纳米生物材料学1

颗粒直径↓
比表面积↑↑ 表面原子百分数↑↑
性质变化
纳米颗粒的表面能高、活性强
球形颗粒的比表面积 = S/V = 4πг2/（4/3）πг3 = 3/г
从图中可以看出，粒径在10nm以下，表面原子的比例迅速增加。当粒径降 到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表 面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这
概述
材料是一切技术的物质基础。
光导纤维
光通信
硅单晶
集成电路 计算机和电子设备
纳米材料
纳米技术
纳米材料广泛地存在于自然界。
陨石
鲨鱼
珊瑚
海藻 珊瑚
Sugar Beets 糖用甜菜
Sugar Beet Pulp Cellulose
20% cellulose, 25-30% hemicellulose and 2535% pectin, sucrose, proteins, lignin, fat
材料维数 纳米尺度维数
0 维(量子点)
3
1 维(量子线)
2
2 维(量子阱)
1
非纳米尺度维数 例子
0
纳米粉末
1
纳米纤维/管
2
纳米膜
3维
0
3
纳米块体
Nanoparticles
AFM picture
8.gif
Figure 1 – Nano alumina fibers (note absence of particulates) The rule is 200 nm long
10 nm
102 nm
103 nm
Nanoparticles
Beads
BIOMAT 190802MH
Cells
104 nm
105 nm
2.小尺寸效应
小尺寸效应是指 由于颗粒尺寸变小所
引起的宏观物理性质的变化。
尺寸变小 + 比表面积 ↑↑→新奇的性质
光学 磁学 热学
力学
由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成 能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此 可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的 纳米颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能 级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场 能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列 与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子/小尺寸效 应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁 矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反 常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子 尺寸效应的宏观表现。
Algae海藻
Tunicin被囊纤维素
Cotton
Wood
Sugar Beet
纳米材料的概念 纳米材料的特性 纳米材料的分类 典型的纳米材料 常用的纳米生物材料
一. ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 念
纳米材料是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的 超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二 维材料或由它们作为基本单元构成的三维材料的总 称。
Detailed structure
二.纳米材料的特性
相对于普通材料而言，纳米材料由纳米粒子（或称为 纳米结构单元）组成。纳米粒子一般是指尺寸在1—100 nm之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域； 从通常的微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微 观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。纳 米材料由于晶粒极细，原子大量处于晶界和晶粒内的缺陷 中心，本身具有表面效应、小尺寸/量子尺寸效应和宏观量 子隧道效应等，而显示出许多既不同于微观的原子、分子， 又不同于宏观物体的奇异的物理、化学特性，即它的光学、 磁学、力学、热学、电学以及化学性质和大块固体时相比 将会有显著的不同。
Individual microfibrils 2 - 4 nm in diameter
Bacterial Cellulose
Acetobacter xylinum
Ribbons: rectangular cross-section of 50 x 0.8 nm
300 nm
Microfibril size
Figure 2 – Nano alumina fibers (note fibers in foreground brought into focus) The rule is 100 nm long
Carbon nanotubes
纳米无创注射器
纳米管阵列
Nanomembrane
AFM picture
些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。
高表面活性 → 交联或吸附性强
Drug / Gene Delivery System 药物/基因转运系统
纳米粒 吸附药物/质粒DNA
纳米粒-药物/DNA复合物
吸附在细胞膜上
胞吞作用
进入细胞
纳米载体-绿色 荧光蛋白报道 基因转染细胞
纳米粒吸附Ab 或Ag
1.表面效应
固体材料表面的原子与内部的原子所处的环境是不同 的，当材料的粒径大于原子直径时，表面原子可以忽略； 但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作 用就不能忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结 合能等都发生了很大的变化，人们把由此而引起的种种特 异效应统称为表面效应。
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子 数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起 的性质上的变化。
（1） 特殊的光学性质
纳米颗粒当尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。 金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％， 大约几微米的厚度就能完全消光。几乎所有的金属纳 米颗粒都可呈现黑色。
纳米涂料
隐形飞机
（2） 特殊的磁学性质
纳米颗粒的磁性与大块材料的磁性有显著的不同， 磁性纳米颗粒具有高矫顽力。当纯铁颗粒尺寸减小到 一定程度（二十个纳米）时，其矫顽力可显著增加； 尺寸减小到 6nm 时，其矫顽力反而降低到零，呈现出 超顺磁性。
纳米粒
纳米粒
用于检测或导向技术
Cells like macrophages, lymphocytes etc.
Antibody Antigen
Nanoparticle
Organic bead with inorganic nanoparticles
1 nm
Parts of DNA, Virus
Proteins, Enzymes