2015纳米思考题

思考题1.名词解释：SWNTS、MWNTS、STM、AFM、SEM、XRF、TEM、CRDDS、主动靶向、被动靶向、生物相容性答：SWNTS:单壁碳纳米管MWNTS：多壁碳纳米管STM：扫描隧道显微镜AFM：原子力显微镜XRF：X射线荧光光谱分析TEM：透射电子显微镜CRDDS：控释给药系统主动靶向：是利用抗原-抗体或受体等分子亲和作布在靶组织或靶细胞内,将药物定向地运送到靶区被动靶向：通过减少与非靶器官，组织及细胞的用来增加靶部位/非靶部位的药物水平比率。生物相容性：材料植入人体后与人体相容程度2.什么是纳米、纳米结构、纳米材料、纳米科技？纳米技术的科学意义？答：纳米：长度计量单位纳米结构：以纳米尺度物质单元为基础，按一定规律构筑或组装的新的体系，它包括一维，二维和三维体系。纳米技术：在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术。纳米材料：在三维中至少有一维处于纳米尺度范围或由他们作为基本单元构成的材料。3.举例说明纳米材料具有哪些特殊的性质？答：纳米金：颜色：不同粒径有不同的颜色，从红色至紫色熔点：粒径降到5nm以下，熔点急剧下降θ=2T0σ/ρLr高电子密度：表面效应粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级：尺寸效应。4.纳米材料有哪4种维度？举例说明。答：零维：团簇、量子点、纳米粒子一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格三维：纳米块体5.请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库伦堵塞效应。答：小尺寸效应：当颗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将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化的效应。宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。库仑堵塞效应：前一个电子对后一个电子的库伦排斥，小体系单电子运输行为。6.随着颗粒直径的减小，材料的熔点有什么改变？材料的热稳定性有什么改变？答:（1）熔点下降，由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，表面原子数多，这些表面原子临近配位不全，活性大，纳米例子熔化时，所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。（2）热稳定性变差，微粒半径越小，热稳定性越差。7.电子在纳米材料中的传播特点是什么?答：小尺寸效应，多晶界的存在，电子散射增强，晶界原子更加混乱，使得界面热垒升高，加之纳米材料的量子尺寸效应，共同使电阻变大。8.什么是纳米管、量子点？答：纳米管：是一种具有特殊结构的一维量子结构，径向为纳米级，轴向为微米级。量子点：准零维纳米材料，由少量原子构成，三个维度的尺寸都小于费米波长。9.什么是纳米生物技术和生物纳米技术？两者有什么区别和联系？答：1)纳米生物技术是纳米技术在生命科学的应用。此研究领域包括两种方式：其一是纳米级工具应用在生物系统；其二是模板化的生物系统用于发展新型的纳米产品。2)生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系，并在此基础上按研究者意愿组合、装配，创造出满足人们需要并能行使特定功能的生物纳米机器。区别联系：生物纳米技术——应用生物组装，可能不会有生物有直接联系；纳米生物技术——将纳米科学用在特殊的生物应用上。10.什么是生物芯片？生物芯片如何影响我们的生活？答：将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA或其他样品分子（例如蛋白，因子或小分子）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。生物芯片已经应用在很多领域，包括药物筛选，基因诊断，个体化医疗，基因表达水平的检测，例如在基因诊断中，Affymetrix公司，把p53基因全长序列和已知突变的探针集成在芯片上，制成p53基因芯片，这在在癌症早期诊断中发挥作用。11.什么是仿生材料？简述仿生材料的设计思想有哪些？答：指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。根本思路就是向自然学习，也就是说，从自然界里寻找具有特殊性的智能材料。向自然学习有2种方式：一种是结构仿生，也就是模仿其形貌；另一种是功能仿生，也就是实现其特殊功能，做到形神兼备。12.举实例说明如何通过自然界的启发，设计新材料。答：例子：自然界的蜘蛛丝，天然蜘蛛丝是世界上最结实坚韧的纤维之一。它比高强度钢或用来制作防弹服的凯夫拉尔纤维更坚韧，且更具有弹性，重量又轻。据科学家计算，一根铅笔粗细的蜘蛛丝束，能够使一架正在飞行的波音747飞机停下来。新材料：仿蜘蛛丝纤维。采用基因工程方法生产人造蜘蛛丝。先用生物化学方法对性能优良的蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物进行分析研究，搞清其蜘蛛丝蛋白基因编码的核苷酸序列，同时进行基因序列的分离、纯化、结构特征的表达和克隆等工作，在此基础上建立不同蜘蛛丝蛋白片段的基因序列模型，用这种模型可生产出称为蜘蛛丝蛋白的合成基因，然后将这种合成基因移植给动物、植物或微生物，被移植了合成基因的动物、植物或微生物就能大量复制这种蜘蛛丝蛋白，将这种蜘蛛丝蛋白分离出来，经过提纯、溶解和纺丝，便可生产出性能优良的人造蜘蛛丝13.简述生物制造的定义、内容及其应用领域？答：定义：以生物体机能进行大规模物质加工与物质转化、为社会发展提供工业商品的新行业。内容：以微生物细胞或以酶蛋白为催化剂进行化学品合成、或以生物质为原料转化合成能源化学品与材料，促使能源与化学品脱离石油化学工业路线的新模式。应用领域：发酵工程、现代酶工程、生物炼制、生物过程工程14.简述蛋白质的多层次结构，维持蛋白质构象的作用力有哪些？如何用不同的分析方法来表征各层次结构？（一至四级结构的剖析）答：1)蛋白质多层次结构：一级结构：氨基酸序列（二阶微分光谱法，质谱测序）二级结构：主链结构（肽谱分析）三级结构：三维形状（蛋白质化学方法）四级结构：亚基的组织（二维核磁共振，色谱-质谱）2)维持蛋白质构象的作用力：维持蛋白质构象的作用力主要是非共价键，又称为次级键次级键包括氢键、疏水相互作用、范德华力、离子键。此外，共价二硫键也有重要作用：氢键：由带正电性的氢原子与电负性较强的原子之间形成。疏水相互作用：非极性的疏水基团间为避开水相而相互靠近，聚集于分子内部或非极性区的趋势。范德华力：原子、分子间或基团间的短程作用力。比离子键和氢键都弱的分子间非专一性的相互作用。离子键：蛋白质中带有相反电荷的侧链间形成的静电吸引力。二硫键（-S-S-）：蛋白质分子中的2个半胱氨酸的巯基氧化形成的共价键。15.从脂质体的结构特征说明其理化和生物学性质，并阐明脂质体作为药物载体的特点。答:结构特征：头部由磷酸和水溶性的分子组成，尾部是脂肪酸链，即头部亲水，尾部亲脂，因此其理化性质有以下：1相变温度：脂质体的物理性质与介质温度有密切关系。2电性：脂质体表面的电性对其包封率、稳定性、靶器官分布及对靶细胞的作用均有影响。脂质体的生物学性质3组织细胞的相容性4延长体内血液循环时间5缓释药物而延长药效6与细胞的作用（吸附、脂交换、融合）特点：1、靶向性和淋巴定向性：能被单核吞噬细胞系统吞噬，增加药物对淋巴组织的指向性和靶组织的滞留性。2、缓释作用：缓慢释放，延缓肾排泄和代谢，从而延长作用时间。3、降低药物毒性：如两性霉素B脂质体可降低心脏毒性。4、提高稳定性：如胰岛素脂质体、疫苗等可提高主药的稳定性。16.简述药物靶向传递的途径。答：分为三级：第一级：达到特定的靶组织或靶器官第二级：达到特定的细胞第三级：达到细胞内特定的部位途径：膜间转运与接触释放→吸附与融和→内吞17.树枝状大分子的结构特点及其载药体系的类型。答：1)结构特点：a.聚合物像树状，由一个中央核细分为多层分支-尺寸小于15nm，摩尔/质量比很高-稠密的表面围绕在一个相对空心的核周围b.树状聚合物又一系列建立在小的中央核的化学壳上-表面含有酸或者胺类→利于吸附官能团→可控/修饰、性质-每一壳层都称为一代(G0,G1,G2….)-随着代数增加，分支密度增加-包含通道和腔→能诱捕客体分子以实现多种应用2)载药体系类型：包封和化学偶联药物既可以被包封在树枝状聚合物骨架内部的空腔,也可以化学偶联在树枝状聚合物表面的官能团上18.简述SEM、TEM的基本原理及应用范围？答：1)SEM基本原理：一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息，有：二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。应用范围：观察高聚物的形态和结构；观察高聚物晶态结构；研究高聚物共混相容性；观察高分子纳米材料的结构；表征高聚物材料的降解性；研究高聚物材料的生物相容性；测量多孔膜的孔径及其分布。2)TEM基本原理：透射电子显微镜的成像原理可分为三种情况：1吸收像：当电子射到质量、密度大的样品时，主要的成相作用是散射作用。样品上质量厚度大的地方对电子的散射角大，通过的电子较少，像的亮度较暗。早期的透射电子显微镜都是基于这种原理。2衍射像：电子束被样品衍射后，样品不同位置的衍射波振幅分布对应于样品中晶体各部分不同的衍射能力，当出现晶体缺陷时，缺陷部分的衍射能力与完整区域不同，从而使衍射钵的振幅分布不均匀，反映出晶体缺陷的分布。3相位像：当样品薄至100A以下时，电子可以穿过样品，波的振幅变化可以忽略，成像来自于相位的变化。应用范围：研究高聚物的形态和结构；研究高聚物分子量及其分布；研究多相高聚物体系。19.简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响。答：STM工作原理：就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。AFM工作原理：当原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。影响：STM：具有原子级高分辨率，STM在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达0.1埃，即可以分辨出单个原子。可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。AFM：1.高分辨力能力远远超过扫描电子显微镜（SEM），以及光学粗糙度仪。样品表面的三维数据满足了研究、生产、质量检验越来越微观化的要求。2．非破坏性，探针与样品表面相互作用力为10－8N以下，远比以往触针式粗糙度仪压力小，因此不会损伤样品，也不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。另外扫描电子显微镜要求对不导电的样品进行镀膜处理，而原子力显微镜则不需要。3．应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定