什麼叫生物元件

『壹』 納米生物器件的分類

納 米 科 技

丁福全

前 言

一、納米與納米科技的基本概念
二、納米科技發展的十年
三、「納米熱」
四、納米技術的應用
五、結束語
參考文獻

納 米 科 技——21世紀高科技三劍客之一

前 言

人類從工業經濟向知識經濟轉變的時代，正好是20世紀和21世紀交替的時候。所以說20世紀是工業經濟高度發展的世紀，那麼21世紀，則是知識經濟如日東升的世紀。知識經濟的基本特徵預示著21世紀人類經濟，乃至整個人類社會，將發生許多深刻的變化，經濟發展的持續性，將把人類推向一個新的文明時代。人類的知識，不僅是「重新安排」物質的知識，使之得到充分的發展。重新安排「人類精神」的知識，也將得到更大的發展。

今天，納米科技開發的大潮正在全球掀起。這是人類科學進步的又一體現，是發展新經濟的又一次機遇，是人類創造科技奇跡的又一次大好機會。因此，各國的科技力量雲集於這個納米科技開發的大戰場。排好隊形，擺開陣勢，決戰這個戰場。有人說，這是一場無硝煙的激戰，是一場高科技領域的世界角逐。其科技含量和創造輝煌的程度將超過人類任何一次科技成就。

一、納米與納米科技的基本概念

「納米」是英文namometer的譯名。另一種說法「納米」一詞源自於拉丁文「NANO」，意思是「矮小」。納米是一個度量單位，是一個長度單位。納米材料構築的物質，是看不到，摸不著的微細物質。

1納米，即1nm=10-9m，也就是十億分之一米，約相當45個原子串在一起的長度，或者說，1個納米大體上相當於4個原子的直徑。如果將1m與1nm相比，就相當於地球與一個玻璃彈球大小相比。人的一根頭發直徑約為80μm（微米），即80000nm，如果一個漢字寫入尺寸為10nm，那麼在一根頭發絲的直徑上就可寫入8000字，相當於一篇較長的科技論文容量。

所謂納米科技是以1~100nm尺度的物質或結構為研究對象的一門新興學科，就是指通過一定的微細加工方式，按人的意志直接操縱原子、分子或原子團、分子團，使其重新排列組合，形成新的具有納米尺度的物質或結構，研究其特性，並由此製造新功能的器件、機器以及其它各方面應用的科學與技術。

可見，納米科技的首要任務就是要通過各種手段，如微細加工技術和掃描探針技術等來制備納米材料或具有納米尺度的結構；其次藉助許多先進的觀察測量技術與儀器來研究所制備納米材料或納米尺度結構的各種特性，最後根據其特殊的性質進行有關的應用。所以，從一定程度上講，納米材料、納米加工製造技術以及納米測量表徵技術構成為納米科技發展的三個非常重要的支撐技術。納米科技開發領域，主要有：納米體系物理學、納米體系化學、納米材料學、納米電子學、納米光子學、納米機械學、納米加工製造學、納米表徵測量學及納米醫學，等等。

二、納米科技發展的十年

追求新鮮和進步是人類文明的動力。納米科技形成獨立學科領域是在20世紀90年代，1990年在美國巴爾的摩召開了第一屆國際納米科技會議（Nano I），成立了常設機構——顧問委員會，中國是成員之一。該委員會將納米科技的研究范圍分為6個部分。

納 米 學 科 分 類

納米電子學
納米物理
納米化學
納米生物學
納米機械
納米測量

1993年8月在莫斯科召開了第二屆國際納米科技會議(Nano Ⅱ)1996年在北京召開了第四屆國際納米科技會議(Nano Ⅳ)。2000年在德國舉行了第六屆國際納米科技會議（Nano Ⅵ）。

三、「納米熱」

納米科技中具有主導或牽頭作用的是納米電子學，因為它是微電子學發展的下一代。現今發達國家的主導工業已是以微電子為基礎的電子工業，不再是鋼鐵、材料、能源、化工、交通。目前所有發達國家的政府和企業都在對納米科技的研究、開發進行大量的投入，試圖搶佔21世紀戰略技術的制高點。2000年1月，美國柯林頓總統在加州理工學院演講時說：「我們將在原子和分子水平操縱物質。想像一下這樣的可能性：材料具有10倍於鋼的強度，而重量只有鋼的六分之一；把國會圖書館的所有信息壓縮進入一個只有一塊方糖大小的器件；在腫瘤只有幾個細胞大小時就能檢測出來」 。

2001年1月18日。中國成立了中國納米科技指導協調委員會，制訂發展中國納米科技的計劃。目前國家已初步規劃在北京、上海成立北、南兩個研發中心（納米科技創新基地）。

當前我國納米科技發展的主要任務是：①加強納米科技前沿的基礎研究和基礎性工作；②突破一批納米科技發展共性關鍵技術；③開拓納米材料和器件的應用，培育相關產業；④建設國家納米科技基礎設施和研究開發基地；⑤建設高素質的納米科技骨幹隊伍。

德國國家科學技術部於1996年對2010年納米技術的市場做了預測，估計能達到14400億美元。

四、納米技術的應用

(一) 納米材料

1. 納米材料與納米結構的定義

廣義地說，納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1~100mm）或由他們作為基本單元構成的材料。納米結構是指由納米尺度的基本單元按照一定的規律構建或組裝成的一維、二維或三維體系。

納米材料和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力，對未來經濟和社會發展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。

2. 納米材料的特性

（1）表面與界面效應

這是指納米晶體粒表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大後所引起的性質上的變化。例如粒子直徑為10納米時，微粒包含4000個原子，表面原子佔40%；粒子直徑為1納米時，微粒包含有30個原子，表面原子佔99%。主要原因就在於直徑減少，表面原子數量增多。再例如，粒子直徑為10納米和5納米時，比表面積分別為90米2/克和180米2/克。如此高的比表面積會出現一些極為奇特的現象，如金屬納米粒子在空中會燃燒，無機納米粒子會吸附氣體等等。

（2）小尺寸效應

當納米微粒尺寸與光波波長，傳導電子的德布羅意波長及超導態的相干長度、透射深度等物理特徵尺寸相當或更小時，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學等性能呈現出「新奇」的現象。例如，銅顆粒達到納米尺寸時就變得不能導電；絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時卻開始導電。再譬如，高分子材料迦納米材料製成的刀具比金鋼石製品還要堅硬。利用這些特性，可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能，此外又有可能應用於紅外敏感元件、紅外隱身技術等等。

（3）量子尺寸效應

當粒子的尺寸達到納米量級時，費米能級附近的電子能級由連續態分裂成分立能級。當能級間距大於熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態的凝聚能時，會出現納米材料的量子效應，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強，在1.1365千克水裡只要放入千分之一這種粒子，水就會變得完全不透明。

（4）宏觀量子隧道效應

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統的勢壘而產生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。

3. 納米材料的應用

納米材料的諸多優異性，可能在光電器件、靈敏感測器、隱身技術、催化、信息儲存等廣泛的領域得到應用。包括在建築、化工、紡織、汽車和環保等行業中的應用奠定了基礎。比如納米陶瓷具有超塑性、耐高溫、耐磨性好、硬度高、透光等特點，可以使其用作製造人造骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滾動軸承、壓電地震儀、宇宙飛行器的「頭盔」，可製得「摔不碎的酒杯」或「摔不碎的碗」等。納米塑料，是一種高強度、不老化的新穎塑料。它的硬度比碳鋼強4~6倍，比重僅為鋼鐵的1/4，良好透光，不發生變性情況。如用納米塑料製造一台汽車，其重量僅為鋼鐵材料製成的汽車的1/4。還有所謂納米金屬、微孔玻璃、納米金鋼石、納米磁性材料、納米復合材料、納米超導材料等。

（二）納米電腦

電腦是20世紀人類的一大發明。由於納米材料和納米技術的出現，由納米結構技術支持和納米材料組裝成的新一代電腦將是21世紀的最重大的科技發明之一。

納米電腦的核心元件就是納米晶元。有所謂蛋白質晶元，DNA晶元。這種蛋白質晶元體積小，元件密度高，據測每平方厘米達1015至1016個，比矽片集成電路高3~5個數量級，其存儲量可達到普通電腦的10億倍。DNA晶元又稱基因晶元，在1立體毫米晶片上可含100億比特，運算速度更達到10微微秒（一千億分之一秒），比現有的電腦快近100萬倍。電腦晶元的不斷更新將使電腦更加智能化，同時提高網際網路的速度並大大促進電子商務，高清晰電視和無線通信的發展。

在新型的納米晶元支持下，納米級電腦包括了所謂超導電腦、化學電腦、光電腦、生物電腦（其中DNA電腦運算速度快，它幾天的運算量就相當於目前世界上所有計算機問世以來總運算量），量子電腦（其基本元件就是原子和分子），神經電腦（用許多微處理機模仿人腦的神經元結構，採用大量的並行分布式網路就構成神經電腦，又稱為人工大腦）。

（三）納米武器

納米技術的軍事應用主要集中在納米信息系統和納米攻擊系統兩大類上。

納米信息系統是指以納米技術為核心的信息傳輸、存儲、處理和感測系統。目前研製的主要有：

1.微型間諜飛行器。只有15厘米長，至少能持續飛行1小時以上，飛行距離可達十幾公里。進行偵察、收集情報信息，起一種潛伏哨的作用，以後也可被做得像一隻小蜜蜂一般大小。

2.袖珍遙控飛機。是一種不足撲克牌大小的遙控飛行裝置。機上裝有超靈敏感應器，這種感測器不僅可以聞出柴油機排出的廢氣，而且可以在夜間拍攝清晰的紅外照片。它可將所獲取的最近情報信息傳輸到200公里以外的基地。

3.「間諜草」。實際上是一種分布式戰場微型感測網路，外形看似小草，裝有敏感的電子偵察儀、照相機和感應器。

4.納米衛星。利用微電子機械和納米電子技術製造的慣性檢測元件、換能器、射頻元件、光學元件、電源系統及各種感測器核心片作為星載設置，可使衛星的體積和重量大為減小。重量小於100克。納米衛星其實質是一種分布式的衛星結構體系，或布設成局部星團，或布設成分布式星座，這種分布式體系可避免單個衛星失靈後帶來的危害，提高航天系統的生存力和靈活性。這種衛星用一枚小型運載火箭一次可以發射數百顆乃至上千顆。

5.高性能敵我識別器。

6.有毒化學戰劑報警感測器。

納米攻擊系統。這是運用納米技術製造的微型智能攻擊武器。有所謂微機器人電子失能系統、昆蟲平台、「螞蟻雄兵」、「機器蟲」，「蚊子」導彈、「針尖」炸彈（其大小隻有針尖的1/5000）。

這些微型武器廣泛應用於戰斗中，將使那些稱雄一時令人生畏的重裝武器系統被取代，或使它們敗在手下。所謂小魚吃大魚。

這些微型戰士按軍兵種分類，有所謂微型陸軍、微型空軍、微型海軍（納米魚雷、納米水雷、納米導彈、納米炸彈、納米雷達、水下深潛探測器、無人水面偵察快艇、微型偵察潛艇等）、微型天軍。納米武器由於具有超微型和智能化的明顯優勢，打擊敵方的神經系統必然是納米武器的首選目標。通過納米武器所煥發出來的巨大戰爭威力而使敵方宏觀作戰體系「突然癱瘓」，以致不得不屈服於微型武器所造成的戰爭壓力。

21世紀的戰爭將是什麼樣式？戰場將出現何種變化？怎樣為此進行戰爭准備？這是事關各國國家總體戰略和國防發展戰略的重大問題。因此，對21世紀可能發生的戰爭及戰場形態進行科學預測，已成為當今世界各國謀求國家安全的重要途徑。預學預測的主要依據是當今迅猛發展的微電子技術。

未來的戰略競爭將是硬體技術和軟體技術的競爭。

(四)納米工業化

利用納米技術製造機器——微型機械。這種微機械雖然體積極其微小，但卻是「五臟俱全」。它既有大腦（電腦和控制器），又有手腳（感測器和驅動器）和電源。它是機、電、磁、光、化學、電腦、自動控制、感測技術與信息處理等多種技術的綜合或融合的產物。

如用成千上萬個非常低廉的細小而極簡單的機器人去收割莊稼，有如一大群蝗蟲去「收割」一片莊稼，要比使用一台大型聯合收割機快。

當地下電纜斷了以後，讓成千上萬個微型機器人沿著電纜爬行，爬到斷頭時，便舉起前腳搭在前端斷頭上，於是微型機器人便成為連接線，永久留在電纜上。

（五）納米農業

（六）納米醫療和保健系統

納米技術的應用，將使基因組、動物克隆、人造細胞、人造器官、創造生命和攻克癌症頑疾等多個醫學領域上取得突破。

（七）一個全新的服務行業

21世紀，隨著納米技術的發展和普及，一個全新的納米產品服務行業將會誕生。它將給人類帶來一個全新的生活和工作空間。

1. 更精彩的納米世界電影

納米世界也與宏觀及中觀世界一樣，都存在著各種微觀物質的活動。而且，活動的種類和內容更加豐富多彩。可以想像，如果人們要看一部病菌和殺菌分子機器人「決斗」的記錄片。可以將無數台分子攝像機放入血管中，進行現場轉播或拍攝成電影。其真實性則大過現實人們電腦合成的仿生動畫片。

利用這一納米電影形式，還可以幫助人們診斷疾病和觀察病人治療的情況。

2. 納米電視

21世紀10年代將出現像紙一樣薄的由納米材料構成的大屏幕液晶顯示屏。這種電視高清晰度、無輻射、耗電低，它的顯示材料是由特種的納米級材料組成；而電視的全部電器是使用納米元件。

3. 納米新聞素材

4. 優美的自然音樂

在大自然中存在著很多優美的聲音旋律，如鳥鳴、雞啼；瀑布轟鳴，江河咆哮等。而在微小的納米世界中，也存在著各種物質的分子和原子運動時所發出優美動聽的音樂旋律。

5. 納米光碟出版物

一張3寸光碟，可以儲存上百萬億個字元。如果使用生物納米碳管，則儲存量更大，可以達到1T（萬億）個字元，相當於1千萬本書的字數。

6. 飲食業的納米科學

五、結束語

納米科技是一把雙刃劍。

有一類納米材料，因為其體積小，在常溫常壓下，由於布朗運動，它是懸浮在空間或液體中的，所謂具有飄浮的彌散行為。因此，在使用這類材料時，特別要注意這個飄浮特性，否則會造成對於人類環境和身體的污染、侵害。由於納米材料很小，小到可以容易地通過各種渠道，如呼吸系統、五官，甚至皮膚的毛囊毛孔進入人體內部，所以它是比空氣中粉塵危害更大的污染，不可以掉以輕心，否則也許會出現比癌症、艾滋病、瘋牛病等更嚴重的傷害人類的自然災害。當然還有其它潛在的危險，如果納米機器人忘記停止復制怎麼辦？如果沒有某種內在的停止信號，那麼災難是極可能發生的。快速復制的納米機器人在人體內擴散的速度可以比癌細胞還要快，從而會排擠掉正常的組織，等等。

但是，我們也不能就因噎而廢食，雖然納米技術專家們並不排除這些危害，但是專家們都相信是可以應付的。

納米科技將給人類帶來無限美好的未來。

參 考 文 獻

1.薛增泉著.納米科技探索.北京:清華大學出版社,2002

2.龔建華著.走進納米世界.廣東:經濟出版社,2001

3.顧寧,付德剛，張海黔等.納米技術與應用.北京:人民郵電出版社,2002

4.趙冬等.納米技術與納米武器.軍事誼文出版社,2001

5.李鳳生等.納米/微米復合技術及應用.北京:國防工業出版社,2002

6.張玉龍等.納米技術與納米塑料.北京:中國輕工業出版社,2001
參考資料：http://it.caep.ac.cn/jwc/jiaoluntan/lun-ding-namikeji.doc

『貳』 什麼是生物計算機和量子計算機

生物計算機：
生物計算機也稱仿生計算機，主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，並以此作為生物晶元來替代半導體矽片，利用有機化合物存儲數據。信息以波的形式傳播，當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，會引起蛋白質分子鏈中單鍵、雙鍵結構順序的變化。運算速度要比當今最新一代計算機快10萬倍，它具有很強的抗電磁干擾能力，並能徹底消除電路間的干擾。能量消耗僅相當於普通計算機的十億分之一，且具有巨大的存儲能力。生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能，自動修復晶元上發生的故障，還能模仿人腦的機制等。
量子計算機：
量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

『叄』 生物感測器常用的敏感元件都有哪些

生物敏感材料是生物感測器的核心，有人將敏感元件中的敏感物質稱為分子探針。常用的生物 敏感元件有各種酶、微生物(病毒、細菌）、動植物組織、化學和生物發光物法、抗體和受體、DNA等生 物敏感組分。

敏感膜一般由膜基體、膜材料和生物敏感材料構成。膜基體是敏感膜的載體，它關系著有效地 發揮敏感材料的作用和膜的壽命，即生物感測器的使用壽命。常見的膜基體材料有:鉬、金、鈀等金 屬;二氧化硅(石英、玻璃）、氮化硅、桂、鍺、金屬氧化物等無機或半導體;聚氯乙烯、硅橡膠、纖維素等 有機物。

『肆』 什麼是生物晶元，有什麼用處

在我們科技不斷發展的時代中，越來越多新型技術給我們帶來很多便利，如智能機器人，VR體驗啥的，都是我們日常生活中所遇到的，我們不光在網路科技發展得這么迅速，在生物學中也有很大突破，如生物晶元技術，那麼就有很多人疑惑，什麼是生物晶元，它的作用是什麼？生物晶元是通過某種技術對細胞構成微生分析系統以實現快速分析。它的作用是用於醫學人類疾病的研究。

這同時也表明癌症疾病比人類基因組計劃所想像的要復雜得多。這時，生物晶元的提議已成為研究病理學的權威工具。目前，國外生物晶元的醫學應用主要用於癌症和葯物研究，可以看出，生物晶元在人類疾病過程研究中發揮著重要作用。