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納米科技范文1
納米技術是新材料技術的前沿，有人預言，納米技術所引起的世界性技術革命和產業革命，將會比歷史上任何一次技術革命對社會、經濟、軍事等領域所產生的沖擊更為巨大。
在20世紀末，美容護膚品從第一代的工業石油革命、第二代的天然添加成分，走到了第三代生物醫學技術化妝品時代。進入新世紀，納米科技帶給人類的納米護膚品再一次將人們的目光引向了高科技應用領域，在國外，以瑞士凱斯尼亞、意大利歐風格林為代表；在國內，以北京邦定、成都歐利思為代表，已經開始使用納米“活細胞仿生微球”技術。“納米保鮮護膚液”為主流的這類綠色護膚化妝品，正以優質、高效、安全、持久等優異性能來滿足人們對高品質美容的追求。
微型化的新材料技術
納米是英文Namometer的譯名，是一種度量單位，等于1米的十億分之一。自從1982年掃描隧道顯微鏡發明后，便誕生了一門0.1至100納米長度為研究分子的技術，即納米技術，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品，使新的材料和產品在某些性能上發生截然不同的變化，從而應用在信息、能源、交通、醫藥、食品、紡織、環保等諸多領域。這種令人不可思議的新變革，大大提升了我們的生活質量，比如將抗菌物質進行納米化處理，在生產一些日常用品時添加進去，抗菌內衣、抗菌茶杯、抗菌冰箱便生產出來了；如果在玻璃表面涂一層滲有納米化氧鈦的涂料，那么普通玻璃馬上變成具有自己清潔功能的“自凈玻璃”，不用人工擦洗了。普通的材料通過納米化處理，更能增添許多神奇的特性。
活性成分難以逾越的屏障――皮膚角質層
皮膚是人體與外界之間的一道天然屏障，保護著身體不受外來侵害，也阻擋了美容護膚品中的活性成分進入體內。我們知道，護膚品是皮膚的特殊保健品，尤其是功能性護膚品，其意義就在于給皮膚的組織細胞提供多種營養物質、活性成分，給表皮細胞補充水分、養分，改善其新陳代謝過程，中和或祛除一些不利的因素，營造一個優越的生命環境，從而打造皮膚持久的健康。但，皮膚致密的結構阻擋了這些活性物質的進入，而皮膚最外層具有疏水性的角質層，更增加了水溶性物質和大分子物質的吸收難度。
現有的美容化妝品生產技術制約了護膚品中的有效成分進入皮膚。比如傳統工藝的乳化技術使化妝品膏體內部結構為膠團或膠囊狀，其單位直徑為微米，對皮膚的滲透能力很弱，不易被表皮細胞吸收。因此，化妝品中的活性有效成分在使用中不能充分發揮其作用，嚴重影響了化妝品的功效。
活性成分難以保鮮的難題――載體包裹技術
不同品質、檔次的化妝品，在添加活性成分方面有較大區別，如天然植物提取物、多種生物酶、多種維生素、多種細胞因子等等，這些活性物質的活性越高，性狀就越不穩定，見光或遇熱、酸、氧等極易分解或氧化。如何使有效的活性物質在化妝品的添加、儲存中保持穩定和鮮活？如何營造表層皮膚組織結構所需的生物環境，并將所攜帶的鮮活成分釋放，且維持有效時間、有效濃度呢？化妝品的“溶解、吸收和利用”一直是化妝品領域中的世界難題。在六十年代中期，科學家研究出包裹脂質體，但脂質體是一個仿細胞壁結構的雙極性分子結構，它像一個肥皂泡，內層為液體，是一種亞穩定狀態，遇熱時表面活性劑或脂質體碰撞就易破裂而失去作用。因此，脂質體在實際應用中遠沒有達到理想的效果。
納米技術，全面解決了保鮮和滲透
納米技術徹底改變了物質材料的特殊性能，在美容化妝品產業技術上引發了一場新的技術革命。目前，國際上研制成功的“活細胞仿生微球”就是納米高技術的一種納米級（粒徑）超微載體。它仿天然人體角質細胞結構，由天然物質合成，其直徑在20納米~100納米之間，外層是由天然磷脂體組成的雙極性分子雙重結構，內層細胞是由天然多糖分子組成的網狀固體核?；钚晕镔|被固定且呈一種穩定狀態，而其納米級超分子結構依靠其細胞結構與人體組織的相融性和親和力，極易進入皮膚深層，可修復和強化角質層結構；另一方面，它的載體作用非常明顯，能保持攜帶物的穩定性，因而可長期保持其新鮮活性。納米技術應用到化妝品制造業中，可對傳統工藝乳化得到的化妝品缺陷進行很好的改進，因為納米級功能原料通過納米技術處理得到的化妝品膏體微料可以達到納米級狀態，這種納米級膏體對皮膚滲透性大大增加，皮膚選擇吸收功能物質的利用率也隨之大為提高。
國際納米技術“活細胞仿生微球”――納米級（粒徑）超微載體，將多種生物活性成分包裹在平均粒徑在25nm的超微載體中，能安全有效地保護有效成分不受破壞，其緩釋作用還可以延長活性成分的作用時間，并可順利地通過皮膚角質層的篩選（間隙為50nm左右）直達皮膚深層，從而高效地解決深層皮膚出現的病變，修復和強化皮膚功能，將納米化妝品所有的優點發揮到極至。
納米“活細胞仿生微球”的七大經典魅力
經由納米“活細胞仿生微球”所生產的化妝品與傳統工藝生產的化妝品相比，在皮膚的深層滲透、高效修復和強化皮膚功能上，有著不可比擬的優勢：
1．復合配方：納米“活細胞仿生微球”內可包含多種生物活性因子及維生素C、E，其雞尾酒式的復合配方可給皮膚提供全面而均衡的營養。
2．深層滲透：將最具功效的護膚成分特殊處理成納米級的微小結構，使之能順利滲透到皮膚深層。
3．保鮮包裹：納米級微小結構具有特定的包裹/載體功能，可有效保護活性成分不被氧化和破壞。
4．賦活利用：納米微粒在同等質量時攜帶有更多的活性成分，并具備優異的均勻覆蓋效果，因此有效成分的吸收利用率大大提高。
5．安全高質：納米微粒是非生物材料，沒有排異反應的危險，不會誘發過敏反應，使用更安全。
6．緩釋持久：納米微粒具有緩釋作用，其緩慢而均勻的釋放可延長活性成分的有效作用時間。
納米科技范文2
1、各國競相出臺納米科技發展戰略和計劃
由于納米技術對國家未來經濟、社會發展及國防安全具有重要意義，世界各國（地區）紛紛將納米技術的研發作為21世紀技術創新的主要驅動器，相繼制定了發展戰略和計劃，以指導和推進本國納米科技的發展。目前，世界上已有50多個國家制定了國家級的納米技術計劃。一些國家雖然沒有專項的納米技術計劃，但其他計劃中也往往包含了納米技術相關的研發。
（1）發達國家和地區雄心勃勃
為了搶占納米科技的先機，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術計劃（NNI），其宗旨是整合聯邦各機構的力量，加強其在開展納米尺度的科學、工程和技術開發工作方面的協調。2003年11月，美國國會又通過了《21世紀納米技術研究開發法案》，這標志著納米技術已成為聯邦的重大研發計劃，從基礎研究、應用研究到研究中心、基礎設施的建立以及人才的培養等全面展開。
日本政府將納米技術視為“日本經濟復興”的關鍵。第二期科學技術基本計劃將生命科學、信息通信、環境技術和納米技術作為4大重點研發領域，并制定了多項措施確保這些領域所需戰略資源（人才、資金、設備）的落實。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進從基礎性到實用性的研發，同時跨省廳重點推進能有效促進經濟發展和加強國際競爭力的研發。
歐盟在2002—2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術給予了空前的重視。該計劃將納米技術作為一個最優先的領域，有13億歐元專門用于納米技術和納米科學、以知識為基礎的多功能材料、新生產工藝和設備等方面的研究。歐盟委員會還力圖制定歐洲的納米技術戰略，目前，已確定了促進歐洲納米技術發展的5個關鍵措施：增加研發投入，形成勢頭；加強研發基礎設施；從質和量方面擴大人才資源；重視工業創新，將知識轉化為產品和服務；考慮社會因素，趨利避險。另外，包括德國、法國、愛爾蘭和英國在內的多數歐盟國家還制定了各自的納米技術研發計劃。
（2）新興工業化經濟體瞄準先機
意識到納米技術將會給人類社會帶來巨大的影響，韓國、中國臺灣等新興工業化經濟體，為了保持競爭優勢，也紛紛制定納米科技發展戰略。韓國政府2001年制定了《促進納米技術10年計劃》，2002年頒布了新的《促進納米技術開發法》，隨后的2003年又頒布了《納米技術開發實施規則》。韓國政府的政策目標是融合信息技術、生物技術和納米技術3個主要技術領域，以提升前沿技術和基礎技術的水平；到2010年10年計劃結束時，韓國納米技術研發要達到與美國和日本等領先國家的水平，進入世界前5位的行列。
中國臺灣自1999年開始，相繼制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設施建設為基礎，以追求“學術卓越”和“納米科技產業化”為目標，意在引領臺灣知識經濟的發展，建立產業競爭優勢。
（3）發展中大國奮力趕超
綜合國力和科技實力較強的發展中國家為了迎頭趕上發達國家納米科技發展的勢頭，也制定了自己的納米科技發展戰略。中國政府在2001年7月就了《國家納米科技發展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導協調委員會、國家納米科學中心和納米技術專門委員會。目前正在制定中的國家中長期科技發展綱要將明確中國納米科技發展的路線圖，確定中國在目前和中長期的研發任務，以便在國家層面上進行指導與協調，集中力量、發揮優勢，爭取在幾個方面取得重要突破。鑒于未來最有可能的技術浪潮是納米技術，南非科技部正在制定一項國家納米技術戰略，可望在2005年度執行。印度政府也通過加大對從事材料科學研究的科研機構和項目的支持力度，加強材料科學中具有廣泛應用前景的納米技術的研究和開發。
2、納米科技研發投入一路攀升
納米科技已在國際間形成研發熱潮，現在無論是富裕的工業化大國還是渴望富裕的工業化中國家，都在對納米科學、技術與工程投入巨額資金，而且投資迅速增加。據歐盟2004年5月的一份報告稱，在過去10年里，世界公共投資從1997年的約4億歐元增加到了目前的30億歐元以上。私人的納米技術研究資金估計為20億歐元。這說明，全球對納米技術研發的年投資已達50億歐元。
美國的公共納米技術投資最多。在過去4年內，聯邦政府的納米技術研發經費從2000年的2.2億美元增加到2003年的7.5億美元，2005年將增加到9.82億美元。更重要的是，根據《21世紀納米技術研究開發法》，在2005～2008財年聯邦政府將對納米技術計劃投入37億美元，而且這還不包括國防部及其他部門將用于納米研發的經費。
日本目前是僅次于美國的第二大納米技術投資國。日本早在20世紀80年代就開始支持納米科學研究，近年來納米科技投入迅速增長，從2001年的4億美元激增至2003年的近8億美元，而2004年還將增長20%。
在歐洲，根據第六個框架計劃，歐盟對納米技術的資助每年約達7.5億美元，有些人估計可達9.15億美元。另有一些人估計，歐盟各國和歐盟對納米研究的總投資可能兩倍于美國，甚至更高。
中國期望今后5年內中央政府的納米技術研究支出達到2.4億美元左右；另外，地方政府也將支出2.4億～3.6億美元。中國臺灣計劃從2002～2007年在納米技術相關領域中投資6億美元，每年穩中有增，平均每年達1億美元。韓國每年的納米技術投入預計約為1.45億美元，而新加坡則達3.7億美元左右。
就納米科技人均公共支出而言，歐盟25國為2.4歐元，美國為3.7歐元，日本為6.2歐元。按照計劃，美國2006年的納米技術研發公共投資增加到人均5歐元，日本2004年增加到8歐元，因此歐盟與美日之間的差距有增大之勢。公共納米投資占GDP的比例是：歐盟為0.01%，美國為0.01%，日本為0.02%。
另外，據致力于納米技術行業研究的美國魯克斯資訊公司2004年的一份年度報告稱，很多私營企業對納米技術的投資也快速增加。美國的公司在這一領域的投入約為17億美元，占全球私營機構38億美元納米技術投資的46%。亞洲的企業將投資14億美元，占36%。歐洲的私營機構將投資6.5億美元，占17%。由于投資的快速增長，納米技術的創新時代必將到來。
3、世界各國納米科技發展各有千秋
各納米科技強國比較而言，美國雖具有一定的優勢，但現在尚無確定的贏家和輸家。
（1）在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下
根據中國科技信息研究所進行的納米論文統計結果，2000—2002年，共有40370篇納米研究論文被《2000—2002年科學引文索引（SCI）》收錄。納米研究論文數量逐年增長，且增長幅度較大，2001年和2002年的增長率分別達到了30.22%和18.26%。
2000—2002年納米研究論文，美國以較大的優勢領先于其他國家，3年累計論文數超過10000篇，幾乎占全部論文產出的30%。日本（12.76%）、德國（11.28%）、中國（10.64%）和法國（7.89%）位居其后，它們各自的論文總數都超過了3000篇。而且以上5國2000—2002年每年的納米論文產出大都超過了1000篇，是納米研究最活躍的國家，也是納米研究實力最強的國家。中國的增長幅度最為突出，2000年中國納米論文比例還落后德國2個多百分點，到2002年已經超過德國，位居世界第三位，與日本接近。
在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發表的論文數也較多，各國3年累計論文總數都超過了1000篇，且每年的論文數排位都可以進入前10名。這5個國家可以列為納米研究較活躍的國家。
另外，如果歐盟各國作為一個整體，其論文量則超過36%，高于美國的29.46%。
（2）在申請納米技術發明專利方面美國獨占鰲頭
據統計：美國專利商標局2000—2002年共受理2236項關于納米技術的專利。其中最多的國家是美國（1454項），其次是日本（368項）和德國（118項）。由于專利數據來源美國專利商標局，所以美國的專利數量非常多，所占比例超過了60%。日本和德國分別以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數也較多，所占比例都超過了1%。
專利反映了研究成果實用化的能力。多數國家納米論文數與專利數所占比例的反差較大，在論文數最多的20個國家和地區中，專利數所占比例超過論文數所占比例的國家和地區只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區在納米技術研究上具備一定的實力，但比較側重于基礎研究，而實用化能力較弱。
（3）就整體而言納米科技大國各有所長
美國納米技術的應用研究在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤等領域快速發展。隨著納米技術在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應用，目前美國納米研究熱點已逐步轉向醫學領域。醫學納米技術已經被列為美國國家的優先科研計劃。在納米醫學方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進行早期診斷。2004年，美國國立衛生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術計劃》，目的是將納米技術、癌癥研究與分子生物醫學相結合，實現2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標；利用納米顆粒追蹤活性物質在生物體內的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細胞等在人體內的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5～10年有望商業化。
雖然醫學納米技術正成為納米科技的新熱點，納米技術在半導體芯片領域的應用仍然引人關注。美國科研人員正在加緊納米級半導體材料晶體管的應用研究，期望突破傳統的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術是這一領域中最受關注的地方。不少科學家試圖利用化學反應來合成納米顆粒，并按照一定規則排列這些顆粒，使其成為體積小而運算快的芯片。這種技術本來有望取代傳統光刻法制造芯片的技術。在光學新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長度達到幾百微米的納米導線。
日本納米技術的研究開發實力強大，某些方面處于世界領先水平，但尚未脫離基礎和應用研究階段，距離實用化還有相當一段路要走。在納米技術的研發上，日本最重視的是應用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發出多種不同結構的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結構、富勒結構套富勒結構、納米管套富勒結構、酒杯疊酒杯狀結構等。
在制造方法上，日本不斷改進電弧放電法、化學氣相合成法和激光燒蝕法等現有方法，同時積極開發新的制造技術，特別是批量生產技術。細川公司展出的低溫連續燒結設備引起關注。它能以每小時數千克的速度制造粒徑在數十納米的單一和復合的超微粒材料。東麗和三菱化學公司應用大學開發的新技術能把制造碳納米材料的成本減至原來的1／10，兩三年內即可進入批量生產階段。
日本高度重視開發檢測和加工技術。目前廣泛應用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學顯微鏡等的性能不斷提高，并涌現了諸如數字式顯微鏡、內藏高級照相機顯微鏡、超高真空掃描型原子力顯微鏡等新產品?？茖W家村田和廣成功開發出亞微米噴墨印刷裝置，能應用于納米領域，在硅、玻璃、金屬和有機高分子等多種材料的基板上印制細微電路，是世界最高水平。
日本企業、大學和研究機構積極在信息技術、生物技術等領域內為納米技術尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細微、更高性能的元器件和量子計算機，解析分子、蛋白質及基因的結構等。不過，這些研究大都處于探索階段，成果為數不多。
歐盟在納米科學方面頗具實力，特別是在光學和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導體、復合材料、醫學材料、智能材料等方面的研究能力較強。
中國在納米材料及其應用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學、納米器件和納米生物醫學研究方面與發達國家有明顯差距。
4、納米技術產業化步伐加快
目前，納米技術產業化尚處于初期階段，但展示了巨大的商業前景。據統計：2004年全球納米技術的年產值已經達到500億美元，2010年將達到14400億美元。為此，各納米技術強國為了盡快實現納米技術的產業化，都在加緊采取措施，促進產業化進程。
美國國家科研項目管理部門的管理者們認為，美國大公司自身的納米技術基礎研究不足，導致美國在該領域的開發應用缺乏動力，因此，嘗試建立一個由多所大學與大企業組成的研究中心，希望借此使納米技術的基礎研究和應用開發緊密結合在一起。美國聯邦政府與加利福尼亞州政府一起斥巨資在洛杉礬地區建立一個“納米科技成果轉化中心”，以便及時有效地將納米科技領域的基礎研究成果應用于產業界。該中心的主要工作有兩項：一是進行納米技術基礎研究；二是與大企業合作，使最新基礎研究成果盡快實現產業化。其研究領域涉及納米計算、納米通訊、納米機械和納米電路等許多方面，其中不少研究成果將被率先應用于美國國防工業。
美國的一些大公司也正在認真探索利用納米技術改進其產品和工藝的潛力。IBM、惠普、英特爾等一些IT公司有可能在中期內取得突破，并生產出商業產品。一個由專業、商業和學術組織組成的網絡在迅速擴大，其目的是共享信息，促進聯系，加速納米技術應用。
日本企業界也加強了對納米技術的投入。關西地區已有近百家企業與16所大學及國立科研機構聯合，不久前又建立了“關西納米技術推進會議”，以大力促進本地區納米技術的研發和產業化進程；東麗、三菱、富士通等大公司更是紛紛斥巨資建立納米技術研究所，試圖將納米技術融合進各自從事的產業中。
歐盟于2003年建立納米技術工業平臺，推動納米技術在歐盟成員國的應用。歐盟委員會指出：建立納米技術工業平臺的目的是使工程師、材料學家、醫療研究人員、生物學家、物理學家和化學家能夠協同作戰，把納米技術應用到信息技術、化妝品、化學產品和運輸領域，生產出更清潔、更安全、更持久和更“聰明”的產品，同時減少能源消耗和垃圾。歐盟希望通過建立納米技術工業平臺和增加納米技術研究投資使其在納米技術方面盡快趕上美國。
納米科技范文3
當材料的尺寸進入納米級，材料便會出現以下奇異的物理性能：
1、尺寸效應
當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態的相干長度或投射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體的邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面附近原子密度減小，導致聲、光電、磁、熱、力學等特性呈現出新的小尺寸效應。如當顆粒的粒徑降到納米級時，材料的磁性就會發生很大變化，如一般鐵的矯頑力約為80A/m，而直徑小于20nm的鐵，其矯頑力卻增加了1000倍。若將納米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力學性能，甚至還可以賦予其新性能。
2、表面效應
一般隨著微粒尺寸的減小，微粒中表面原子與原子總數之比將會增加，表面積也將會增大，從而引起材料性能的變化，這就是納米粒子的表面效應。
納米微粒尺寸d（nm）包含總原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099從表1中可以看出，隨著納米粒子粒徑的減小，表面原子所占比例急劇增加。由于表面原子數增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，很容易與其它原子結合。若將納米粒子添加到高聚物中，這些具有不飽和性質的表面原子就很容易同高聚物分子鏈段發生物理化學作用。
3、量子隧道效應
微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘而產生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。它的研究對基礎研究及實際應用，如導電、導磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意義。
二、高聚物/納米復合材料的技術進展
對于高聚物/納米復合材料的研究十分廣泛，按納米粒子種類的不同可把高聚物/納米復合材料分為以下幾類：
1、高聚物/粘土納米復合材料
由于層狀無機物在一定驅動力作用下能碎裂成納米尺寸的結構微區，其片層間距一般為納米級，它不僅可讓聚合物嵌入夾層，形成“嵌入納米復合材料”，還可使片層均勻分散于聚合物中形成“層離納米復合材料”。其中粘土易與有機陽離子發生交換反應，具有的親油性甚至可引入與聚合物發生反應的官能團來提高其粘結。其制備的技術有插層法和剝離法，插層法是預先對粘土片層間進行插層處理后，制成“嵌入納米復合材料”，而剝離法則是采用一些手段對粘土片層直接進行剝離，形成“層離納米復合材料”。
2、高聚物/剛性納米粒子復合材料
用剛性納米粒子對力學性能有一定脆性的聚合物增韌是改善其力學性能的另一種可行性方法。隨著無機粒子微細化技術和粒子表面處理技術的發展，特別是近年來納米級無機粒子的出現，塑料的增韌徹底沖破了以往在塑料中加入橡膠類彈性體的做法。采用納米剛性粒子填充不僅會使韌性、強度得到提高，而且其性價比也將是不能比擬的。
3、高聚物/碳納米管復合材料
碳納米管于1991年由S.Iijima發現，其直徑比碳纖維小數千倍，其主要用途之一是作為聚合物復合材料的增強材料。
碳納米管的力學性能相當突出。現已測出碳納米管的強度實驗值為30－50GPa。盡管碳納米管的強度高，脆性卻不象碳纖維那樣高。碳纖維在約1%變形時就會斷裂，而碳納米管要到約18%變形時才斷裂。碳納米管的層間剪切強度高達500MPa，比傳統碳纖維增強環氧樹脂復合材料高一個數量級。
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納米科技范文4
Computational Nanoscience
2011,448pp
Hardback
ISBN9781107001701
計算機仿真是求解物理問題一個不可缺少的研究工具，在認識和預測納米現象中起著很重要的作用。然而，專業研究人員使用的計算機代碼過于復雜，對于想了解計算機模擬的研究生則比較困難。本書讓學生了解先進的計算機代碼，教給學生所需的工具來開發自己的代碼。本書描述了在計算物理、量子力學、原子和分子物理學、凝聚態理論等學科中的計算問題，提供了先進的算法，是學生非常理想的選擇。它包含了多種的復雜程度不同的實際例子，以幫助各種不同層次的讀者。可在省略/9781107001701網上找到本書提供的Fortran 90算法庫，該算法庫以多種實例說明了如何用文中所述的用先進計算方法解決物理問題，為讀者提供必要的軟件工具。
書中所述的物理問題的計算方法包括基于經典分子動力學的方法、密度泛函方法、全相關波函數等；提供的計算代碼包含了不同的基礎工具，如有限差分法、拉格朗日函數、平面波方法，運用高斯函數解決束縛態和散射問題，以及描述電子結構和材料的輸運性質。并且，對解決同一問題的不同方法，還進行了詳細的介紹和比較。全書分為兩部分。在第一部分中，研究內容集中在一維問題。這些問題的難度不大，為第二部分更復雜的問題打下基礎。在第二部分中，本書描述并模擬了復雜的三維問題。第一部分中解決的問題，其計算代碼比較基礎，重要組成部分均用文本進行了解釋。第二部分包含有很多較復雜步驟的代碼程序。這些代碼程序往往有數百行語句的內容，并且包含了不同的算法集，因而文中只對代碼程序的主體結構進行了解釋。本書作者的重點并不在于教授計算機編程，因為市面上已有不少計算機編程的優秀書籍，作者寫本書的目的在于教會讀者使用編程工具更好地解決物理問題。作者指出，追求代碼程序編寫簡單、容易執行，但也要注意是否犧牲了計算速度和計算效率，以及代碼程序寫作的易讀程度。他鼓勵讀者按照自己的需要重寫這些代碼程序。
本書的作者為美國田納西州范德比爾特大學的卡爾曼•瓦爾加和約瑟夫•A•斯科爾?？柭?#8226;瓦爾加是物理和天文學系助理教授，任職于范德比爾特大學。他的主要研究方向是計算納米科學，專注于開發新的計算方法，比如電子結構的計算。約瑟夫•A•斯科爾同樣任職于范德比爾特大學，是物理和天文學系的研究助理，他主要研究納米尺度現象領域的理論和計算物理。
本書的第一部分可用于計算物理學專業的本科教育。第二部分比較適合于高年級的本科生和研究生。
楊盈瑩，
助理研究員
（中國科學院半導體研究所）
納米科技范文5
關鍵詞 納米技術 可能性 可行性 可接受性
中圖分類號 B82—057 文獻標識碼 A 文章編號 1007—1539（2012）04—0130—05
一
納米技術被譽為引領21世紀技術革命的核心技術。早在1959年美國物理學家費曼就曾經提出過在分子和原子水平上塑造世界的愿景。20世紀80年代以來，隨著STM（隧道掃描顯微鏡）的發明，人類操縱原子的夢想已經逐漸成為現實。2000年美國率先啟動了國家納米科技計劃（NNI），世界各國也都隨之將納米技術的發展作為21世紀贏得科技制高點的關鍵技術?！凹{米熱”在世界范圍內展開。今天，費曼所預言的可能性一部分已經成為現實。納米技術正在逐步走向產業化，走進我們的生活。據不完全統計，目前全球市場正式標稱的納米產品已超過1317種。與此同時，為了避免重復過去“先發展后治理”模式所帶來的弊端，防止“創造的發動機”（engines of creation）演變成“毀滅的發動機”（engines of destruction），NNI在最初的計劃中即將納米技術的倫理與社會研究納入了規劃，2001年NNI分配給納米技術社會影響的研究經費在1600—2800萬美元之間；2003年3月和10月，在美國的南卡羅萊納州大學和德國的達姆施塔特技術大學分別召開了由哲學家和倫理學家與自然科學家、工程師共同參與的國際跨學科學術研討會——“發現納米尺度”，納米技術的倫理問題成為這兩次會議的主要議題。自此，納米倫理研究在世界范圍內逐漸興起。
縱觀納米倫理研究（從2003年這一概念的提出到今天）近十年的歷史，可以發現，迄今為止的納米倫理學的討論主要集中在兩個層面，即有關現實問題的描述性、實證性研究和有關未來問題的推測性、概念性研究。一方面，由于納米技術在現階段的主要應用領域集中在納米功能材料，尤其是納米粉體和液體材料的使用方面，而納米粉體在生產、存儲、運輸和使用等環節都有可能對身體和環境構成威脅，因此，在這方面的倫理討論主要集中于有關納米粒子的毒性研究、危害和風險的識別、工作場地的選擇和風險控制、工人對風險的知情問題以及工人健康的醫學保障等。另一方面，納米技術的目標是在分子和原子層面重塑世界。這就涉及未來世界的圖景和我們對世界的理解與基本概念問題。因而這方面的倫理討論多從對未來世界的大膽推測和想象開始，設想了一系列可能的未來場景，并就其可能的后果進行倫理辯論。如果可能在大腦和機器之間建立直接的交互，當機器被用來閱讀人的思想或者特定的精神狀態時，就侵犯了人的隱私；如果分子制造在接下來的20—50年里可以實現，我們需要為全球富裕時代和新經濟組織做好準備等。
顯然，這些討論——無論是關于現實的還是未來的問題的討論，都是從后果出發、從可能性出發的。不同的是，有的是從現實的后果出發，有的是從潛在的后果出發。這些討論對于喚醒人們對納米技術風險的意識，從納米技術發展的早期即開展風險管理和治理的同步研究，無疑具有重要的實踐意義。然而，和所有的結果主義論證一樣，它存在著兩個致命的弱點，一方面，它難免陷于功利主義的風險與利益權衡，而在一個價值多元的世界里，人們很難就此達成共識；另一方面，對于納米技術這樣的不確定性技術而言，從結果出發的倫理評價由于其結果的推測性而難免走向烏托邦或敵托邦的幻想。
Nordmann認為，這種“If and then”的納米倫理研究模式將關注的焦點瞄準未來，讓想象的未來壓倒真實的現在，通過If暗示一個可能的技術發展開始，并要求及時關注其結果then。在這個句子前半部分看起來不太可能的未來，在第二部分成為不可避免的東西。一個假定的現實取代了這個假想的未來，一個想象的未來淹沒了當下。而我們都知道，對于作為“enabling technology”的納米技術而言，由于其應用層面的開放性，決定了盡管人們可以證明它的現實的必要性，但卻不能證明它的充分必要性，更不可能證明其發展的必然性。此外，這種從可能性到可能性的倫理反思推測雖然預設了未來的科學和技術，卻沒有考慮未來社會規范和倫理也可能發生變化。
毫無疑問，對可能性的暢想是科學研究的起點。在關于納米技術的可能性世界的描述中，雖然含有或多或少的推測性成分，或者說“未來主義色彩”，但恰恰是這些想象引導著人們的創新，引導著人們去尋找從可能性轉變為現實性的條件。同樣，關于納米技術的倫理學也需要對未來可能性后果的想象，以喚醒人們的倫理意識，在納米技術發展的早期即采取適當的措施，避免重蹈過去“先發展，后治理”的覆轍。但如果簡單地用今天的知識、倫理規范和評價尺度去衡量潛在的、未來的技術、未來的技術活動，這樣的倫理評價顯然缺乏合理性基礎，也同樣面臨著“道德風險”。
二
納米科技范文6
【關鍵詞】 ，黃帝內經
［摘要］ 《黃帝內經》中論述了兩千多年前聽音辨人的理論和技術，即通過辨別人聲的二十五種變化，施以不同的飲食調理與經絡調理，從而達到治未病的目的。21世紀初，在基于納米水平的細胞聲學研究中，已初步證明細胞是可以發出聲音的。細胞病變時，最先產生聲音的變化，故有可能通過細胞聲音的變化，盡早發現疾病。此發現與《黃帝內經》中聽音辨人的理論，在生命研究的不同水平上不謀而合。納米技術有可能進入中醫基礎理論研究之中，從而實現中醫研究的現代化。
［關鍵詞］ 黃帝內經; 二十五音; 納米技術; 細胞聲學
Possibility of applying nanotechnology to research on the basic theory of traditional Chinese medicine
ABSTRACT The ancient theory and technology which are related to preventive treatment of disease by dietetic regulation and coordinating meridian according to 25 tones have been developed in the early 21st century. It is proved in sonocytology by nanotechnology that cells are able to produce noise， and the noise will change at first when the cells have any disorders. This theory is in accordance with the one in Huangdi Neijing. The nanotechnology can be introduced into the basic research of traditional Chinese medicine and may contribute to the modernization of traditional Chinese medicine.
KEY WORDS Huangdi Neijing; twentyfive tones; nanotechnology; sonocytology
1 失傳兩千多年的《黃帝內經》五臟相音理論
《素問?五臟生成篇第十篇》云：“夫脈之大、小、滑、澀、浮、沉，可以指別；五臟之象，可以類推；五臟相音，可以意識……”?！端貑?陰陽應象大論第五篇》云：“善診者，察色按脈，先別陰陽；審清濁，而知部分；視喘息，聽音聲，而知所苦……”。《靈樞?順氣一日分為四時第四十四》云：“病變于音者，取之經?！薄鹅`樞?五音五味第六十五》詳細論述了通過區分人之聲音，依據不同的聲音施以不同的飲食及經絡調理，以期達到治未病的目的。此文兩千多年來鮮有研究者，以至明代張介賓在注釋時云：“此或以古文深諱，向無明注，讀者不明，錄者不慎，而左右上下大少五音之間，極易差錯，愈傳愈謬，是以義多難解曉。不敢強解，姑存其文，以俟后之君子再正?！保?］
2 當代物理聲學的研究
辨別聲音是傳統中醫重要的診斷和治療方法之一。但是，以耳來分辨聲音，對醫者的個體要求極高，這可能是《黃帝內經》五臟相音診療技術失傳的重要原因之一。當今，物理聲學對個體聲音分辨的技術已十分成熟，因此有條件對《黃帝內經》五臟相音技術重新進行科學的研究。
自2002年起，筆者等［2～7］對五臟相音理論進行了整理發掘，利用現代物理聲學、電磁學和計算機等技術來分辨二十五音，同時開展了大量的理論及臨床應用技術研究，在臨床應用中達到了預期的效果。納米技術是一項現代高科技，利用這一技術研究傳統中醫基礎理論，尤其是《黃帝內經》中的基礎理論問題，可能會令許多人疑惑，但目前已成為一個不爭的事實。
3 基于納米技術的細胞聲學
2001年，國際著名的納米技術研究先驅Gimzewski教授得知，離體的心臟活細胞置于營養液中保存時仍會繼續跳動。由此他想：如果細胞持續跳動，就會產生振動，這種振動可能是細胞分子運動產生的推力，這種推力在空氣中產生壓力波，傳導至內耳的鼓膜，就成為人所能聽見的聲音。這種振動雖然很微小，但用特殊的儀器完全可以將其測出。
Gimzewski教授發明的納米計算機，被吉尼斯紀錄確定為世界上最小的計算機。利用他的原子力顯微鏡（atomic force microscope），可以精確測知單細胞細胞壁上的任何振動，并把它們轉換為聲音。檢測發現：細胞壁以1 000次/s的頻率上下波動，波幅平均只有3 nm左右，最高可達7 nm，最小也只有1 nm。1 nm＝1/1 000 000 mm，3 nm相當于15個碳原子疊加在一起。正常狀態下，酵母菌細胞的聲音始終保持在一個穩定的范圍內，相當于音樂的C～D調之間，就像一位中音C的歌手。當用酒精噴灑這些酵母細胞時，它們發出尖叫，振動頻率大大升高；當它們垂死時則發出低沉的隆隆聲。Gimzewski教授認為這可能是隨機的原子運動發出的聲音［8］。這些細胞的振動頻率在800～1 600 Hz之間，而人的耳朵可以感受20～20 000 Hz的頻率，正好可以落入人耳的聽覺范圍，只不過振幅太小，人無法感覺。Gimzewski教授認為，只需將音量加大，人類就能夠聽到這些聲音。
研究還發現，具有遺傳變異的酵母細胞與正常細胞相比，其發出的聲音也有輕微的差異。哺乳動物的細胞與酵母細胞的發音也略有不同。因此，科學家們設想，能否根據細胞聲音的變化來診斷細胞的病變。Gimzewski教授坦率地承認，他不能肯定這些細胞是否真正地發出聲音，它們也可能是吸收了來自其他地方的振動，包括顯微鏡本身的振動。但是，如果細胞確實發生了振動，這將是一種神奇的、優雅的、新的診斷工具。Gimzewski教授把這一研究領域稱為細胞聲學（sonocytology）。
4 細胞聲學的評價及展望
2004年3月，Gimzewski教授的研究首先發表在Smithsonian雜志上。專家評論認為，這一新信號的發現，將使人類有可能在癥狀未出現之前，在細胞水平就能“聽”出疾病的發生［9］?，F代醫學是建立在顯微鏡發明之后才誕生的病理學基礎上的一門學科，當時著名的病理學家微耳和（Virchow)宣稱，一切疾病都是細胞的疾病。現代醫學的最后診斷，還必須依靠病理學。細胞聲學的重大意義可能就在于：在細胞還未發生病理學形態改變前，就能提示病變的可能。由此，重溫《黃帝內經》中有關聲音與疾病的關系，就更令人感到驚奇。
美國Science雜志未發表Gimzewski教授的研究結果之前，德國慕尼黑Ludwig Maximilian大學的Hermann Gaub教授曾說：“Gimzewski教授相信細胞的振動可能有其它來源，必須排除來自細胞外的潛在聲源，但‘如果振動源來自細胞內部，這一發現將是革命性的、引人入勝的、難以置信的’”。Gimzewski教授的學生Pelling和Gimzewski教授正在做一系列的測試，以排除在細胞營養液中或由于原子力顯微鏡探頭頂端產生振動源的可能性。美國加利福尼亞大學神經科學和生物物理學家Ratnesh Lal教授在對離體的心臟活細胞進行研究后認為：Gimzewski教授的納米技術專業是他建立細胞聲學的關鍵。他說：“最終目的是要用這項技術進行診斷和預防疾病，在這個世界上，能夠做到這一點的，除Gimzewski教授以外，別無他人?！睅讉€月后，美國Science雜志發表了Gimzewski教授等人的研究論文。
5 別具一格的音樂會
Gimzewski教授的學生Pelling和媒體藝術家Anne Niemetz根據細胞聲學的研究結果，在洛杉磯市藝術博物館舉辦了一場別開生面、舉世無雙的音樂會，音樂會的名稱為：細胞的黑暗面［10］。進入音樂廳，就如同進入了細胞內部，既有視覺，又有音樂，還可以聽見利用原子力顯微鏡記錄下的，經過放大的細胞在各種情況下發出的聲音。該音樂會由五個部分組成，以表現整個科學發現的過程：（1）觀察；（2）構想來龍去脈的可能方式；（3）通過努力將細胞固有的特性順應納入自己特有的整合系統之中，較好地反映細胞情感反應的范圍；（4）使它們符合各種環境；（5）細胞所唱的歌必須是原汁原味的，其聲響效果未經任何修飾。
6 細胞發聲的理論基礎
目前最大的困惑可能是：一個單細胞如何具備發聲功能，而更令人難以理解的是這種發聲功能如何具備臨床意義。如果我們能進一步了解細胞的結構，就能充分解答這一問題。
早在1961年，Buckminster Fuller首先提出細胞框架結構理論，認為細胞的結構并無一定尺寸的限制，細胞外層表面可形成完整的張力，具有充分的活力。1969年，Kenneth Snelson在此基礎上提出細胞框架有如針形城堡（the needle tower）的理論，即細胞框架由蛋白鏈組成，它們有的薄、有的厚、有的中空，它們如線、如棒，相互連接在一起，形成一種穩定而柔韌可變的結構［11］。正是由于細胞框架具有完整張力且靈活多變，因此它們行動便捷，可以根據外界環境的變化，如溫度、營養物質的濃度、化學物質的改變等種種因素，而改變自己的運動方向，得以生存和繁衍后代。也正是由于這種構造，使細胞表面具有振動的可能，因振動而產生聲音，這就是我們在原子力顯微鏡下所看到的現象。
7 納米技術進入中醫基礎理論研究的可能性
Gimzewski教授開創的細胞聲學，為我們打開了微觀世界中細胞運動的一個場景，并開創了一個新的高科技研究領域：聲音與疾病的關系。由此聯想到《黃帝內經》中論述的宏觀意義上的臟腑的聲音、辨色聽音察體診斷疾病、以聲音區分陰陽二十五人并進行飲食和經絡調理以達到治未病的理論，將其與微觀的細胞聲學理論進行比較，我們發現了兩者之間驚人的相似之處。
微觀與宏觀之間，即從細胞、組織、器官，再到人體，這中間還有許多環節，我們目前還不知道他們之間存在的確切關系，尚有待我們進一步的研究和證實。譬如經絡，至今我們仍無法直觀確定，只能運用間接手段加以證實。
運用納米技術研究中醫基礎理論，將使傳統中醫基礎理論的研究躍入現代科學研究領域的前沿。但愿我們有一天能揭開傳統中醫的神秘面紗。
［參考文獻］
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8 Pelling AE， Sehati S， Gralla EB， et al. Local nanomechanical motion of the cell wall of saccharomyces cerevisiae［J］. Science， 2004， 305(5687): 11471150.
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