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纳米科技范文1
纳米技术是新材料技术的前沿，有人预言，纳米技术所引起的世界性技术革命和产业革命，将会比历史上任何一次技术革命对社会、经济、军事等领域所产生的冲击更为巨大。
在20世纪末，美容护肤品从第一代的工业石油革命、第二代的天然添加成分，走到了第三代生物医学技术化妆品时代。进入新世纪，纳米科技带给人类的纳米护肤品再一次将人们的目光引向了高科技应用领域，在国外，以瑞士凯斯尼亚、意大利欧风格林为代表；在国内，以北京邦定、成都欧利思为代表，已经开始使用纳米“活细胞仿生微球”技术。“纳米保鲜护肤液”为主流的这类绿色护肤化妆品，正以优质、高效、安全、持久等优异性能来满足人们对高品质美容的追求。
微型化的新材料技术
纳米是英文Namometer的译名，是一种度量单位，等于1米的十亿分之一。自从1982年扫描隧道显微镜发明后，便诞生了一门0.1至100纳米长度为研究分子的技术，即纳米技术，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品，使新的材料和产品在某些性能上发生截然不同的变化，从而应用在信息、能源、交通、医药、食品、纺织、环保等诸多领域。这种令人不可思议的新变革，大大提升了我们的生活质量，比如将抗菌物质进行纳米化处理，在生产一些日常用品时添加进去，抗菌内衣、抗菌茶杯、抗菌冰箱便生产出来了；如果在玻璃表面涂一层渗有纳米化氧钛的涂料，那么普通玻璃马上变成具有自己清洁功能的“自净玻璃”，不用人工擦洗了。普通的材料通过纳米化处理，更能增添许多神奇的特性。
活性成分难以逾越的屏障――皮肤角质层
皮肤是人体与外界之间的一道天然屏障，保护着身体不受外来侵害，也阻挡了美容护肤品中的活性成分进入体内。我们知道，护肤品是皮肤的特殊保健品，尤其是功能性护肤品，其意义就在于给皮肤的组织细胞提供多种营养物质、活性成分，给表皮细胞补充水分、养分，改善其新陈代谢过程，中和或祛除一些不利的因素，营造一个优越的生命环境，从而打造皮肤持久的健康。但，皮肤致密的结构阻挡了这些活性物质的进入，而皮肤最外层具有疏水性的角质层，更增加了水溶性物质和大分子物质的吸收难度。
现有的美容化妆品生产技术制约了护肤品中的有效成分进入皮肤。比如传统工艺的乳化技术使化妆品膏体内部结构为胶团或胶囊状，其单位直径为微米，对皮肤的渗透能力很弱，不易被表皮细胞吸收。因此，化妆品中的活性有效成分在使用中不能充分发挥其作用，严重影响了化妆品的功效。
活性成分难以保鲜的难题――载体包裹技术
不同品质、档次的化妆品，在添加活性成分方面有较大区别，如天然植物提取物、多种生物酶、多种维生素、多种细胞因子等等，这些活性物质的活性越高，性状就越不稳定，见光或遇热、酸、氧等极易分解或氧化。如何使有效的活性物质在化妆品的添加、储存中保持稳定和鲜活？如何营造表层皮肤组织结构所需的生物环境，并将所携带的鲜活成分释放，且维持有效时间、有效浓度呢？化妆品的“溶解、吸收和利用”一直是化妆品领域中的世界难题。在六十年代中期，科学家研究出包裹脂质体，但脂质体是一个仿细胞壁结构的双极性分子结构，它像一个肥皂泡，内层为液体，是一种亚稳定状态，遇热时表面活性剂或脂质体碰撞就易破裂而失去作用。因此，脂质体在实际应用中远没有达到理想的效果。
纳米技术，全面解决了保鲜和渗透
纳米技术彻底改变了物质材料的特殊性能，在美容化妆品产业技术上引发了一场新的技术革命。目前，国际上研制成功的“活细胞仿生微球”就是纳米高技术的一种纳米级（粒径）超微载体。它仿天然人体角质细胞结构，由天然物质合成，其直径在20纳米~100纳米之间，外层是由天然磷脂体组成的双极性分子双重结构，内层细胞是由天然多糖分子组成的网状固体核。活性物质被固定且呈一种稳定状态，而其纳米级超分子结构依靠其细胞结构与人体组织的相融性和亲和力，极易进入皮肤深层，可修复和强化角质层结构；另一方面，它的载体作用非常明显，能保持携带物的稳定性，因而可长期保持其新鲜活性。纳米技术应用到化妆品制造业中，可对传统工艺乳化得到的化妆品缺陷进行很好的改进，因为纳米级功能原料通过纳米技术处理得到的化妆品膏体微料可以达到纳米级状态，这种纳米级膏体对皮肤渗透性大大增加，皮肤选择吸收功能物质的利用率也随之大为提高。
国际纳米技术“活细胞仿生微球”――纳米级（粒径）超微载体，将多种生物活性成分包裹在平均粒径在25nm的超微载体中，能安全有效地保护有效成分不受破坏，其缓释作用还可以延长活性成分的作用时间，并可顺利地通过皮肤角质层的筛选（间隙为50nm左右）直达皮肤深层，从而高效地解决深层皮肤出现的病变，修复和强化皮肤功能，将纳米化妆品所有的优点发挥到极至。
纳米“活细胞仿生微球”的七大经典魅力
经由纳米“活细胞仿生微球”所生产的化妆品与传统工艺生产的化妆品相比，在皮肤的深层渗透、高效修复和强化皮肤功能上，有着不可比拟的优势：
1．复合配方：纳米“活细胞仿生微球”内可包含多种生物活性因子及维生素C、E，其鸡尾酒式的复合配方可给皮肤提供全面而均衡的营养。
2．深层渗透：将最具功效的护肤成分特殊处理成纳米级的微小结构，使之能顺利渗透到皮肤深层。
3．保鲜包裹：纳米级微小结构具有特定的包裹/载体功能，可有效保护活性成分不被氧化和破坏。
4．赋活利用：纳米微粒在同等质量时携带有更多的活性成分，并具备优异的均匀覆盖效果，因此有效成分的吸收利用率大大提高。
5．安全高质：纳米微粒是非生物材料，没有排异反应的危险，不会诱发过敏反应，使用更安全。
6．缓释持久：纳米微粒具有缓释作用，其缓慢而均匀的释放可延长活性成分的有效作用时间。
纳米科技范文2
1、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。
（1）发达国家和地区雄心勃勃
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。
日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”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，日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。
（2）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日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。
（3）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。印度政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。
2、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2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。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。
日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在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7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。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2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。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1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。
就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2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，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日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0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。
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6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。
3、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。
（1）在纳米科技论文方面日、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40370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30.22%和18.26%。
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10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，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，与日本接近。
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3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29.46%。
（2）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），其次是日本（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%。日本和德国分别以16.46%和5.28%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、日本和中国台湾。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。
（3）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。这种技术本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。
日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，日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，日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，日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。
日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。
日本企业、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。
4、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14400亿美元。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矾地区建立一个“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、纳米通讯、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。
日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。
纳米科技范文3
当材料的尺寸进入纳米级，材料便会出现以下奇异的物理性能：
1、尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光电、磁、热、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。如当颗粒的粒径降到纳米级时，材料的磁性就会发生很大变化，如一般铁的矫顽力约为80A/m，而直径小于20nm的铁，其矫顽力却增加了1000倍。若将纳米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力学性能，甚至还可以赋予其新性能。
2、表面效应
一般随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。
纳米微粒尺寸d（nm）包含总原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099从表1中可以看出，随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，很容易与其它原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。
3、量子隧道效应
微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用，如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。
二、高聚物/纳米复合材料的技术进展
对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛，按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类：
1、高聚物/粘土纳米复合材料
由于层状无机物在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般为纳米级，它不仅可让聚合物嵌入夹层，形成“嵌入纳米复合材料”，还可使片层均匀分散于聚合物中形成“层离纳米复合材料”。其中粘土易与有机阳离子发生交换反应，具有的亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高其粘结。其制备的技术有插层法和剥离法，插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后，制成“嵌入纳米复合材料”，而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离，形成“层离纳米复合材料”。
2、高聚物/刚性纳米粒子复合材料
用刚性纳米粒子对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善其力学性能的另一种可行性方法。随着无机粒子微细化技术和粒子表面处理技术的发展，特别是近年来纳米级无机粒子的出现，塑料的增韧彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法。采用纳米刚性粒子填充不仅会使韧性、强度得到提高，而且其性价比也将是不能比拟的。
3、高聚物/碳纳米管复合材料
碳纳米管于1991年由S.Iijima发现，其直径比碳纤维小数千倍，其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。
碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出碳纳米管的强度实验值为30－50GPa。尽管碳纳米管的强度高，脆性却不象碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa，比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。
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纳米科技范文4
Computational Nanoscience
2011,448pp
Hardback
ISBN9781107001701
计算机仿真是求解物理问题一个不可缺少的研究工具，在认识和预测纳米现象中起着很重要的作用。然而，专业研究人员使用的计算机代码过于复杂，对于想了解计算机模拟的研究生则比较困难。本书让学生了解先进的计算机代码，教给学生所需的工具来开发自己的代码。本书描述了在计算物理、量子力学、原子和分子物理学、凝聚态理论等学科中的计算问题，提供了先进的算法，是学生非常理想的选择。它包含了多种的复杂程度不同的实际例子，以帮助各种不同层次的读者。可在省略/9781107001701网上找到本书提供的Fortran 90算法库，该算法库以多种实例说明了如何用文中所述的用先进计算方法解决物理问题，为读者提供必要的软件工具。
书中所述的物理问题的计算方法包括基于经典分子动力学的方法、密度泛函方法、全相关波函数等；提供的计算代码包含了不同的基础工具，如有限差分法、拉格朗日函数、平面波方法，运用高斯函数解决束缚态和散射问题，以及描述电子结构和材料的输运性质。并且，对解决同一问题的不同方法，还进行了详细的介绍和比较。全书分为两部分。在第一部分中，研究内容集中在一维问题。这些问题的难度不大，为第二部分更复杂的问题打下基础。在第二部分中，本书描述并模拟了复杂的三维问题。第一部分中解决的问题，其计算代码比较基础，重要组成部分均用文本进行了解释。第二部分包含有很多较复杂步骤的代码程序。这些代码程序往往有数百行语句的内容，并且包含了不同的算法集，因而文中只对代码程序的主体结构进行了解释。本书作者的重点并不在于教授计算机编程，因为市面上已有不少计算机编程的优秀书籍，作者写本书的目的在于教会读者使用编程工具更好地解决物理问题。作者指出，追求代码程序编写简单、容易执行，但也要注意是否牺牲了计算速度和计算效率，以及代码程序写作的易读程度。他鼓励读者按照自己的需要重写这些代码程序。
本书的作者为美国田纳西州范德比尔特大学的卡尔曼•瓦尔加和约瑟夫•A•斯科尔。卡尔曼•瓦尔加是物理和天文学系助理教授，任职于范德比尔特大学。他的主要研究方向是计算纳米科学，专注于开发新的计算方法，比如电子结构的计算。约瑟夫•A•斯科尔同样任职于范德比尔特大学，是物理和天文学系的研究助理，他主要研究纳米尺度现象领域的理论和计算物理。
本书的第一部分可用于计算物理学专业的本科教育。第二部分比较适合于高年级的本科生和研究生。
杨盈莹，
助理研究员
（中国科学院半导体研究所）
纳米科技范文5
关键词 纳米技术 可能性 可行性 可接受性
中图分类号 B82—057 文献标识码 A 文章编号 1007—1539（2012）04—0130—05
一
纳米技术被誉为引领21世纪技术革命的核心技术。早在1959年美国物理学家费曼就曾经提出过在分子和原子水平上塑造世界的愿景。20世纪80年代以来，随着STM（隧道扫描显微镜）的发明，人类操纵原子的梦想已经逐渐成为现实。2000年美国率先启动了国家纳米科技计划（NNI），世界各国也都随之将纳米技术的发展作为21世纪赢得科技制高点的关键技术。“纳米热”在世界范围内展开。今天，费曼所预言的可能性一部分已经成为现实。纳米技术正在逐步走向产业化，走进我们的生活。据不完全统计，目前全球市场正式标称的纳米产品已超过1317种。与此同时，为了避免重复过去“先发展后治理”模式所带来的弊端，防止“创造的发动机”（engines of creation）演变成“毁灭的发动机”（engines of destruction），NNI在最初的计划中即将纳米技术的伦理与社会研究纳入了规划，2001年NNI分配给纳米技术社会影响的研究经费在1600—2800万美元之间；2003年3月和10月，在美国的南卡罗莱纳州大学和德国的达姆施塔特技术大学分别召开了由哲学家和伦理学家与自然科学家、工程师共同参与的国际跨学科学术研讨会——“发现纳米尺度”，纳米技术的伦理问题成为这两次会议的主要议题。自此，纳米伦理研究在世界范围内逐渐兴起。
纵观纳米伦理研究（从2003年这一概念的提出到今天）近十年的历史，可以发现，迄今为止的纳米伦理学的讨论主要集中在两个层面，即有关现实问题的描述性、实证性研究和有关未来问题的推测性、概念性研究。一方面，由于纳米技术在现阶段的主要应用领域集中在纳米功能材料，尤其是纳米粉体和液体材料的使用方面，而纳米粉体在生产、存储、运输和使用等环节都有可能对身体和环境构成威胁，因此，在这方面的伦理讨论主要集中于有关纳米粒子的毒性研究、危害和风险的识别、工作场地的选择和风险控制、工人对风险的知情问题以及工人健康的医学保障等。另一方面，纳米技术的目标是在分子和原子层面重塑世界。这就涉及未来世界的图景和我们对世界的理解与基本概念问题。因而这方面的伦理讨论多从对未来世界的大胆推测和想象开始，设想了一系列可能的未来场景，并就其可能的后果进行伦理辩论。如果可能在大脑和机器之间建立直接的交互，当机器被用来阅读人的思想或者特定的精神状态时，就侵犯了人的隐私；如果分子制造在接下来的20—50年里可以实现，我们需要为全球富裕时代和新经济组织做好准备等。
显然，这些讨论——无论是关于现实的还是未来的问题的讨论，都是从后果出发、从可能性出发的。不同的是，有的是从现实的后果出发，有的是从潜在的后果出发。这些讨论对于唤醒人们对纳米技术风险的意识，从纳米技术发展的早期即开展风险管理和治理的同步研究，无疑具有重要的实践意义。然而，和所有的结果主义论证一样，它存在着两个致命的弱点，一方面，它难免陷于功利主义的风险与利益权衡，而在一个价值多元的世界里，人们很难就此达成共识；另一方面，对于纳米技术这样的不确定性技术而言，从结果出发的伦理评价由于其结果的推测性而难免走向乌托邦或敌托邦的幻想。
Nordmann认为，这种“If and then”的纳米伦理研究模式将关注的焦点瞄准未来，让想象的未来压倒真实的现在，通过If暗示一个可能的技术发展开始，并要求及时关注其结果then。在这个句子前半部分看起来不太可能的未来，在第二部分成为不可避免的东西。一个假定的现实取代了这个假想的未来，一个想象的未来淹没了当下。而我们都知道，对于作为“enabling technology”的纳米技术而言，由于其应用层面的开放性，决定了尽管人们可以证明它的现实的必要性，但却不能证明它的充分必要性，更不可能证明其发展的必然性。此外，这种从可能性到可能性的伦理反思推测虽然预设了未来的科学和技术，却没有考虑未来社会规范和伦理也可能发生变化。
毫无疑问，对可能性的畅想是科学研究的起点。在关于纳米技术的可能性世界的描述中，虽然含有或多或少的推测性成分，或者说“未来主义色彩”，但恰恰是这些想象引导着人们的创新，引导着人们去寻找从可能性转变为现实性的条件。同样，关于纳米技术的伦理学也需要对未来可能性后果的想象，以唤醒人们的伦理意识，在纳米技术发展的早期即采取适当的措施，避免重蹈过去“先发展，后治理”的覆辙。但如果简单地用今天的知识、伦理规范和评价尺度去衡量潜在的、未来的技术、未来的技术活动，这样的伦理评价显然缺乏合理性基础，也同样面临着“道德风险”。
二
纳米科技范文6
【关键词】 ，黄帝内经
［摘要］ 《黄帝内经》中论述了两千多年前听音辨人的理论和技术，即通过辨别人声的二十五种变化，施以不同的饮食调理与经络调理，从而达到治未病的目的。21世纪初，在基于纳米水平的细胞声学研究中，已初步证明细胞是可以发出声音的。细胞病变时，最先产生声音的变化，故有可能通过细胞声音的变化，尽早发现疾病。此发现与《黄帝内经》中听音辨人的理论，在生命研究的不同水平上不谋而合。纳米技术有可能进入中医基础理论研究之中，从而实现中医研究的现代化。
［关键词］ 黄帝内经; 二十五音; 纳米技术; 细胞声学
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 失传两千多年的《黄帝内经》五脏相音理论
《素问・五脏生成篇第十篇》云：“夫脉之大、小、滑、涩、浮、沉，可以指别；五脏之象，可以类推；五脏相音，可以意识……”。《素问・阴阳应象大论第五篇》云：“善诊者，察色按脉，先别阴阳；审清浊，而知部分；视喘息，听音声，而知所苦……”。《灵枢・顺气一日分为四时第四十四》云：“病变于音者，取之经。”《灵枢・五音五味第六十五》详细论述了通过区分人之声音，依据不同的声音施以不同的饮食及经络调理，以期达到治未病的目的。此文两千多年来鲜有研究者，以至明代张介宾在注释时云：“此或以古文深讳，向无明注，读者不明，录者不慎，而左右上下大少五音之间，极易差错，愈传愈谬，是以义多难解晓。不敢强解，姑存其文，以俟后之君子再正。”［1］
2 当代物理声学的研究
辨别声音是传统中医重要的诊断和治疗方法之一。但是，以耳来分辨声音，对医者的个体要求极高，这可能是《黄帝内经》五脏相音诊疗技术失传的重要原因之一。当今，物理声学对个体声音分辨的技术已十分成熟，因此有条件对《黄帝内经》五脏相音技术重新进行科学的研究。
自2002年起，笔者等［2～7］对五脏相音理论进行了整理发掘，利用现代物理声学、电磁学和计算机等技术来分辨二十五音，同时开展了大量的理论及临床应用技术研究，在临床应用中达到了预期的效果。纳米技术是一项现代高科技，利用这一技术研究传统中医基础理论，尤其是《黄帝内经》中的基础理论问题，可能会令许多人疑惑，但目前已成为一个不争的事实。
3 基于纳米技术的细胞声学
2001年，国际著名的纳米技术研究先驱Gimzewski教授得知，离体的心脏活细胞置于营养液中保存时仍会继续跳动。由此他想：如果细胞持续跳动，就会产生振动，这种振动可能是细胞分子运动产生的推力，这种推力在空气中产生压力波，传导至内耳的鼓膜，就成为人所能听见的声音。这种振动虽然很微小，但用特殊的仪器完全可以将其测出。
Gimzewski教授发明的纳米计算机，被吉尼斯纪录确定为世界上最小的计算机。利用他的原子力显微镜（atomic force microscope），可以精确测知单细胞细胞壁上的任何振动，并把它们转换为声音。检测发现：细胞壁以1 000次/s的频率上下波动，波幅平均只有3 nm左右，最高可达7 nm，最小也只有1 nm。1 nm＝1/1 000 000 mm，3 nm相当于15个碳原子叠加在一起。正常状态下，酵母菌细胞的声音始终保持在一个稳定的范围内，相当于音乐的C～D调之间，就像一位中音C的歌手。当用酒精喷洒这些酵母细胞时，它们发出尖叫，振动频率大大升高；当它们垂死时则发出低沉的隆隆声。Gimzewski教授认为这可能是随机的原子运动发出的声音［8］。这些细胞的振动频率在800～1 600 Hz之间，而人的耳朵可以感受20～20 000 Hz的频率，正好可以落入人耳的听觉范围，只不过振幅太小，人无法感觉。Gimzewski教授认为，只需将音量加大，人类就能够听到这些声音。
研究还发现，具有遗传变异的酵母细胞与正常细胞相比，其发出的声音也有轻微的差异。哺乳动物的细胞与酵母细胞的发音也略有不同。因此，科学家们设想，能否根据细胞声音的变化来诊断细胞的病变。Gimzewski教授坦率地承认，他不能肯定这些细胞是否真正地发出声音，它们也可能是吸收了来自其他地方的振动，包括显微镜本身的振动。但是，如果细胞确实发生了振动，这将是一种神奇的、优雅的、新的诊断工具。Gimzewski教授把这一研究领域称为细胞声学（sonocytology）。
4 细胞声学的评价及展望
2004年3月，Gimzewski教授的研究首先发表在Smithsonian杂志上。专家评论认为，这一新信号的发现，将使人类有可能在症状未出现之前，在细胞水平就能“听”出疾病的发生［9］。现代医学是建立在显微镜发明之后才诞生的病理学基础上的一门学科，当时著名的病理学家微耳和（Virchow)宣称，一切疾病都是细胞的疾病。现代医学的最后诊断，还必须依靠病理学。细胞声学的重大意义可能就在于：在细胞还未发生病理学形态改变前，就能提示病变的可能。由此，重温《黄帝内经》中有关声音与疾病的关系，就更令人感到惊奇。
美国Science杂志未发表Gimzewski教授的研究结果之前，德国慕尼黑Ludwig Maximilian大学的Hermann Gaub教授曾说：“Gimzewski教授相信细胞的振动可能有其它来源，必须排除来自细胞外的潜在声源，但‘如果振动源来自细胞内部，这一发现将是革命性的、引人入胜的、难以置信的’”。Gimzewski教授的学生Pelling和Gimzewski教授正在做一系列的测试，以排除在细胞营养液中或由于原子力显微镜探头顶端产生振动源的可能性。美国加利福尼亚大学神经科学和生物物理学家Ratnesh Lal教授在对离体的心脏活细胞进行研究后认为：Gimzewski教授的纳米技术专业是他建立细胞声学的关键。他说：“最终目的是要用这项技术进行诊断和预防疾病，在这个世界上，能够做到这一点的，除Gimzewski教授以外，别无他人。”几个月后，美国Science杂志发表了Gimzewski教授等人的研究论文。
5 别具一格的音乐会
Gimzewski教授的学生Pelling和媒体艺术家Anne Niemetz根据细胞声学的研究结果，在洛杉矶市艺术博物馆举办了一场别开生面、举世无双的音乐会，音乐会的名称为：细胞的黑暗面［10］。进入音乐厅，就如同进入了细胞内部，既有视觉，又有音乐，还可以听见利用原子力显微镜记录下的，经过放大的细胞在各种情况下发出的声音。该音乐会由五个部分组成，以表现整个科学发现的过程：（1）观察；（2）构想来龙去脉的可能方式；（3）通过努力将细胞固有的特性顺应纳入自己特有的整合系统之中，较好地反映细胞情感反应的范围；（4）使它们符合各种环境；（5）细胞所唱的歌必须是原汁原味的，其声响效果未经任何修饰。
6 细胞发声的理论基础
目前最大的困惑可能是：一个单细胞如何具备发声功能，而更令人难以理解的是这种发声功能如何具备临床意义。如果我们能进一步了解细胞的结构，就能充分解答这一问题。
早在1961年，Buckminster Fuller首先提出细胞框架结构理论，认为细胞的结构并无一定尺寸的限制，细胞外层表面可形成完整的张力，具有充分的活力。1969年，Kenneth Snelson在此基础上提出细胞框架有如针形城堡（the needle tower）的理论，即细胞框架由蛋白链组成，它们有的薄、有的厚、有的中空，它们如线、如棒，相互连接在一起，形成一种稳定而柔韧可变的结构［11］。正是由于细胞框架具有完整张力且灵活多变，因此它们行动便捷，可以根据外界环境的变化，如温度、营养物质的浓度、化学物质的改变等种种因素，而改变自己的运动方向，得以生存和繁衍后代。也正是由于这种构造，使细胞表面具有振动的可能，因振动而产生声音，这就是我们在原子力显微镜下所看到的现象。
7 纳米技术进入中医基础理论研究的可能性
Gimzewski教授开创的细胞声学，为我们打开了微观世界中细胞运动的一个场景，并开创了一个新的高科技研究领域：声音与疾病的关系。由此联想到《黄帝内经》中论述的宏观意义上的脏腑的声音、辨色听音察体诊断疾病、以声音区分阴阳二十五人并进行饮食和经络调理以达到治未病的理论，将其与微观的细胞声学理论进行比较，我们发现了两者之间惊人的相似之处。
微观与宏观之间，即从细胞、组织、器官，再到人体，这中间还有许多环节，我们目前还不知道他们之间存在的确切关系，尚有待我们进一步的研究和证实。譬如经络，至今我们仍无法直观确定，只能运用间接手段加以证实。
运用纳米技术研究中医基础理论，将使传统中医基础理论的研究跃入现代科学研究领域的前沿。但愿我们有一天能揭开传统中医的神秘面纱。
［参考文献］
1 张介宾. 类经［M］. 北京: 人民卫生出版社， 1965. 110.
2 高也陶. 阴阳二十五人的经络调理［M］. 北京: 中医古籍出版社， 2003. 1200.
3 高也陶， 潘慧巍. 磁石美颜祛病养生系统［J］. 中华实用医药杂志， 2003， 3(20): 18771878.
4 高也陶， 潘慧巍， 吴丽莉. 阴阳二十五人的经络调理［J］. 中华医学研究杂志， 2004， 4(1): 18.
5 高也陶， 时善全， 吴丽莉， 等. 循经传感磁疗贴的磁场强度变化研究［J］. 中华医学研究杂志， 2004， 4(6): 500502.
6 高也陶， 石春凤. 《黄帝内经》中阴阳二十五人对应的二十五音［J］. 中华医学研究杂志， 2004， 4(7): 577580.
7 高也陶， 施 鹏， Sheldon XL. 《黄帝内经》阴阳二十五人分型的数学建模［J］. 医学与哲学， 2004， 25(12): 4144.
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.
9 Wheeler M. Signal discovery?［J/OL］. Smithsonian， March 2004. smithsonianmag.si.edu/smithsonian/issues04/mar04/phenomena.html.
