纳米技术概论期末复习

一、选择题

1、纳米（nm）是一个长度单位，它等于。

A.10-6 米

B.10-9 米

C.10-10 米

D.10-3米

2、一般而言光学显微镜由于受到光学衍射的限制，其分辨率约为

①200纳米(nm)②1毫米(mm)③10微米(μm) ④3～5纳米(nm).

3、准一维纳米材料是指在两个维度上为纳米尺度，长度约为微米

级、毫米级的新型纳米材料。下列各选项中，属于准一维纳米材料的是A.纳米粒子B.纳米结构薄膜C.碳纳米管D.储氢合金粉末

4、1981年美国IBM公司的科学家们发明了扫描隧道显微镜和原

子力显微镜，极大地推动了纳米科技的发展。这两种微观表征和操纵技术的英文缩写为。

A.SEM和STM

B.SPM和AFM

C.SEM和SPM

D.STM和AFM

5、原子的直径在0.1～0.3nm之间，原子核的大小约几个费米

（1fm=10-15m）。人类的遗传物质DNA是纳米科学技术的重要研究对象，DNA螺旋结构的横向尺寸约为。

①1-3nm ②3～5μm ③100μm ④200μm

6、研究表明，纳米粒子粒径从100nm减小至1nm，其表面原子占

粒子中原子总数的比例将。

①减小②不变③尚无定论④增大

7、固体物质随着晶粒尺寸的细化，其熔点将表现出明显变化。差

热分析(DTA)实验表明，平均粒径为40nm的纳米铜粒子的熔点与同一种固体材料的熔点相比，。

①降低300℃左右②无明显变化③升高了300oС左右④由3000℃左右降到1000℃

8、科学研究发现，从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在纳米尺度范围，即纳米结构也是生命现象中基本的东西，例如DNA的直径约2nm左右，SARS病毒约60--120nm，艾滋(AIDS)病毒约。

①100埃②100nm ③100μm ④1～3μm

9、下述所列纳米材料制备技术或方法中，属于液相制备方法的是。①激光诱导化学气相反应法②电子束加热法

③高能球磨法④溶胶－凝胶法（Sol-gel）

10、1985年英国科学家克罗托（H.W.Kroto）和美国科学家柯尔（R.F.Curl）和斯莫利（R.E.Smalley）合作研究，共同发现了以C60为代表的富勒烯家族。一个C60分子的结构类似于一个足球，它是由。

A.12个五边形和20个六边形组成的球体；

B.20个五边形和12个六边形组成的球体；

C.32个六边形组成的球体；

D.32个五边形组成的球体。

二、填空题

1、最早明确提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家，诺贝尔物理奖获得者理查德·费曼，1959年12月29日，他在一次著名的“在底部还有很大空间（There is plenty of Room at the Bottom）”的演讲中提出：如果人类能够在原子∕分

子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。

2.纳米科学技术(NST)的最终目标就是根据人类的意愿，直接操纵

和排布原子、分子以创制出新的材料和器件，其NST的英文全称为Nano-science and technology 。

3.当纳米粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能

级由准连续变为离散(或分立)能级的现象以及纳米半导体粒子能隙的调制现象，均被称为量子尺寸效应。

4、为制造具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为“自上而下”(top-down)和“自下而上”(bottom-up)两种方案。其中“自下而上”是指以原子、分子为基本单位，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器件或产品的方式。

6、目前，从学科角度层面上划分，纳米科学技术主要包括纳米(体系)物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工与测量学、纳米力学等7个既相对独立又相互渗透的学科。

*在纳米电子学中，电阻的欧姆定律已不适用。

7、碳材料有非晶碳(无定形碳)和晶态碳材料之分。其中晶态碳材料包括石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管；其中 C-60 的发现开创了碳科学的新领域，同时，三位科学家也因此分享了1996年诺贝尔化学奖。

8.介观的意思是介于宏观和微观。大致上讲，所谓宏观尺度的下限是肉眼所能分辨的最小尺寸，而微观尺度的上限约为原子分子的大小，

即0.1nm左右。

9、2000年1月21日美国总统克林顿在加州理工大学正式宣布一项新的国家计划，即国家纳米技术(推进)计划，简称为NNI，英文全称为National Nanotechnolgy Initiative

10、纳米生物材料工程是纳米科技的热点研究领域之一，目前主要集中在6个方面的研究与开发，即生物分子操作和组装、可控室温活性的功能分子膜、生物分子芯片、生物分子识别专家系统、自组装生物膜、生物分子机器。

三、名词解释或问答题

1、纳米科学技术：

是指在纳米尺度上研究物质组成体系的运动规律和相互作用，以及在应用中实现特有功能和智能作用的、多学科交叉的科学和技术。2、小尺寸效应（亦称体积效应）

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化现象称为纳米材料的小尺寸效应。

小到与光波波长或德布罗意波长、超导体的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米粒子的表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性发生变化的现象。

3、纳米材料：

是指在三个维度上至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本组元构成的材料。主要包括纳米粒子或纳米粉体材料，一维纳米

材料、纳米薄膜、纳米块材。

4、纳米器件

利用量子效应而工作的电子器件通称为纳米器件。通常分为三类，即纳米电子器件、光电子器件和分子电子器件。

5、纳米生物材料工程：

是通过生物大分子操作，研究和开发生物功能材料、生物分子芯片及生物分子识别和检测、纳米分子机械等方面的技术。其科学基础是基于基因特征的分子表达、生物大分子之间、大分子与表面之间以及细胞与表面之间的相互作用的规律和机理的认识。

6、宏观是子隧道效应：

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。研究发现，宏观物理量如纳米粒子磁化强度、量子相干器件中的磁通量等具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。

四、简答题

1、我国近年来纳米科技基础研究计划的科学目标是什么？

答：纳米科技是近年来迅速崛起和飞速发展的研究领域，无论从理论还是实验方面都仍处于研究探索阶段。我国“纳米科技基础研究”以探索和发展科技的基本理论和建立新的研究方法及新的实验技术为基本出发点，提倡多学科交叉，注重基础研究。

拟实现以下目标：

a综合运用现代物理学、生命科学、信息科学、化学的理论和方法，以纳米科技所涉及的新概念、新结构、新方法、新技术以及新材料为

突破口，在理论和实验的源头创新上有所突破，提高我们在纳米科技研究领域的整体创新能力；

b解决对我国的科学技术进步和国民经济发展以及国防建设具有重大意义的纳米科学问题，为国家科技长远发展做储备；

c通过重大研究计划的实施，稳定支持一批具有创新意识、思维活跃、立足国内的科研人才队伍，培养和造就一批在纳米科技研究领域国内外公认的我国科研人员队伍。

2、美国纳米技术计划（NNI）优先发展的领域有哪些？

答：美国NNI计划的优先领域包括以下5个方面：

（1）长期基础性的纳米科学和纳米工程。目的是要发现和理解新的现象工具和手段（指测量、建模、模拟和操纵）。

（2）根据意愿设计、合成和加工纳米材料结构单元以及系统组件，充分运用分子的自组装概念；

（3）利用纳米器件和特性和纳米系统的原理，把构筑分子结构与微型化结合起来；

（4）纳米结构材料和系统在制造、电子系统、能源、环境、国家安全和保健等方面的应用；

（5）人才的教育与培训，并研究纳米技术对社会所产生的影响。3、生物芯片技术

*生物芯片技术是近年来在生命科学领域中崭露头角的一项新技术。

#生物芯片技术是指通过微加工与微电子技术在固体芯片表面构

建的微型生物化学分析单元或系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量检测的相关技术。

生物芯片技术将会给分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、农作物育种和改良、司法鉴定、食品卫生监督和环境保护等领域带来一场新的革命，已成为21世纪生物医学工程的前沿科技。

弗雷德里克·桑格（Fred Sanger）和吉尔伯特（Walter Gilbert）发明了现在广泛使用的DNA测序方法，并由此在1980年获得了诺贝尔奖。另一个诺贝尔奖获得者卡里·穆利斯（Kary Mullis）在1983年首先发明了PCR，2004年3月，英国著名咨询公司弗若斯特·沙利文(Frost ＆ Sulivan)公司出版了关于全球芯片市场的分析报告《世界DNA芯片市场的战略分析》。报告认为，全球DNA生物芯片市场每年平均增长6.7%，2003年的市场总值是5.96亿美元，2010年将达到937亿美元。

纳侬市场（NanoMarkets）调研公司预测，以纳米器械作为解决方案的医疗技术将在2009年达到13亿美元，并在2012年增加到250亿美元，而其中以芯片实验室最具发展潜力，市场增长率最快。

生物芯片（ biochips ）的概念

生物芯片，俗称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与微电子技术相融合的结晶。

该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。

芯片的概念取之于集成的概念，如电子芯片的意思就是把大的东西变成小的东西，集成在一起。生物芯片也是集成，不过是生物材料的集成。像实验室检测一样，在生物芯片上检查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同样的生物反应原理。所以生物芯片就是一个载体平台。这个平台的材料则有很多种，如硅，玻璃，膜（纤维素膜）等，还有一些三维结构的多聚体，平台上则密密麻麻地摆满了各种生物材料。芯片只是一个载体。做什么东西、检测什么，还是靠生物学家来完成。也就是说，原来要在很大的实验室中需要很多个试管的反应，现在被移至一张芯片上同时发生了。

生物芯片技术起源于核酸分子杂交。所谓生物芯片一般指高密度固定在互相支持介质上的生物信息分子（如基因片段、CDNA片段或多肽、蛋白质）的微阵列杂交型芯片（micro-arrays），阵列中每个分子的序列及位置都是已知的，并且是预先设定好的序列点阵。微流控芯片（microfluidic chips）和液态生物芯片是比微阵列芯片后发展的生物芯片新技术，生物芯片技术是系统生物技术的基本内容。

什么是生物芯片呢？简单说，生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。

点样机运用：

生物芯片的制备多采用光导（激光诱导）原位或微量点样等方法；

生物芯片可粗略地分为基因芯片(即DNA芯片)、细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和组织芯片等；

生命芯片技术主要包括四个基本点：芯片方阵的构建、样品的制备、生物分子反应和信息的检测与分析。

生物芯片的分类

根据用途分类

(1)生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。

(2)生物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。

前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。

根据作用方式分类

(1)主动式芯片：是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及

检测等多个实验步骤集成，通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。主要包括微流体芯片(microftuidic chip)和缩微芯片实验室(lab on chip，也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的高境界)。

(2)被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实

验集成，但操作步骤不变。其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。

根据固定在载体上的物质成分分类

(1)基因芯片(gene chip)：又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵

列(DNA microarray)，是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。

(2)蛋白质芯片(protein chip或protein microarray)：是将蛋

白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。

根据固定在载体上的物质成分分类

（1）细胞芯片(cell chip)：是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。

(2)组织芯片(tissue chip)：是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。

生物芯片的主要特点

●高通量

●微型化

●自动化

生物芯片的应用领域：

最大用途在于疾病检测、基因表达水平的检测、基因诊断、药物筛选、个体化医疗、测序、生物信息学研究。

4、单电子晶体管

答：是根据库仑堵塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理设计和制造的一种新型纳米结构器件，它在未来的微电子学和纳电子学领域将占有重要的地位。

五、论述题

1、浅析纳米科技对人类社会进步和产业革命的影响。

答：(1)纳米科技将促进人类认知的革命，进一步探索和理解新现象、新理论、新发现；

(2)未来学家预测，在新的时代里，纳米科技将会从根本上改变人类的生活方式、思维方式和生存条件；

(3)纳米科技将引领下一场产业革命：根据历史经验和最新的科技发展预测，决定一个国家在21世纪地位的产业就是纳米产业；以纳米技术为突破口的高科技群有可能改变几十年来使很多国家困惑的经济“滞胀”现象；纳米科技和纳米产业将使人类在可持续发展上迈出更大的步伐。

2、浅析纳米(结构)薄膜的制备方法

答案要点：溶胶—溶胶法；电沉积法；高速超微粒子沉积法；等离子体化学气相沉积技术；溅射法；化学气相沉积法；惰性气体蒸发法。

3、试论我国发展纳米科技的意义和存在的问题、对策

答：(1)意义三个方面：

a、纳米科技在21世纪将对我们的社会、经济以及国家安全产生影响；

b、发展纳米科技将极大提高我国科技竞争力；

c、纳米科技将促进我国传统产业的改造。

(2)我国纳米科技存在的问题主要表现在多学科交叉融合程度不够，缺乏重要的实验设施，基础研究薄弱、信息交流少。

(3)对策：

a 应在国家层次上确定我国纳米科技的发展战略，制定我国纳米产科技发展的近期、中长期规划、兼顾基础研究、应用研究和开发研究的协调发展，推动科技成果产业化，协助有关部门尽快制定与纳米科技相关的产品技术标准；

b、成立国家级“纳米科技专家咨询小组”，协助政府制定纳米科技战略和监控研究开发工作；

c、成立国家纳米科技研究和工程中心，集中力量建设为纳米科技发展提供服务的技术平台，并组织协调科研机构、大学、国家实验室、产业界的共同参与。

d、坚持“有所为，有所不为”的方针，发挥优势，突出特点；

e、加强信息网络平台建设，促进国内外纳米科技的信息交流；

f、以国家纳米研究和工程中心为载体，建立培养和吸引纳米科技人才的新模式。

4、试论纳米材料在环保和能源领域的技术进展和应用

答案要点：(1)纳米材料在环保领域中的应用涉及纳米粒子光催化原理，纳米材料在空气净化中的应用；纳米材料在污水处理中的应用以及自清洁表面；(2)在能源领域中的技术发展与应用应包括纳米能源材料和绿色化学能源等方面。