曰本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高,并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置,能应用于纳米领域,在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路,是世界最高水平。 曰本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地,如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机,解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过,这些研究大都处于探索阶段,成果为数不多。 欧盟在纳米科学方面颇具实力,特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。 中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多,主要以金属和无机非金属纳米材料为主,约占80%,高分子和化学合成材料也是一个重要方面,而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。 四、纳米技术产业化步伐加快 目前,纳米技术产业化尚处于初期阶段,但展示了巨大的商业前景。据统计,2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元,2010年将达到14 400亿美元。为此,各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化,都在加紧采取措施,促进产业化进程。 美国国家科研项目管理部门的管理者们认为,美国大公司自身的纳米技术基础研究不足,导致美国在该领域的开发应用缺乏动力,因此尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心,希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矶地区建立一个“纳米科技成果转化中心”,以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项:一是进行纳米技术基础研究,二是与大企业合作,使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通信、纳米机械和纳米电路等许多方面,其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。 美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破,并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大,其目的是共享信息,促进联系,加速纳米技术应用。 曰本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合,不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”,以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程;东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所,试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。 欧盟于2003年建立纳米技术工业平台,推动纳米技术在欧盟成员国的应用。欧盟委员会指出,建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战,把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学产品和运输领域,生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品,同时减少能源消耗和垃圾。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国。 为了促进纳米技术研发成果的转化,2000年12月,中国成立了第一个国家纳米技术产业化基地。该基地集中了国内一流的纳米技术研究机构和专家,并正在筹建世界级的国家纳米技术研究院。基地的发展目标是成为世界级的纳米技术科学城,孵化出一批世界级的高新技术企业,培养出一批世界级的纳米技术专家和现代企业家,把基地建成为一个综合的、跨学科的、市场化的、开放的、流动的现代化“纳米产业集群”。2003年8月,中国科学院纳米技术产业化基地宣告成立。该基地由中国科学院和多家纳米技术企业组成,将以产业化开发为主,兼顾应用研究、促进基础研究。 美国《技术评论》杂志在其“创新专栏”中报道纳米技术进展时指出,在世界各国加快纳米技术商业化步伐的同时,亚洲一些国家已明显处于领先地位。中国、曰本、韩国和新加坡等国政府都投入重金发展纳米技术,其目的是要开发包括超灵敏诊断技术以及超级计算机等在内的众多产品。密歇根州立大学的纳米技术专家托马奈克称,中国、曰本和韩国等国家将在未来几年成为世界纳米技术方面的领头羊。在纳米技术的某些领域,这3个国家是处于领先地位的。