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先进制造技术3(生物制造与微纳制造)


先进制技术( 三) 生物制造与微纳制造

生物制造
2013-9-22 沈阳工业大学 2

生物制造的发展
1. 生物制造系统正在形成
日本三重大学和冈山大学率先开展了生物技术用于工程材料加工的研究, 并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。 目前已将快速成形制造技术人工骨研究相结合,为颅骨、颚骨等骨骼的

人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。 我国于1982年将生物技术列为八大重点技术之一。生物学科与制造学科 这两个原来人们觉得毫不相干的学科,今天正在相互渗透、相互交叉,正 在 形 成 一 个 新 的 学 科 —— 生 物 制 造 系 统 ( Biological Manufacturing System,BMS)。 我国在2003年3月和2004年7月,先后两次召开了全国生物制造工程学术 研讨会,专家们探讨的主要问题有:①生物制造工程的定义、内涵及意义; ②生物医学工程与生物制造的联系;③生物制造的研究特点、方向及方法;

④生物制造的应用领域。
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生物制造的发展
2. 生物制造的发展前景
在机器人、微机电系统、微型武器方面,将更多地应用生物

动力、生物感知、生物智能,使机器人越来越像人或动物。
在纳米技术方面,实现纳米尺度上裁剪或连接DNA双螺旋, 改造生命特征;实现各种蛋白质分子和酶分子的组装,构造纳米 人工生物膜,实现跨膜物质选择运输和电子传递。 在医疗方面,三维生物组织培养技术不断突破,人体各种器

官将能得到复制,会大大延长人类的生命。
在生物加工方面,通过生物方法制造纳米颗粒、纳米功能涂 层、纳米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系

统等。
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生物制造的概念与内容
1. 生物制造的概念 生物制造?(清华大学颜永年教授) 通过制造科学与生命科学相结合,在微滴、

细胞和分子尺度的科学层次上,通过受控组装
完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技

术总称。

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生物制造的概念与内容
制造原理 生物制造技术

2. 生 物 制 造 的 内 容

其他理论 分形理论 分布式制造原理 自组织生长原理 生长型制造原理

⑴仿生制造 生物组织和结构的仿生 生物遗传制造 生物控制的仿生 ⑵生物成形制造
⑶其他方法

产 品

生物制造的基础 制造科学 生命科学 材料科学 信息技术

生物制造工程的体系结构
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生物制造的概念与内容
3. 生物制造工程的研究方向
目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科学、生命科
学、计算机技术、信息技术、材料科学各领域的最新成果组合 起来,使其彼此沟通起来用于制造业,是生物制造工程的主要 任务。归纳下来,目前有如下两方面6个研究方向: (1)仿生制造

? 生物组织和结构的仿生
? 生物遗传制造 ? 生物控制的仿生
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(2)生物成形制造 ? 生物去除成形 ? 生物约束成形 ? 生物生长成形
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生物制造的概念与内容
1)生物组织和结构的仿生
生物活性组织的工程化制造和类生物智能体的制造。如: ①生物活性组织的工程化制造:将组织工程材料与快速成形制 造结合,采用生物相容性和生物可降解性材料,制造生长单元 的框架,在生长单元内部注入生长因子,使各生长单元并行生

长,以解决与人体的相容性与个体的适配性,以及快速生成的 需求,实现人体器官的人工制造。
②类生物智能体的制造:利用可以通过控制含水量来控制伸缩

的高分子材料,能够制成人工肌肉。类生物智能体的最高发展 是依靠生物分子的生物化学作用,制造类人脑的生物计算机芯 片,即生物存储体和逻辑装臵。
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生物制造的概念与内容
2)生物遗传制造
依靠生物DNA的自我复制,利用转基 因实现一定几何形状、各几何形状位臵 不同的物理力学性能、生物材料和非生 物材料的有机结合,并根据生成物的各

种特征,采用人工控制生长单元体内的
遗传信息为手段,直接生长出任何人类 所需要的产品,如人或动物的骨骼、器 官、肢体,以及生物材料结构的机器零 部件等。
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生物制造的概念与内容
3)生物控制的仿生
应用生物控制原理来计算、分析和控制制造过程。 例如: 人工神经网络 遗传算法 仿生测量研究 面向生物工程的微操作系统原理 设计与制造基础

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生物制造的概念与内容
(2)生物成形制造
找到“吃”某些工程材料的菌种,实现生物去除成形 (Bioremoving forming);复制或金属化 不同标准几何外形与 亚结构的菌体,再经排序或微操作,实现生物约束成形 (Biolimited forming);甚至通过控制基因的遗传形状特征和 遗传生理特征,生长出所需的外形和生理功能,实现生物生长

成形(Biogrowing forming)。
生物去除成形 (Bioremoving Forming) 生物约束成形 (Biolimited Forming) 生物生长成形 (Biogrowing Forming)
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生物制造的概念与内容
1)生物去除成形
例:
氧化亚铁硫杆菌T—9菌 株是中温、好氧、嗜酸、 专性无机化能自氧菌,其 主要生物特性是将亚铁离 子氧化成高铁离子以及将 其他低价无机硫化物氧化 成硫酸和硫酸盐。加工时,
显影为试件
紫外线曝光 生物加工后试件 去抗蚀剂膜 光绘底片 金属试件

贴抗蚀剂膜
生物加工过程

可掩膜控制去除区域利用,
利用细菌刻蚀达到成形的 目的。 2013-9-22

a) b) 生物去除成形实验过程 a)光刻工艺过程 b)生物加工过程
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生物制造的概念与内容
2)生物约束成形

目前已发现的微生物中大部分细菌直径只有1μm左右,菌 体有各种各样的标准几何外形,用现在加工手段很难加工除这 么小的标准三维形状。这些菌体的金属化将会有以下用途:
构造微管道,微电极、微导线 菌体排序与固定,构造蜂窝结构、复合材料、多孔材料、磁性功能材料 等。 去除蜂窝结构表面,构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。
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生物制造的概念与内容
3)生物生长成形
生物体和生物分子具有繁殖、代谢、 生长、遗传、重组等特点。

未来将现实人工控制细胞团的生长
外形和生理功能的生物生长成形技术。 可以利用生物生长技术控制基因的遗 传形状特征和遗传生理特征,生长出 所需外形和生理功能的人工器官,用

于延长人类生命或构造生物型微机电
系统。
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生物制造的应用案例
1. 生物计算机
大规模集成电路(计算机核心元件)材料为硅。提高了集成度,引起难于 解决的散热问题。生物芯片可以解决类似问题,有以下生物材料: (1)细胞色素C 它具有氧化和还原的两种状态,其导电率相差1000倍。这 两种状态的转换可通过适当方式加上或撤去1.5伏电压来实现,它可作为记忆

元件。
(2)细菌视紫红质 它是一种光驱动开关的原型。由光辐射启动的质子泵在 膜两边形成的电位,经离子灵敏场效应放大后,可给出较好的开关信号。

(3)DNA分子 它以核苷酸碱基编码方式存储遗传信息,是一种存储器的分
子模型。 (4)采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线 它们传递信息速度

与电子导电情况无多大差别,但能耗极低。
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2. 可使盲人重见光明的“眼睛芯 片”

生物制造的应用案例

美国研制成功了可使盲人重见光明的“眼 睛芯片”。这种芯片是由一个无线录像装臵 和一个激光驱动的、固定在视网膜上的微型 电脑芯片组成。 工作原理: 装在眼镜上的微型录像装臵拍摄到图像,并 把图像进行数字化处理之后发送到电脑芯片, 电脑芯片上的电极构成的图像信号则刺激视

网膜神经细胞,使图像信号通过视神经传送 到大脑,这样盲人就可以见到这些图像。
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生物制造的应用案例
3. 个性化人造器官

怎么解决这个困难?

据统计,仅在美国每年有数百万的患者患有各种组

织、器官的丧失或功能障碍,每年需要进行800万次手
术,年耗资400亿美元。我国目前有大约150万尿毒症 患者,每年却仅能做3000例肾脏移植手术;有400万白 血病患者在等待骨髓移植,而全国骨髓库的资料才3万 份,大量的患者都因等不到器官而死亡,而且器官移 植存在排斥作用,成活率很低的问题。
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生物制造的应用案例
3. 个性化人造器官
(1)个性化人造器官的构想
生物医学专家希望用人工培养的办法培养出人体需要的正 常组织。在将来,医院就能像工厂生产零部件一样,根据患者

的缺失情况,需要什么培养什么,需要多少做多少,量体裁衣,
做好了安装上就能发挥作用。而且可以结合先进的电脑技术, 为每一个患者提供与他原器官特别相似的人造器官。简单地说, 个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞,再利用 外来的一些高分子材料,在身体的相关部位“长”出一个最

“贴己”的器官。
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生物制造的应用案例
3. 个性化人造器官
(1)个性化人造器官的构想
生物学家首先制定构建某种组织或器官的设计图,并按照图纸

要求制备一种特殊的骨架,这种骨架要具有降解特性,降解后对人
体无害,并能提供细胞生长场所。生物学家将患者残余器官的少量 正常细胞作为“种子细胞”,“种”在人造骨架上,并提供合适的

生长因子,让细胞分泌出建造组织或器官所需的细胞间质,最后作
为骨架的生物材料在细胞培育过程中,逐渐降解而消失。整个器官 在完全无菌的生物反应器里培养,等到整个器官在体外“长”好之

后,再移植到患者体内,由于是他自身细胞“长”成的器官,患者
就不会产生排斥反应。
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生物制造的应用案例
3. 个 性 化 人 造 器 官

生物可吸收性PLGA原料

生物可吸收性PLGA骨螺丝成品

生物可吸收性PLGA骨板成品
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生物可吸收性PLGA多孔性基材
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生物制造的应用案例
3. 个性化人造器官
(1)个性化人造器官的构想
一种更简单的人造器官方法:把作为支架的高分子材料、细胞和生 长因子混合在一起,注射到患者体内需要修复的部位,让这些原料 “长”出一个完整的器官来。到时,去医院修补器官就像现在打针一 样方便。这种新的方法叫做“可注射工程”。

注射能促进牙龈组 织再生的生物材料
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可注射组织工程示意图
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生物制造的应用案例
3. 个性化人造器官
(2)个性化人造器官的研究进展
1997年,美国南加州的ATS公司首次由包皮细胞长成了人造皮肤,
移植在病人身上后,人工皮肤细胞即使已经死亡,其所含的生长因子, 仍能够促进伤口周围的组织再生。这是最先面世的个性化人造器官产

品。目前,人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。
美国马萨诸塞大学的查尔斯· 瓦坎蒂教授在生物反应器里为两位切 掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。与此同时,安东尼· 阿塔拉领导的 一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细胞培育的 膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和疗效 药物的可吸收生物材料,它能促进牙龈组织再生。
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生物制造的应用案例
3. 个性化人造器官
(2)个性化人造器官的研究进展 德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特· 德 雷克斯勒教授首先从心肌梗塞患者的骨髓中提取出 干细胞,经过一系列特殊处理后,这些病人的自体

干细胞通过特制导管被植入发生梗塞的心脏动脉中。
试验结果显示,接受新疗法的病人心脏能够自行康

复,并可以再生心脏肌肉组织。
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生物制造的应用案例
3. 个性化人造器官
(2)个性化人造器官的研究进展 我国的曹谊林教授在裸鼠身上移植 了世界上第一个个性化人造耳:先用 高分子化学材料聚羟基乙酸做成人造 耳的模型支架,然后让细胞在这个支 架上繁殖生长。支架最后会自己降解 消失。将裸鼠的背上割开一个口子, 然后将已经培养好的人造耳植入后缝 合。 该技术已经开始用于临床实验。 2001年,曹教授利用个性化人造颅 骨技术为颅骨破损达6×6cm的患者成 功修补了颅骨。
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复习思考题
1.在目前条件下,普通加工、精密加工和超精密加工是如何 划分的? 2.超精密加工的发展趋势如何?有哪些主要的技术?

3.分析微系统的基本特征和关键技术。
4.目前有哪些纳米加工技术? 5.根据制造模式的概念出发,试说明微纳制造是一种新的制 造模式。 6.你对生物制造有何认识?试用制造系统和制造模式的概念

加以说明。
7.生物加工的原理是什么?有何应用?
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微纳制造
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微纳制造的发展
1. 微纳制造的概念
微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。 1)微系统 是指集成了微电子和微机械(或光学、化学、

生物等方面微元件)的系统。它以微米尺度理论为基础,用批 量化的微电子技术和三维加工技术来完成信息获取、处理及执 行等功能。微系统按特征尺寸范围可分为三类:1mm~ 10mm的

微小机械,1μm~1mm的微机械,1n~10μm的纳米机械。
2)纳米技术 是指纳米级0.1nm~100nm的材料、设计、加工、

测量、控制和产品相关的技术。
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微纳制造的发展
2.纳制造技术的应用
微型机械将逐步走向适用化,对工农业、信息、环境、生

物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。如把传感
器和调配药剂量的“药剂师”集于一身,制成微型“智能药 丸”,通过口服或皮下注射进入人体,用以探测和清除人体内 的癌细胞。微系统可用于视网膜手术、修补血管等。在工业领 域,微型机电产品可以在管路检修和飞机内部检修等狭窄空间 和恶劣环境下进行诊断和修复工作。在航空航天领域,可以制 造自适应性蒙皮,用以改善气流特性;在汽车轮胎内嵌入微型 压力传感器用以保持适当充气,避免无气过量或不足,仅此一

项就可节油10%,仅美国国防部系统就能节省几十亿美元的汽
2013-9-22 油费。 沈阳工业大学 28

微系统的关键技术
微系统是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域, 其涉及许多关键技术。当一个系统的特征尺寸达到微 米级和纳米级时,将会产生许多新的科学问题。 微系统研究领域的前沿关键技术有: 微系统设计技术 微细加工技术 微系统组装和封装技术 微系统的表征和测试技术
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纳米加工技术
纳米加工技术主要有5个方面:

①采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进 行机械加工:如车削、钻削、铣削和磨削。
②采用电加工或在其基础上的复合加工,如微细 电火花加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加 工等。

③采用光、声等能量加工法,如微细激光束加工、 微细超声加工。
④采用光化掩模加工法,如光刻法,LIGA法。

⑤采用层积增生法,如曲面的磁膜镀覆,多层薄 膜镀覆和液滴层积。
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纳米加工技术
1)光刻电铸(LIGA)技术
工艺过程: ①采用深层同步辐射光刻,涂覆光致抗蚀 剂(图a),经X射线曝光蚀刻出图形(图b); ②电铸,以曝光蚀刻的图形实体作为电铸 用胎模,用电沉积法在胎模上沉积金属(图 c),生成微铸件(图d) ③注射成形,以微铸件为模具,即可加工 所要求的微零件(图e)。
d)

LIGA法的工艺过程
a)涂覆光致抗蚀剂 b)X射线曝光蚀刻 c)电铸 d)微铸件 e)注射成形零件
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纳米加工技术
2)半导体加工技术

半导体加工技术即半导体表面和立

体的微细加工,指在以硅为主要材料的
基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺过

程。半导体加工技术使微系统的制作具
有低成本、大批量生产的潜力。
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纳米加工技术
3)集成电路(IC)技术 集成电路(IC)技术是一种发展十分迅 速且较成熟的制作大规模电路的加工技术, 在微机械加工中使用较为普遍,是一种平面 加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百纳 米,且只限于制作硅材料的零部件。
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纳米加工技术
4)超微机械加工和电火花线切割加工 用小型精密金属切削机床及电火花、

线切割等加工方法,制作毫米级尺寸左右
的微机械零件,是一种三维实体加工技术,

加工材料广泛,但多是单件加工、单件装
配,费用较高。
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纳米加工技术
5)键合技术 键合技术是一种把两个固体部件在

一定的温度与电压下直接键合在一起的
封装技术,其间不用任何粘接剂,在键

合过程中始终处于固相状态。

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沈阳工业大学

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纳米加工技术
6)分子装配技术
20世纪80年代初发明的扫描隧道显微镜

(Scanning Tunneling Microsoft,STM)以及
后来在STM基础上派生出来的原子力显微镜

(Atomic Force Microsoft,AFM),使观察分
子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利 用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子,并 可以按照需要拼成一定的结构,进行分子和原子 的装配制作微机械。
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微纳制造应用案例
1.电子束光刻加工技术 目前,集成电路已经从20世纪60年代的每个芯片 上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约

10亿个器件,其集成度每3年提高4倍。这一增长速
度不仅导致了半导体市场在过去30年中以平均每年

约15%的速度增长,而且对现代经济、国防和社会
也产生了巨大的影响。集成电路之所以能飞速发展,

光刻技术的支持起到了极为关键的作用。
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微纳制造应用案例
1.电子束光刻加工技术 电子束光刻的原理如图所示,在由掩膜(其上有所

需集成电路图形)、光致抗蚀剂涂层和半导体基片构
成的三层材料上,利用电子束透射掩膜,照射到光致

抗蚀剂涂层上,由于化学反应,经显影后,在光致抗
蚀剂涂层上就形成与掩膜相同的所需线路图形。随之, 在基片上形成电路有两种处理办法:①用离子束溅射 去除,可得到凹形电路。②用金属蒸镀方法,可形成 凸形电路。
2013-9-22 沈阳工业大学 38

微纳制造应用案例
1. 电子束光刻加工技术

电子束光刻加工过程
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沈阳工业大学

微纳制造应用案例
2. 微型机械昆虫
根据非稳定速度模式的气动学原理,
制造了只有 25 毫米宽 (从一翼端 至另一翼端) 的微型机械昆虫。 这机械昆虫有类似同类生物的灵 活胸腔结构,并在其中臵有压电致 动器,可作有力及高频率的振翅动 作,只要装上锂电池或太阳能充电 电池,便能像自然界中的昆虫一样

自动不停的飞翔。
2013-9-22 沈阳工业大学 40

微纳制造应用案例
3. 世界最小的微型机械人
世界最小的微型机械人,其只有 1/4立方寸,体重小於1盎司。利用 这种微型机械人帮助侦查地雷、化

学及生物武器的所在;可爬进建筑
物的管道,找出化学品甚至人类所 在,并将有关信息传送到指挥中心 ;科学家还可以部署一群微型机械 人,进行不同的任务,比体积大的 机械人更灵活和有弹性。
2013-9-22 沈阳工业大学 41

微纳制造应用案例
4. 以微型加工技术制造的机械耳蜗
耳蜗里的听觉毛细胞可以感测到在淋巴液内移动的声波, 并且将声波转换为电子讯号,听神经再将此讯号传达到大 脑。但不幸的是很多人甚至是一出生就没有机会倾听大自 然美妙的声音,但是密西根大学研究人员研发的机械耳蜗 他们带来了希望。
机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗 相同,以薄膜结构模仿基底膜构造。 密大的机械耳蜗有三个优点,首先 是其尺寸大小如实体,其次是适合 大量生产,最后是能以低功率机械 方式进行声学信号处理。
2013-9-22 沈阳工业大学 42

5. 微型机械零件“自组织化”装配

微纳制造应用案例

技术
东京大学开发出一种微型机械零件“自组织化”自动装配技术,利用自然 界的“自组织化”现象把散乱零件结合到一起,对提高工作效率、增加微型 机械产量大有帮助。 原子在硅酸化物基片上可以自然成形,这种现象被称为“自组织化”。 受此启发,先在微型零件表面涂上化学物质,让他们具有溶水性或排水性, 然后放入溶液中。结果,排水性零件互相吸引,而与溶水性零件互相排斥。

只要在零件表面涂料上下功夫,零件就会根据需要很好地结合在一起。研究
人员把直径仅为10微米的硅粒作为零件进行实验,硅粒排成一列,连成微小 柱形,再在基片表面进行化学处理,成功地把硅粒柱敷设在基片上。这种技

术在超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。
2013-9-22 沈阳工业大学 43

微纳制造应用案例
6. 纳米生物科技-分子马达
美国已成功地制造出与病毒大小差不多 的分子马达。该生物分子马达是以200nm长、 80nm直径宽的金属镍为轴,并以分子(F1腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素)作为马达,而 以长750nm、直径为150nm的镍作为螺旋桨。 据研究人员的观察,该分子马达被浸泡至 ATP溶液中后,利用生物分子细胞内的化学 反应,以ATP 作为能源,每秒转速可达8圈, 并可连续转动2.5小时。 研究人员相信,像这样的微型分子马达可作为纳米机器人或其它纳米组件 零件的一部分,它的潜在应用价值是非常之大的。将来利用该马达所作成的 潜艇就可进入人类的血管之中,不必藉由传统的开刀方式,即可清除脑血管 中的血块,清理血管壁上的沉积物质,以排除中风的危机。
2013-9-22 沈阳工业大学 44

微纳制造应用案例
7. 纳米齿轮 Nano Gear
日本科技研究小组,于2002年 2月初发表,利用纳米材料的组 成,于现有的制作技术,已成 功研制出世界上最小的齿轮。 该齿轮直径仅有0.2mm,且具有 良好的抗磨损、抗热、滑动特 性,这无非为实现分子机器的 实现又迈进了一大步。 科学家利用苯甲基与C60的键结形成分子齿轮的雏型。因此, 若能将多个分子以准确的位臵键结至纳米碳管上,这样所形成的 分子齿轮,将成为组成纳米机器非常有用的组件。
2013-9-22 沈阳工业大学 45

微纳制造应用案例
8. 原子操纵术
1990年美国IBM的一群科学家, 首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖 曳,逐颗将37颗原子排成“IBM” 三个英文字母,相当引人注目(如 图)。

原子操纵术可说是STM (扫描穿透显微镜)的专长,该工具具备微小且 精密的操控能力。扫描穿透显微镜的主要构造部分有一根金属钨(W)至的探 针针头仅有几个原子宽,探针针头仅有几个原子那么宽。探针与被观测样 品并不接触,而是在其上方来回扫描,当距离很近(约10埃),针尖跟表 面的偏压虽不大,但所产生的电场可不容忽视。藉由针头和样品之间电场 的吸引从而把样品中的原子拉离表面,并通过针头沿着表面移动到别处。

如果对这种现象善加利用,就能对单个原子进行操作,从而将它们逐个按
特定结构“组装”成纳米机械。
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微纳制造应用案例
8. 原子操纵术

将一顆一顆的铁原子團,在Cu(111) 表面上排列成“原子”二字。
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将一顆一顆的一氧化碳原子團,在 Pt(111)表面上排列成人的形狀。
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沈阳工业大学

微纳制造应用案例
9. 纳米材料的莲花效应

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微纳加工例子
9. 纳米材料的莲花效应 予独爱莲之出淤泥而不染,

濯清涟而不妖,
中通外直,不蔓不枝,

香远益清,亭亭静植,
可远观而不可亵玩焉。

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