第二章 纳米制造及产品的新进展
本章分析美国在纳米粒子制造、纳米管制造和纳米产品制造方面的创新信息。美国在纳米粒子制造领域，主要集中在用物理方法、生物化学方法制造纳米粒子。同时，用纳米粒子制造医用产品，以及半导体产品和艺术作品等。在纳米管制造领域，主要集中在高质量纳米管的研制及技术，医用纳米管的制造及其产品，以及用纳米管制造电子产品和其他产品。在纳米产品制造领域，主要集中在纳米机械产品、纳米电子产品、纳米化工产品和纳米医学产品的制造。
第一节 纳米粒子的制造及其产品
一、用物理方法制造纳米粒子
1．用纳米刻蚀技术研制出能充分伸展的单晶硅
2005年12月，由美国依利诺斯大学材料学系约翰·罗杰斯教授负责，黄勇教授等人参加的一个研究小组，用纳米刻蚀技术开发出一种可充分伸展的单晶硅，这种附着在橡胶基质上的单晶硅具有波状几何形状，是制造高性能电子元件的优质材料。
罗杰斯介绍，可伸展的硅比标准硅芯片用途更广泛。用这种材料制成的电子元件可以作为传感器或其他装置的驱动元件，与人造肌肉或生物工程组织整合到一起，也可以作为飞行器机翼的结构监视元件。为制造这种可伸展的硅，研究人员采用特殊的纳米刻蚀技术对元件进行钻蚀。这样形成的硅带只有100纳米厚，不到人头发丝直径的千分之一。然后，将平的橡胶基质拉伸并置于硅带的上部，通过释放张力，引起硅带和橡胶基质弯曲，形成一系列完好的波形，就像手风琴一样。
黄勇表示，这种用纳米刻蚀技术加工出来、附着在橡胶基质上的可伸展的硅，代表一种可伸展、高性能电子元件的新形式。为证明其性能，研究人员构建了波状二极管和晶体三极管，并和传统的电子元件进行比较，这种新型的波状元件性能不但达到钢性元件的水平，还可以重复拉伸和压缩而不会损坏，电子特性也没有明显改变。
罗杰斯称，除了单独的电子元件，未来复杂电路板也能用纳米刻蚀技术做成这种具有可拉伸性的波状结构。通过与其他电子和光学器件的结合，这种可充分伸展的单晶硅，将会在许多意想不到的领域广泛应用。
2．研制出能增强光线的双层纳米晶体
2007年6月，由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室物理学家维克多·克里莫夫及其同事组成的研究小组，在《自然》杂志发表论文，介绍了他们研制出的一种新型纳米晶体，这种晶体使用较少能量就可增强光线。据称，通过这种途径可以制造廉价的彩色激光器。
半导体材料中，2～10纳米大小的晶体称为量子点。量子点可以释放不同颜色的明亮荧光。量子点的制作过程简单，成本低廉，并且与现在的气体和二极管激光器都只能发射单色光不同，只要改变纳米晶体的大小，人们就可轻而易举地获得不同颜色的光。半导体材料中的电子有高、低两个能级，能级间的带隙决定着激光的波长。克里莫夫表示，在纳米晶体中，带隙会随着晶体薄片的尺寸而改变，尺寸越小，带隙越大。因此，通过改变晶体尺寸，纳米晶体激光器可以发射从紫色到绿色的光。
该研究小组制作了一个双层纳米晶体：内部是一个硫化镉核，外层包裹着硒化锌壳，这种纳米晶体只增强一个电子空穴对的光。据克里莫夫介绍，通过这种分割，电子老老实实呆在核中，而空穴进入外壳。这种分割改变了纳米晶体的性质，晶体中两个处于低能级的电子中，一个比另外一个需要大得多的能量才能激发。因此，受激发时，只有一个电子会被激发，形成一个电子空穴对。这样的话，当外部光子轰击时，只有一对电子空穴对重组，产生的两个光子都被释放出去。现在，研究人员只要用较小的能量轰击纳米晶体，就可以使受激发的单个电子维持2纳秒的激发态，这个时间足够增强光线。
二、用生物化学方法制造纳米粒子
1．利用DNA制造纳米粒子和宝石
（1）利用DNA分子装配纳米颗粒。2005年1月21日，由美国密歇根大学生物学家贝克领导的一个研究小组，在《化学和生物学》杂志上发表论文称，他们已经找到一种更快、更有效的制造各种纳米颗粒药物传递系统的方法，即把DNA分子与纳米颗粒结合在一起。
研究人员在论文中公布了把这种树状纳米聚合物与单链DNA相结合的方法。树状纳米聚合物是由詹姆斯和贝克等人制造出来的一种树状的纳米级的合成分子。通过控制与之结合的单链DNA分子的长度，纳米树状聚合物能够被装配成多种结构和类型的分子。连接其上的DNA能够高度专一地与其他DNA链结合。
研究人员表示，利用这种方法，人们能够把各种分子（如药物）送到任何的细胞中。利用传统的方法，如果人们想把5种药物靶向5种不同的细胞，将需要25个合成步骤。贝克研究小组将会建立单个功能的树状聚合物库，以实现同步合成而无须再一步步合成，然后把它们与DNA链结合起来。
贝克指出，利用这种方法只需要10个步骤，就可能获得5种“偏好”不同的树状聚合物。他预测，将来人们能够建构并制造出由携带三个单链DNA的单独树状分子构成的纳米颗粒丛。
（2）利用DNA链获得金纳米粒子晶体。2008年2月，由美国西北大学国际纳米技术研究所主任查德·米尔金教授与乔治·夏茨教授共同负责的一个研究小组，其研究成果作为封面文章发表在《自然》杂志上。研究人员表示，他们借助DNA链成功地获得了由金纳米粒子构成的3维晶体结构。
研究人员称，利用该技术能构建各种具有特殊性质的晶体物质并可广泛应用于医学、光学、电子或催化领域。大多数的宝石，如钻石、红宝石和蓝宝石皆为晶体物质。在每种晶状结构中，各个原子都处在精准的位置，这赋予了该类物质独特的性质。例如，钻石的硬度及折射特性就是源于其结构中每个碳原子所处的精准位置。
该研究小组通过把合成DNA的双链附着在金纳米粒子上，获得两种普通但又极具差异的晶体结构。在两种晶体结构中，金纳米粒子取代了原晶体结构中的原子。研究人员表示，每条链中DNA片段的不同是导致晶体结构产生差异的原因，而结构的差异使得两种晶体具有不同的特性。
米尔金把晶体的形成比喻为建筑楼房。利用砖块、木材和墙板等基本材料，建筑队可以建造出不同类型的房屋。在研究小组的工作中，DNA控制金纳米粒子在晶体结构中的位置，并使其以某种功能性的方式来排列这些颗粒。在没有人干预的情况下，DNA自主完成了所有的工作。
研究小组利用阿贡国家实验室先进的光子源同步加速器所产生的超强X射线，并辅以计算机模拟，对这些结晶体进行影像学研究，确定整个晶体结构中各个粒子的准确位置。他们发现，最终的晶体中有大约100万个金纳米粒子。米尔金说：“作为纳米科学家，我们现在更接近一个梦想，即了解如何把每种物质分解成基础的组建模块（对我们来说就是纳米粒子），并将它们重新组装成我们所需的拥有特定性质的各种结构。”
目前，研究小组仅使用一种组建模块，即金纳米粒子。然而，随着利用DNA链构建新晶体的技术不断发展，人们可以利用众多不同大小的组建模块，而这些组建模块可以具有不同的成分（如金、银及荧光粒子）及不同的形状（如球体、杆状体、立方体及四面体）。此外，控制每个纳米粒子之间距离的长短也是决定该结构功能的关键。米尔金表示：“人们一旦精于此道之后，便可构建任何想要的东西。”
（3）用纳米粒子与DNA按照设计制造出全新晶体。2011年10月14日，由美国西北大学国际纳米技术研究院主管、温伯格文理学院化学教授乍得·米尔金领导的一个研究小组在《科学》杂志上发表论文称，他们开发出一种新方法，把纳米粒子作为“原子”, DNA作为“化学键”，按照某些自然界晶体中的原子晶格方式来制造晶体，能制出甚至原先在自然界没有的全新晶体。
研究人员表示，按照该方法和基本设计规则，人们可能造出多种新材料，用于催化剂、电子设备、光学设备、生物医学和发电、储存及转化技术等领域。
米尔金说：“我们能控制结晶的模式，这在许多方面比自然界和实验室的原子结晶方式更加强而有力。我们正在编制一张新的晶体种类周期表。按照设计规则，用纳米粒子作为 ‘人造原子’，通过控制纳米粒子的大小、形状、类型及其在既定晶格中的位置，改变DNA的长度就产生了几乎无限的可调性。我们能制造出全新的材料，超出自然界所限定的那些晶体。”
研究人员解释，用不同大小的纳米粒子与不同长度的DNA链组合，就能形成各种各样的晶体结构。经过混合和加热，组装的粒子从最初的无序状态转变为一种有序状态，每个粒子都按照晶格结构固定在各自的位置。他们在论文中提出了6种设计规则，在粒子大小和DNA长度已知时，能预测不同晶体结构的相对稳定性，并按照规则设计了41种晶体结构，表现出9种完全不同的晶体对称性。
研究人员指出，设计规则提供了一种能独立调节每个相关晶体参数的方法，包括粒子大小（5～60纳米）、晶体对称性和晶格参数（20～150纳米），这41种晶体只是很小一部分样品。该方法也适用于各种化学成分的纳米粒子，粒子类型和其结构对称性决定着晶体的性质。在开发新材料方面，该方法提供了一种预测和控制材料物理性质的理想手段。
（4）利用DNA和纳米粒子制造宝石。2013年12月，由美国西北大学纳米专家乍得·米尔坚领导，该校温伯格学院化学教授奥尔弗拉·克鲁兹等人参加的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们首次利用DNA和纳米粒子制造出接近完美的单晶体。
米尔坚认为，完美的单晶体在日常生活中应用广泛，例如，单晶体钻石不仅是名贵的饰品，还具有广泛的工业用途；蓝宝石可被用于制造激光发生器，而单晶体硅则是重要的电子器件原料。他还说，原子在晶格中的位置是否精确决定了一块晶体的好坏。而单晶体连绵不断且没有瑕疵的晶格，使其具有独特的机械、光学，以及电磁特性。现在，可以利用DNA和纳米粒子来制造晶体。
据介绍，该研究小组基于实验室近20年研制的超结晶格子技术找到一种独特的方法：利用特定的纳米材料作为原子，特定的DNA作为黏合剂，经加热之后便可获得所需的晶体。
米尔坚说：“设想一下，如果一个容器中有一百万个红球和蓝球，不管你如何晃动容器这些球都不会完全均匀混合。但是，如果你在一个充满纳米粒子的容器中添加合适的DNA，然后摇动容器，在我们的实验中，也就是搅拌溶液，你就会发现，所有的纳米粒子会被DNA粘连住。它们组成了一个完美的三维晶体。”
该研究小组在本项目研究中利用特定的DNA链充当黏合剂，把散乱的金纳米粒子组合成结构有序的晶体。研究人员表示，在上述过程中，DNA链的长度和纳米粒子尺寸之间的比例非常重要。
克鲁兹指出，这一比例直接决定所获得的晶体质量的优劣，这也是该技术的奇妙之处，所以必须拥有正确的比例。她解释称，DNA链的长度与纳米粒子尺寸的比值会影响晶体表面的能量，进而最终决定晶体最后的形状。在“秘方”之外的比值会导致晶体表面能量产生波动，进而难以形成规则的形状。她还称，合适的比值会让能量的波动小许多，进而促进晶体的形成。目前，研究人员已经知晓了一些合适的比例。
研究人员表示，DNA的长度不能比纳米粒子的直径大过多。在这项研究中，每个纳米粒子的直径在5～20纳米之间。
尽管该研究小组目前的主要研究对象是金纳米粒子，但是，米尔坚表示，这项技术也可以被应用于其他材料。他表示，在经过技术改进之后，将能够制造更大的完美单晶体。而且今后，这种方法还可用于制造单晶硅，进而极大地促进硅电子工业的发展。
2．运用其他生物化学方法制造纳米粒子
（1）从肾结石上分离出纳米粒子。2006年12月，由美国马约医学中心肾脏学家约翰·列斯科领导的一个研究小组，在《调研医学杂志》上发表研究报告称，他们在实验室中把人体肾结石经过细胞培养后，成功地从中分离出纳米粒子，以及同纳米粒子相关的蛋白质、核糖核酸和脱氧核糖核酸。研究人员表示，该研究成果具有十分重要的意义，它使得人们在了解纳米粒子是否具有活性并导致疾病的研究中又向前迈进了一步。
人体肾结石同病理钙化相关。简单地说，肾结石是钙物质在肾脏内沉积成块的结果。大约有12%的男性和5%的女性在70岁后会出现肾结石。美国每年用于治疗该病的费用为50亿美元。然而，人们至今并不完全清楚导致钙沉积成结石的原因。列斯科研究小组希望通过在分子水平上的研究认识肾结石，弄清产生肾结石现象的真实面目。
纳米粒子很小，有人提出了它们能否在身体中“存活”的问题。一般解释是，从理论上讲，如果纳米粒子停留在肾脏，那么它会变成核心并不断生长，在数月至数年后长大成肾结石。同时，其他因素如结石生长的物理化学变化和蛋白质抑止剂也促进肾结石的发展。目前，不断有科学证据显示，钙化同纳米粒子的存在具有相关性，纳米粒子在肾结石的形成和发展中起着活性作用。
然而，列斯科认为，在实验中，从肾结石上分离出了蛋白质、核糖核酸和脱氧核糖核酸，并不能证明纳米粒子具有活性，因为并没有找到相应的基因签名。如有基因签名，则能证明纳米粒子具有活性，能够复制和导致疾病。
列斯科说：“我们正在了解肾结石是如何在肾脏中，从微小的钙化点最终发展成肾结石的。在实验室里，我们从肾脏组织和肾结石分离出了纳米粒子，同时还成功地把它们实现了人工培养。虽然这还不足以明确地认定纳米粒子在肾结石形成过程中所起的作用，但它增加了人们对这一问题的认识。”
（2）模仿细菌成功制造出磁性纳米粒子晶体。2008年4月，由美国能源部埃姆斯实验室材料化学和生物分子材料项目主任苏利耶·马拉普拉嘎达领导，该实验室，以及爱荷华州立大学的微生物学家、生物化学家、材料学家、化学工程师、材料科学家和物理学家等组成的一个跨学科研究小组，模仿细菌的自然本领，成功合成出磁性纳米粒子晶体。这些粒子晶体有望用于药物寻靶和传递、高密度存储装置或作为电机的磁密封。
研究人员表示，商业化室温合成磁性铁纳米粒子晶体相当困难，原因是纳米粒子形成快，人们获得的往往是缺乏理想的晶体和磁性特征的粒子聚合块。同时，当粒子更小时，其磁性特别是同温度相关的特征会出现消失的现象。
在自然界中，有数种细菌能够产生精细和均匀的磁性四氧化三铁纳米粒子。该粒子具有理想的磁性特征。这些细菌被称为桥性细菌，它们采用一种蛋白质来生成尺寸约为50纳米的晶体状粒子，这些粒子在膜的约束下形成粒子链。据悉，细菌用体内的粒子链作为指南针，与地球磁场配合来确定方向。
研究小组为了解人类是否可以模仿细菌这种特殊的本领，在研究中，研究人员首先分离出数种桥性细菌。然后基于他人早期研究的成果，分析了能够“捆绑”铁的几种蛋白质，其中包括在桥性细菌体内发现的Mms6蛋白。在细菌体内，Mms6蛋白同包围磁性晶体的膜相关。
接着，研究小组在试剂浓度不同的水性溶剂中尝试合成磁性晶体。开始，快速形成的粒子小且缺乏特殊的晶体形态。于是，遵循小组物理学家提出的建议，他们采用自己开发的高分子凝胶剂降低了反应速度，从而控制了纳米晶体的形成，并最大限度地减小了聚合块的尺寸。
研究人员利用电子显微镜对合成的纳米粒子晶体分析发现，Mms6蛋白能够产生类似细菌自然产生的那种成型好的纳米粒子晶体，同时它们具有十分相似的特性。
研究人员称，最初得到的生物体中没有见到铁酸钴，而铁酸钴比磁铁具有更令人满意的磁性特征。要实现商业化生产必须解决磁铁纳米粒子晶体研制存在的这个问题。因此，研究人员基于对桥性细菌和合成磁性纳米粒子能力的认识，通过在合成磁铁纳米粒子过程中增加额外步骤终于获得了六边形的铁酸钴晶体。据悉，他们的下步目标是了解是否可以将新方法推广到合成更多的磁性物质晶体。
（3）使用蛋白制成可保留各自功能的纳米粒子结合体。2009年7月，由华盛顿大学生物工程助理教授高小虎主持的一个研究小组在《自然·纳米技术》杂志上发表研究成果称，他们首次在一个微小的封装里把其中两种纳米粒子合二为一，从而为医学成像和治疗研制出一个多功能的纳米技术工具。
研究小组表示，正在开发的各种纳米粒子在医疗领域已经有了越来越广泛的用途，如肿瘤成像、运载药物或提供热脉冲等。研究人员说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一个极小的点状物，不少量子点表现为直径只有几个纳米的半导体荧光球。在如此微小的尺度上，量子点的独特光学特性可使其依据大小发出不同颜色的光。量子点已广泛应用于医疗成像、太阳能电磁和发光二极管等领域。
发热金纳米粒子自古以来就被用于制作彩色玻璃，现代则被开发用于运送药物、治疗关节炎，以及使用红外光进行医学成像。金纳米粒子还可对红外热进行再辐射，因此也被用于可对邻近细胞进行加热的医学治疗中。
但是，把量子点和金纳米粒子混合后这些效应就会消失。由于这些粒子的电场相互干扰，其原有特性均不再表现。而且，两种粒子虽可在表面进行成功结合，但从不能结合成单个的粒子。
高小虎小组研究的最新制造技术则是使用蛋白把一个量子点内核包围在一个直径为3纳米的超薄金壳中，从而使这两种粒子的光电特性不再受彼此的干扰，量子点就可用于荧光成像，金球则可用于散射成像。散射成像在热疗法等情况下要优于荧光成像。
研究人员表示，这项制造技术也可适用于其他纳米粒子组合。此次，他们选择的是一种较为困难的情况，因为金或其他金属可使量子点荧光猝灭，从而使量子点失去其效用。为了避免发生这种情况，研究人员造出了一个包围但不接触量子点的金球，然后，利用聚合物链（聚乙二醇）仔细控制金壳和纳米粒子内核之间的距离。量子点内核与带电金离子间的距离由聚合物链的长度决定，通过增加到聚合物链的链路，则可增加其纳米精度。研究人员还在外层添加了可与带电金离子结合的称为聚组氨酸的短氨基酸。
研究人员利用离子制作出一个厚度仅为2～3纳米的金壳，它薄到足以让几乎一半的量子点荧光通过。而所有传统技术则都是用预制的金纳米粒子而不是金离子。金纳米粒子的直径为3～5纳米，考虑到粗糙度，即便最薄的涂层也只能到5～6纳米，而金离子则要小得多。
金的引入为生化药物分子黏附到肿瘤细胞这样的特定靶标细胞提供一个行之有效的结合位点，而且金在某些情况下还有可能把量子点荧光放大5倍至10倍。金具有生物相容性，在医学上得到了使用认可且无法生物降解，由此，金外壳也为用于人体内的纳米粒子提供了一个无毒的耐用容器。
研究人员把该结构形象地比喻为一个金蛋，量子点是蛋黄，金是外壳，聚合物则是填充其间的蛋清。研究人员最终完成的混合结构总直径大约为15～20纳米，小到可以溜进一个细胞里去。
高小虎称，这是首次实现在保留各自功能的情形下，把半导体和金属纳米粒子结合在一起。研究人员表示，多功能纳米粒子目前的应用重点仍在医疗领域，但其亦可用于能源研究，如太阳能电池等。
（4）开发出可关闭疾病相关蛋白质的编程纳米粒子。2012年7月，由美国佛罗里达大学化学副教授查尔斯·曹与医学院胃肠道及肝脏研究主席、病理学教授刘晨领导的一个研究小组在美国《国家科学院学报》上发表论文称，他们研制出一种纳米粒子，被称作“纳米机器人”，可经过编程关闭基因生产线上产出的疾病相关蛋白质，将细胞水平治疗疾病向前推进了一步。
纳米粒子可作为诊断、监控、治疗疾病的应用基础工具而出现，如基因测试设备、基因标记等。开发出一种具有精确选择性的载体，令其只进入疾病细胞，瞄准其中特定的疾病进程，而不伤害健康细胞，是纳米治疗领域的最大优势。
研究小组扩展了病毒基因物质介入的理念，开发出一种瞄准肝脏中C型肝炎病毒的纳米机器人，称为“纳米酶”。它由黄金纳米粒子作主支架，表面主要是两种生物成分：一种能破坏有“基因传令官”之称的mRNA（信使核糖核酸）的酶，而mRNA可制造导致疾病的蛋白质；另一种是DNA（脱氧核糖核酸）低核苷酸大分子，能识别目标遗传物质，并通知它的酶伙伴来执行任务。“纳米酶”还可通过剪裁来匹配攻击目标的遗传物质，并利用身体固有的防御机制潜入细胞内而不被觉察。
在实验中，这种新式纳米粒子几乎能根除C型肝炎病毒感染，可编程性还让它们有可能抵抗多种疾病，如癌症及其他病毒感染。
目前，治疗C型肝炎病毒的药物主要是攻击病毒复制机器，但据许多论文显示，药物只对不到50%的患者有效，且不同药物副作用差异很大。而新疗法将C型肝炎病毒水平降低了近100%，还不会触动机体的防御机制，减少了发生副作用的机会。
研究人员指出，这种纳米机器人还需要进一步实验以确定其安全性，将来可能采用口服药丸的形式。刘晨说：“如果该技术在临床应用上能进一步发展，将会有效遏制C型肝炎病毒感染。”这种有着广泛潜在应用的新奇技术能从根本上瞄准任何基因，为更多的新实验打开大门。
（5）研制出可传递药物直入大脑的磁电纳米粒子。2013年4月17日，美国佛罗里达国际大学赫伯特·韦特海姆医学院的一个研究小组在《自然·通信》上公布的研究成果显示，他们开发出一种可以向大脑传递的磁电纳米粒子，以充分释放抗艾滋病病毒药物活化型三磷酸体的革命性技术。
多年来，血脑屏障让研究神经系统疾病的科学家和医生很伤脑筋。血脑屏障是一种天然的过滤器，只允许极少数的物质通过其进入大脑，把大多数药物拦截在外，以致目前99%以上用于治疗艾滋病的抗逆转录病毒药物在到达大脑之前都会沉积在肝、肺等器官内。
在实验中，研究人员把药物插入单核细胞/巨噬细胞，然后把它注射到人体内，药物随磁电纳米粒子进入大脑。一旦药物到达大脑，低能量的电流会触发药物释放，然后将其用磁电引导至目标。试验中几乎所有的治疗都达到了预期效果。
研究人员采用磁电纳米粒子穿透血脑屏障，高达97%的活化型三磷酸体能够到达被艾滋病病毒感染的细胞。而活化型三磷酸体可有效地抑制病毒逆转录酶，并终止DNA链增长，从而阻碍病毒繁殖。
研究人员称，这是一个可满足多种疾病治疗的方法，还可以帮助其他神经系统疾病的患者，如阿尔茨海默症、帕金森氏症、癫痫、肌肉萎缩症、脑膜炎和慢性疼痛的人，也适用于癌症。目前，该技术正在申请专利。
三、用纳米粒子制造产品的新进展
1．用纳米粒子制造医用产品的新成果
（1）用碳纳米微粒巴基球研制抗辐射药物。2005年11月15日，在费城召开的国际分子定向和癌症治疗大会上，由美国费城大学放射肿瘤学家亚当·迪克领导的一个研究小组报告称，他们用透明的斑马鱼晶胚做实验，发现碳纳米微粒巴基球能减小放射线对正常组织的危害。于是，他们提出通过开发巴基球来研制抗辐射药物，用于减轻癌症放化疗产生的副作用。
放疗和化疗已经成为癌症治疗的常规手段，但这两种治疗方法都对人体损害极大。放疗破坏皮肤、口、喉及肠道细胞，能引起人疲劳、恶心、腹泻和永久性脱发。化疗能引起听力丧失，并破坏心脏和肾等器官。
迪克介绍，虽然有关纳米微粒靶向治疗癌症的研究有很多进展，但都要和传统的放化疗手段结合。因此，他希望采用纳米微粒减少传统癌症治疗手段的副作用。目前，美国食品药品管理局只批准了一种减少放化疗副作用的药，即“氨磷汀”（amifostine）。
该研究小组正在与位于休斯顿的C60纳米公司合作。迪克认为，放疗和化疗通过破坏活性氧，如产生自由基、氧离子和过氧化物来损伤细胞或组织。巴基球周围的电子云或许能吸收这些自由基。研究人员为搞清巴基球如何防止辐射，用斑马鱼晶胚作实验材料，这种晶胚既便宜又透明，有利于密切观察辐射所引起的器官损伤。研究发现，在X射线照射之前或之后立即加入巴基球，能够让器官损伤减少1/2到2/3，达到氨磷汀的保护效果。
而且，经过长期动物实验，科研人员并没有发现巴基球有毒。迪克说：“氨磷汀不稳定又有很大毒性，如果巴基球毒性更小，效果又好，那太棒了。而且，巴基球非常稳定，可以储存而不会变质。”
迪克解释说，在巴基球外包裹一层分子就可以使纳米微粒定向保护受辐射的组织或器官。某种放射性同位素只对特定器官有破坏作用，如用锶可以定位到骨骼。对接受放疗的癌症患者来说，增加保护的特异性是十分有利的。
（2）用纳米金粒子制成检测可卡因的高灵敏试纸。2006年11月，由美国伊利诺斯大学巴纳分校医学家陆毅负责的一个研究小组，对可卡因中毒找到一种快速且容易的诊断方法，可在急诊室内进行检测。其具体做法是，只要把试纸浸入患者提供的体液，然后观察相关色带是否出现，就可以判断是否属于可卡因中毒。
拯救中毒患者是一个争分夺秒的过程。对急症医生而言，准确诊断患者中毒原因是非常重要的。而实验室分析方法太过繁复，并且无法在急诊室内进行。所以，发明简便的试纸检测具有重要的现实意义。
陆毅用试纸对生物样品，如唾液、尿液、血清中的可卡因进行了试验性的测试，都能灵敏地显现出令人满意的结果。他说：“我们研制的试纸基于纳米金粒子和一种单链核酸。”单链核酸分子能和特定目标分子结合。由于有无数种各种随机序列的DNA分子存在，所以可以为几乎所有的目标分子找到相应的单链核酸。
此前的类似诊断由于需要训练有素的用户，所以非常不易。但是，本次针对可卡因的新试验则完全不同。当试纸浸入样品时，液体会随着试纸到达含金粒的单链核酸团块。这些团块有特殊的结构：它们由纳米金粒子和DNA短链聚集成。DNA和识别可卡因的单链核酸的两个区域配对。和DNA结合后，造成金粒子形成大型团聚。
当含可卡因的液体达到这些团聚时，可卡因分子迅速和单链核酸结合，使团聚重新分离为单个金粒子。这些粒子表现为红色。之后液体会到达隔膜，大型团块无法通过膜，但是红色的单个粒子可以通过。它们通过表面生物素和链锁状球菌素结合，最终表现出可见的红色。这是一种普适的诊断方法。
2．用纳米粒子制造其他产品的新成果
（1）用纳米粒子制造出半导体气凝胶。2005年1月，由美国底特律韦恩州立大学施坦芬尼·布洛克教授领导，其同事参与的一个研究小组，运用纳米技术首次成功地制造出半导体气凝胶。气凝胶是一种重要的多孔物质，绝大多数不导电。如果把半导体气凝胶制成薄片，可用于制造光电管、催化剂、传感器等。
布洛克研究小组制作的是金属硫化物气凝胶，它包含金属元素和VI族元素，诸如硫和硒。过去的气凝胶仅限于金属氧化物和碳氧化物。气凝胶由于具有表面积大、可定量控制性，以及光激发性而应用广泛。
研究人员在制作中，首先制备表面覆盖硫醇盐分子的纳米金属硫族化合物，把它氧化后得到气凝胶，再把气凝胶通过高纯度二氧化碳干燥，以保持其表面的小孔。最终得到的气凝胶具有直径2～50纳米的小孔，每克表面积达250平方米，密度仅为0.07g/cm3，相当于硫化镉晶体密度的1.4%。使用同样的工艺，研究小组还制造出硒化镉、硫化锌和硫化铅气凝胶。
布洛克说：“当今纳米科技的难题之一是用纳米微粒制造出实际可用的材料，而不丧失其纳米特性。我们的研究提供了一种简单通用的方法来达到上述要求，这对将来制造成分更复杂的纳米物质具有一定启发意义。”
（2）用两万颗黄金纳米微粒绘制太阳图像。2007年9月，美国IBM公司研究人员在《自然·纳米技术》杂志上发表研究报告称，他们创造出世界上最小的艺术作品之一，用两万颗黄金纳米微粒绘制成太阳图像。这件作品实现了精度上的突破，预示着未来人们可以制造超微传感器、透镜和纳米级电路所需的电线。
这幅太阳图像取材于一位17世纪炼金士画的黄金符号，研究人员以蚀刻方式，用每颗直径60纳米的黄金微粒，在硅晶片上作出了这幅画。
IBM公司和其他公司的一些研究人员一直致力于超微电路的研制工作，他们不断提升未来将投入使用的电子元器件的性能。实际上，目前最先进的微型处理器所用元件的直径甚至小于60纳米。
不过，这次研究人员用某种方法直接把微粒放在所需位置上，在其他纳米级制造项目上，他们也能再度使用这种方法，他们甚至可以操纵小到2纳米的微粒。
IBM的研究人员表示，在制造分子级芯片上的高性能传感器时，精确控制纳米电线的排列十分关键。上述排列纳米微粒的方法有朝一日也许能用来追踪某一疾病的细微征兆。
第二节 纳米管的制造及其产品
一、高质量纳米管的研制及技术
1．研制高质量高性能纳米管
（1）研制成高性能超长纳米管。2007年5月，英国《新科学家》杂志网站报道，总部设在美国新罕布什尔州的纳米复合公司负责人彼得·安托瓦尼特告诉媒体，他们研制出一种用碳纳米管制成的轻薄材料，其强度超过钢，传导性能接近铝。公司声称，使用这种材料能够制作轻便防弹衣和高导线缆。
研究人员早就知道，碳纳米管的强度非常大，传热性好，可以作半导体。但是，这些特性在单个管中价值有限，制造特性相同的散装材料也不是一件容易的事情。
该公司找到了一种解决办法。安托瓦尼特说：“其中的窍门是，我们的纳米管比平常的纳米管长得多，长度要以毫米计，而不是以微米计。”他表示，纳米管加长后，可以更有效地黏合。
该公司没有透露制造过程的细节，但是披露这一制作过程使用了化学气相沉积技术。在化学气相沉积过程中，碳从一种气体中被压缩出来。由此做成的纳米管就像一种拆开的垫子，必须经过化学处理使纳米管定向排列，从而导致这种材料在排列方向上的强度特别大。
（2）研制出数百米超长碳纳米管。2009年11月，美国莱斯大学一个研究团队，原来由已故诺贝尔奖得主理查德·斯莫利领导，现在由化学工程教授玛窦·帕斯夸利主持，他们经过多年的努力完成了一系列纳米方面的研究项目。近日，在《自然·纳米技术》上发表研究报告称，他们研制成长度达几百米、厚度仅为50微米的碳纳米管。
研究人员表示，到目前为止，大多数的碳纳米管研究还仅限于小规模的应用。但现在，他们开发出如此长的碳纳米管，这已表明碳纳米管的长度将不再受限制。该成果为碳纳米管用作电力传输线或是作为结构性材料的基础打开了大门。
莱斯大学的超长碳纳米管项目开始于2001年。近日，研究人员终于发现一种名为氯磺酸的超强酸，可在浓度比别的任何溶剂强1000倍的条件下，对碳纳米管进行自然分解。该方法可产生出规则排列的碳纳米管，其中碳纳米管可形成一种类似花洒的喷嘴状。研究人员已在研究报告中公布了酸处理技术的细节。
由于碳纳米管具有很强的传导性，研究人员目前正在制定以此来制作电力传输线的项目。帕斯夸利表示，金属纳米管的导电性强于铜线，质量也更轻。
为了制作这种传输线，研究人员需要数量非常多的金属纳米管。虽然目前还无法批量制造不含任何半导体纳米管的全金属纳米管，但是，这方面的最新研究正在取得良好的成果，研究人员预计，在不远的将来该项技术就可能产生突破。
2．研制高质量纳米管的新技术
（1）提高微型磁纳米管实际效用的技术。2005年8月，美国媒体报道称，微型磁纳米管为几个研究问题的解决提供了非凡的办法，它还能成为成像和药物分发的运输工具。
人类对纳米颗粒的形状充满了信任，但这种形状只有一面可供修饰和处理，以产生改进型的多功能颗粒。2002年，美国佛罗里达大学的查尔斯·马丁决定尝试一种不同的方法。桑博克·李曾经在马丁的实验室做过博士后，他说：“我们需要一种能对里外表面进行不同修饰的技术。”他们使用了容易合成、能溶解于水溶液的硅纳米管，从而提供了容易修饰的表面。
桑博克·李目前在美国马里兰大学工作。他最近拓展了这一工作，展示了一种可改进这些纳米管磁性的修饰，以便增强磁纳米管的实际效用。用磁铁简单地对纳米管内表面进行压层，纳米管就很容易被用于有机活体中。他说：“这种磁性让纳米管在核磁共振成像仪中具有图像的能力，人们因此能简单地跟踪纳米管在体内的踪迹。”他还说：“这些磁纳米管另一潜在的巨大优势就是它能辅助生物间磁性相互作用。如果你使用磁场，你就能让这些纳米颗粒集中在体内的某一点，给予足够的时间让它们与癌细胞或其他目标相互作用。”
这些磁性纳米管在未来也能应用于活体中。利用分子吸附染料的能力，桑博克·李研究小组把纳米管内表面功能化。当这种纳米管被加入一种染料溶液并加以磁隔离时，近95%的染料可被除掉。同样的，内表面涂有抗原的纳米管能高度分化地磁分离识别蛋白质的抗体。
然而，桑博克·李的主要兴趣在于把这些纳米管用于药物的分发。尽管药物能够很容易地被送入纳米管中，但阻止药物过早地分发是一个难题。研究小组正在寻找解决问题的办法。桑博克·李说：“理想的情况是我们希望通过离子或化学键间的强化学作用，用药物分子来修饰内表面。然后，再使用酶的活性或其他方法来分开这种化学键轻松地释放药物分子。”
（2）开发DNA序列分拣碳纳米管新方法。2009年7月，由美国杜邦公司研发中心科学家郑明和屠晓民、理海大学化学工程教授贾古塔，以及该校化学工程硕士生曼努哈尔等人组成的一个研究小组，在《自然》杂志上发表题为《用于碳纳米管特殊结构识别和分离的DNA序列》的论文。该论文表明，他们在生产碳纳米管方面取得了突破性的进展，成功开发出以DNA为基底的、可从多种碳纳米管的混合物中分拣出特殊类型的碳纳米管的方法。
碳纳米管为长形细小的石墨圆筒，具有电子学和热力学等多方面的特征，这些特征随着碳纳米管的形状和结构变化而有所不同。人们发现，碳纳米管的多重性特征致使其本身有能力应用于电子学、激光器、传感器和生物医学，同时也能作为复合材料中的增强元素。
目前，用于生产碳纳米管的方法所获得的是由粗细各异和对称性（或空间螺旋特征）不同的多种碳纳米管产品的混合物。在这些不同的碳纳米管使用前，需要把它们拆散开，按照电子特性进行分类并筛选出来。然而，从单壁纳米管混合物中系统地挑选出具有相同电子特征的碳纳米管是人们所期望的目标，也是至今为止被证明为难以逾越的障碍。
据悉，早在2003年，由杜邦公司、麻省理工学院和伊利诺伊大学的科学家组成的研究小组，曾开发出用单螺旋DNA和阴离子交换色谱法从半导体碳纳米管中筛选金属碳纳米管的方法，并在《科学》杂志上发表文章，介绍了研究进展。研究小组的负责人是当时同在杜邦公司供职的郑明和贾古塔。
新的研究成果显示，在2003年的基础上，科学家取得了显著的进步。现在，他们确认了20多个能识别碳纳米管类型的DNA短序列，这些DNA短序列能够从各种碳纳米管的混合物中分拣出所需的特殊类型的碳纳米管。
当前的试验研究由郑明和屠晓民在杜邦公司完成，而贾古塔和曼努哈尔利用分子模拟构建了结构模型。研究人员表示，新的方法借助专门的DNA序列，可从碳纳米管混合物中分拣出所有12种主要的单空间螺旋特征的半导体碳纳米管，其分拣能力能够满足基础研究和应用开发的需求。
贾古塔表示，如果选择的DNA序列正确，那么它能识别某种特殊类型的碳纳米管，同时帮助人们将该碳纳米管从多种碳纳米管中分拣出来。他认为，这种具有实用性的成果进一步增大了人们开发出大规模生产碳纳米管的可能性。
那么，DNA序列是如何识别和分拣不同的碳纳米管呢？研究小组表示，这与DNA自身的某种能力相关，该能力致使DNA可通过包裹碳纳米管，形成与其本身常见的双螺旋有所不同的结构。据贾古塔介绍，碳纳米管的圆筒形结构对DNA而言是陌生的。但是，研究人员能让DNA吸附到不同结构的表面。如果表面为类似于碳纳米管的圆筒形，那么人们获得的则是被称为贝塔管桶的变形体。
虽然目前研究人员还没有充分的证据用以证明他们的推测，但他们认为，间接的证据在极大程度上支持了他们的观点。他们相信，DNA能形成完美的有序结构，同时识别特殊的碳纳米管，正如同生物分子能够通过结构相互识别那样。
贾古塔认为，新的研究成果在生物医学分支中具有特殊的意义，碳纳米管的潜在应用之一是将碳纳米管放置在基底上，在人体中释放细胞。他同时表示，人们对该研究在生物医学中的应用很感兴趣，如何解释DNA与纳米材料的相互作用？碳纳米管是否在人体中有害？这是一个十分开放的领域。
二、医用纳米管的制造及其产品
1．制造具有医学功能的纳米管
（1）合成杀死细菌的纳米管。2004年10月，美国匹兹堡大学的一个研究小组合成了一种简单的分子。它不仅可以生产出完美的、相同的、可以自我组合的纳米管，还可以创造出所谓的“纳米地毯”，发挥杀菌和生物传感的作用。
这个项目由美国国防部资助研究，研究人员希望开发出一种涂料，利用其颜色的改变，在发生生物或化学攻击时发挥区分的作用，并同时杀死致命的细菌。
在只有一微米高的纳米地毯里，纳米管能够把自己组织为宽阔的、竖立的群体，如果放大100万倍，它们看上去就像地毯的纤维那样。而且，与一般的纳米管结构不同，这种纳米管对各种化学剂有不同的敏感性，可以通过不同的颜色显示来区别化学剂。它还可以培植成杀死大肠菌等细菌的纳米武器，因为它本身像一把刀，可以刺进细胞膜来杀死细菌。
为了测试这种纳米管作为生物传感器的作用，研究人员使用不同的材料来测试它的颜色的转变。例如，在酸性液体和清洁剂的测试中，这种纳米管变为红色和黄色。
（2）研究用纳米管除菌。2005年3月，英国《新科学家》周刊报道了美国南加州克莱姆森大学孙亚平研究小组的一项成果，表明去除饮用水中可能致命的细菌或许会成为碳纳米管最早的实际用途之一。
研究人员已研制出能让细菌聚结成块的纳米管，随后就可以将菌块从水中滤出，并消灭它们。他们进行的实验很容易用于实践。
孙亚平称，这种纳米管最初或可用作水净化处理厂的过滤器。他们的研究成果已发表在近期《化学通信》杂志上。新研制的纳米管能捕捉大肠杆菌O157: H7，即臭名昭著的“汉堡细菌”，被它污染的肉类可置食客于死地。研究人员给纳米管表面覆盖上一层半乳糖分子，而半乳糖分子能与大肠杆菌表面的受体蛋白黏合。每根纳米管都覆有数以百计的半乳糖分子，因此能一举拿下大量细菌。
该研究小组还研制了另一种纳米管，能捕捉污染食物的另一种常见细菌：空肠弯曲杆菌。这种细菌多见于鸡肉之中。这一次，纳米管的表面覆有甘露糖分子，它能与空肠弯曲杆菌表面的受体黏合。孙亚平说：“我们正在研制覆盖有能捕捉不同细菌的多种配位体 ‘糖’的纳米管。这是可行的。”
从理论上说，这种纳米管可用来将细菌从患者的血液中滤出，不过它们必须首先经过试验排除任何毒副作用的可能。英国史密斯叔侄公司的彼得·阿诺德说：“将来，类似于这类碳纳米管的交互性生物材料有望选择性地捕捉和消灭致病细菌。”该公司是一家医疗技术公司，正在研制能加快组织修复的生物材料。
研制临床诊断用纳米材料的英国奥克斯尼卡公司的凯文·马修斯称，孙亚平的工作是传统无机化学与生物化学相结合的极好的例子，两者结合提供的可能性超越了其中任何一种技术单独所能提供的可能性。
（3）研制能向神经元发送信号碳纤纳米管。2006年5月，由美国德克萨斯医科大学托德·帕拉斯教授领导，莱斯大学研究人员参与的一个研究小组，在《纳米科学和纳米技术》杂志上发表论文称，他们在碳纤纳米管技术领域取得重大突破，该纳米管道可以向神经细胞传递电信号。
细微中空的碳纤丝纳米管道虽然直径只有人类一根头发的万分之十，却已经是目前世界上公认的最有用的材料物质。碳纤纳米管道密度为钢铁的六分之一，强度却是它的上百倍，导电性能比铜更好，并且可以取代硅作为半导体芯片。科学家预测，未来应用从可以举起有效负荷的电梯缆绳，到比人类细胞更微小的电脑，这种碳纤纳米管道的用途将更加广泛。
研究人员表示，如果把碳纤纳米管道的细微薄膜平铺于透明塑料上，便可以作为细胞生长的表面介质。这些纳米管道薄膜可以作为潜在的活组织细胞和假肢生物医学设备之间的电子分界面。帕拉斯指出，这是世界上首次成功地通过刺激细胞，使其通过透明的传导介质从而进行两者间的电信号传导。
在实验中，研究小组使用两种不同类型的细胞在管道检测试验中通常使用的成神经细胞瘤，以及体外培养的大鼠神经元细胞。把这两种细胞都放置于铺有十层纳米碳纤薄膜的透明塑料上，研究人员使用显微镜将细微的电极插入单个细胞，从而记录细胞对接收到的电脉冲刺激的反应。除了电刺激实验外，研究人员同时还研究了碳纤薄膜、未经改进的碳纤纳米管道，以及传统的组织培养塑胶等不同种类的碳纤薄膜，如何影响神经细胞瘤的生长发育。
帕拉斯指出，实验结果正如我们所期望的一样，原始碳纤纳米管支持神经细胞的黏附和生长效果优于其他两种。接下来将会进一步改进这项技术，增强这些表面物质的生物兼容性。同时，还希望继续探索研究碳纤纳米管是否足够敏感，从而可以实时记录细胞内的电活性。帕拉斯表示，科学家希望发明一种装置，既能感受刺激，又能向细胞发送信号。他认为，这是完全可行的，作为纳米电子学技术的前沿，各领域相互交叉融合，创新的发明将会层出不穷。
2．用纳米管制造医用产品
（1）用碳纳米管仿制骨胶原纤维。2005年7月，由美国加利福尼亚大学罗伯特·哈顿博士及其同事组成的一个研究小组，发现碳纳米管是骨组织生长的理想基体。
骨组织是骨胶原纤维和羟磷灰石结晶的天然化合物。哈顿研究小组首次演示纳米管，可以仿制骨胶原纤维，作为骨骼中羟磷灰石结晶生长的骨架。
为了使骨折处愈合，现在医生常采用各种人造嵌入物，这些人造嵌入物用螺钉固定。人造嵌入物不仅是固定两部分折断的骨骼，而且是有助于骨骼的生长，但是这一效果并不好，存在材料排异反应的危险。
哈顿研究小组的研究开辟了治疗骨折的新途径，只要简单地注射纳米管溶液，然后即可观察到新骨组织如何快速生长。确实，普通纳米管在体内工作得并不好，而用附加化学物质专门处理过的改型纳米管却十分出色，且没有材料排异反应的危险。
（2）发明用于细胞研究的纳米管针尖探针。2007年3月，由美国费城的德雷克塞尔大学电子和计算机工程系教授亚当·冯泰克奥领导，根纳季·弗里德曼以及材料科学系尤里·古古兹博士等人组成的一个研究小组，在《应用物理学快报》上发表研究成果称，他们成功发明了一种有碳纳米管尖端的吸液管，这对于细胞生物学领域的DNA测序以及细胞器药物运输非常重要。
这一发明将使得以细胞内部特定区域为目标的注射变得可能，甚至是特定的细胞器。这种探针能使液体流过碳纳米管弥补现有的微米级别技术和纳米级别技术之间的空白。
冯泰克奥描述了这种探针是如何提高原位DNA测序的，他说：“我们的技术能在活细胞中进行DNA测序，而不需将细胞移出活体组织，这避免了损伤组织。”同时这一技术还能帮助科学家分析药物对细胞各部分的作用。冯泰克奥说：“药物能作用于细胞特定区域，由于碳纳米管尖端直径小于细胞，微量的药物就可以注射到细胞器。”
研究人员表示，纳米管探针能穿透肾脏细胞膜。甚至在探针移除20分钟后，细胞也没有变形。
研究人员利用磁性碳纳米管，以及一个外部磁场来排列纳米管，并组合探针。美国国家科学基金会的约书亚·弗里德曼把磁性碳纳米管溶液和光学胶注射到一个玻璃吸液管中，然后用紫外线聚合光学胶。结果证明，这种得到的移液管有着足够的机械强度，能进行细胞注射和移液。研究生达维德·马铁亚和古泽丽雅·康涅瓦河还用化学气相沉积在氧化铝上，然后，把其内部表面镀上一层磁性纳米颗粒。研究小组下一步计划进一步提高探针的制造技术。
（3）用碳纳米管研制可感知冷热的人造皮肤。2008年3月，澳大利亚广播公司网站报道，由美国橡树岭国家实验室纳米材料合成和属性组高级研究员约翰·西姆普森博士领导，他的同事伊利亚·伊凡诺夫以及来自美国宇航局兰利研究中心国家航天研究所研究人员参与的一个研究小组，目前正在利用碳纳米管技术研发一种新型的人造皮肤，它不仅能够防水，而且还可以像真实皮肤一样感知冷、热，以及外界施加的压力。
尽管人造手在行动和灵活度上日益逼真，但是几乎所有的人造皮肤仍然停留在无感知的塑料涂层水平上。西姆普森博士说：“通过运用碳纳米管技术，我们造出的人造皮肤不但可以接近真实皮肤特性，甚至可以超越这些特性。”西姆普森研究小组正致力于研究“薄膜皮肤”项目，旨在研发灵活、轻便、完整的多功能皮肤。研究人员们之所以使用纳米管，是因为由其制成的材料，具有一系列有用的属性。例如，可以把纳米管制成的材料用作温度和压力传感器、柔软的电导体，或者是具有类似人类皮肤机械和热性质的聚合材料的一部分。
伊凡诺夫说：“纳米管中的碳不会引起排斥，这意味着人体的免疫系统不会将其识别为一个外来异物。将来，纳米管将帮助科学家研发与人神经系统相连的传感器，允许信息来回流向大脑。”
目前，研究小组正在研制一小块皮肤，皮肤表面可以防水并感知温度和压力变化。这种防水顶层是由一种特别设计的纳米结构材料制成的，它类似沙微粒，每个微粒都可放大表面张力作用，从而具有天然防水效能。这种粒子可以像粉末一样被洒在聚合物上，然后将表面与热量结合起来。这种涂层可以把水或汗挡在缝线处和关节之外，防止湿气损坏电子装置。研究小组还在思索如何使用碳纳米管吸收太阳能或体热来为这些传感器提供能量。伊凡诺夫说：“我们期待在不久的将来听到更多有趣的消息。”
研究人员说，机器人非常幸运，他们多年一直致力于研制新型机器人皮肤，使它们越来越像人类。西姆普森研究小组研制的这种人造皮肤应用在机器人身上后，可直接提高机器人的仿真效能。此前，美国宇航局戈达德太空飞行中心技术专家弗拉迪米尔·鲁梅尔斯基把传感器植入机器人的皮肤覆盖层中，这种高科技机器人皮肤可使机器人更出色地完成太空探索任务。人类和机器人的“身体状况”不一样，为了实现机器人的智能化，机器人也需要敏感的皮肤产生一定的触感。后来，研究人员还研制了能够产生压觉和温觉得机器人皮肤，这种人造皮肤能够探测和人类皮肤同步探测到各种事物。用于电路和半导体中的晶体管成为基于碳原子链的“皮肤器官原料”，这样机器人能够像人类一样具有触觉。
目前，由美国宇航局科学家研制的一种新型人造皮肤，采用垂直碳纳米管层排列在整容手术所使用的橡胶聚合物上，就像是植入一块皮肤一样。碳纳米管通过金丝的串接固定在一起，这些碳纳米管分布在橡胶状的聚合物上。这种结合橡胶聚合物和碳纳米管的人造皮肤能够把接触表面的热量传递至传感器网络，就如同皮肤能够及时获取该信息一样，碳纳米管提高聚合物上的压电感应后，传感器能够向机器人大脑产生一种信号。
伊凡诺夫表示，在临床医学应用上，人造皮肤的确显示了它不同于传统治疗手段的优越性，但是否人造皮肤能解决皮肤缺损后的种种问题呢？目前的研究显示，人们还很难做到这一点。伊凡诺夫说，皮肤是人体最大的器官，具有复杂的组织结构并且含有毛囊、汗腺、皮脂腺等附属器官，发挥着重要的生理作用。目前，用碳纳米管研制的人造皮肤所具有的外形、韧性和力学性能等，明显低于天然正常皮肤，没有正常皮肤的毛囊、血管、汗腺，以及黑色素细胞等成分，更重要的是，碳纳米管人造皮肤的屏障、免疫、物质交换及能量交换等功能，仍距正常皮肤有较大差距。碳纳米管人造皮肤还不能解决所有的临床皮肤缺损问题，由于存在移植失败等风险，人造皮肤的使用有着严格的适应证限制。
通俗而言，碳纳米管人造皮肤目前只用于“救命”，它可以封闭创面，隔离细菌，方便伤口的愈合，但目前的科技水平尚无法研发出带有人体毛囊、汗腺及色素的真正皮肤，无法适用于面部及外露皮肤创面的救治，更不能满足那些欲借此美容的患者需求，一旦发生移植后的排异反应，仍需尽快进行植皮修复。现在碳纳米管人造皮肤必须要在具备较高要求的生产环境中制备，要在具备相当资质的医生指导下，按正规和严格的操作流程使用，而绝不是像有的媒体所称的，可以在家里像使用创可贴一样方便地应用。伊凡诺夫说，“我们对碳纳米管人造皮肤应有客观和准确的定位、评价，不能过于乐观甚至人为地进行夸大炒作。”
（4）开发测血糖无须采血的皮下植入式碳纳米管传感器。2013年11月，由美国麻省理工学院博士后妮可·艾弗森牵头，化学工程教授迈克尔·斯特拉诺等人参与的一个研究小组，在《自然·纳米技术》上发表论文称，他们开发出一种碳纳米管传感器，植入皮肤下后可全年实时监测活体动物体内的分子活动，如炎症反应即产生一氧化氮的过程，或监测血糖或胰岛素水平，而无需再像传统方式那样采取血样。
一氧化氮是活细胞中最重要的信号分子，具有在大脑内运送信息及调整免疫系统的功能。在许多癌细胞中，其水平是波动的，但很少有人知道一氧化氮在健康细胞和癌细胞内的表现方式。斯特拉诺说：“一氧化氮在癌症演进过程中扮演着矛盾的角色，为了更好地了解它，我们需要新的工具。该传感器提供了一个用于体内实时测量一氧化氮及其他潜在分子活动的新手段。”
研究人员在这项新研究中，修改了碳纳米管，创建了两个不同类型的传感器：一个可以被注射到血液中用于短期监测；另一个可嵌入到凝胶中，以便植入肌肤用于长期监测。
就短期监测而言，为了使纳米粒子可注射，妮可·艾弗森附加了聚乙二醇，一种可以抑制血液中粒子聚集的生物相容性聚合物。她发现，当注射到小鼠体内，可流动的颗粒通过肺和心脏时没有造成任何损害。大部分的颗粒积聚在肝脏中，在那里它们可以监视与炎症有关的一氧化氮。
较长期的传感器则被嵌入在由藻酸盐制成的凝胶中，一旦这种凝胶被植入老鼠皮下，可在一个地方停留并保持功能400天，甚至持续更长的时间。这种传感器可用于监测癌症或其他炎症性疾病、人造髋关节患者的免疫反应或其他植入装置。
妮可·艾弗森在斯特拉诺实验室制造出可用作长期监测的碳纳米管传感器，并把它植入糖尿病患者的皮肤下，以监测他们的血糖或胰岛素水平。研究人员用近红外激光器照射这些传感器，即可读出其产生的近红外荧光信号，以判断碳纳米管和其他背景荧光之间的差异。
大多数糖尿病患者必须每天数次刺破其手指以采取血样。虽然有可以附着在皮肤上的电化学葡萄糖传感器，但这些传感器至多只能持续一个星期，因为电极会刺穿皮肤，有感染的危险。这种新型传感器可实时监测血糖与胰岛素，而不必刺穿患者的手指，可以有效减少患者的痛苦。
三、用纳米管制造电子产品
1．用纳米管制造电子元件
（1）运用纳米管制成晶体管。2005年7月，由美国加利福尼亚大学欧文分校电机工程和计算机科学助理教授彼得·伯克等人组成的一个研究小组宣布，他们用纳米管制成晶体管，从而在电子信息领域使用纳米技术方面取得了新突破。这项突破使电子信息以高达10GHz的速度传播，而没有现行的瓶颈限制。
伯克表示，今后世界上的高速电子器件、计算机、无线网络或者电话系统中都可以使用纳米管器件，人们将从这项技术中获益。
伯克透露，以前的研究表明，纳米管晶体管能以极高频率工作，但是当时晶体管之间的接口却采用运行速度较慢的铜器件，结果导致速度瓶颈。他们的研究表明，纳米管突破了铜器件的限制，能够将电信号从一个晶体管传送到另一个晶体管，从而消除了瓶颈。
（2）用碳纳米管制造出功能完善的二极管。2005年8月，有关媒体报道，位于纽约的通用公司全球研发中心有位名叫李吉翁的物理学家，他用碳纳米管制造出迄今为止最出色的p-n面结型二极管。这一装置的电流特性表明，这是一个功能完善的二极管。使得它能与任何其他二极管相媲美。这一新型二极管能应用于电器、传感器和光电感应器上。
传统的微型电子电路正变得越来越小，大约10年间，研究过程将到达硅芯片基本属性的极限。碳纳米管的半导体性能使得它们有希望代替硅晶体管。事实上，碳纳米管已经用于制作各种电子元件，包括二极管和场效应管。
二极管是半导体设备的基本元件，组成了很多电子设备的基本构件，比如晶体管和发光二极管。一个二极管通常由一个p型半导体材料与一个n型半导体材料连接而成，前者掺入了杂质以添加额外的“孔洞”，后者则含有多余的电子。然而，这一做法几乎不可能在碳二极管上实现。
现在，李吉翁解决了这个问题，方法是使用电场来代替p型管和n型管。他在一个单二极管下放置了两个独立的闸门，这样一个闸门连接二极管的一半，另一个闸门连接另一半。通过对一个闸门通负电压，而对另一个闸门通正电压，他创造了一个几乎等效于一个理想二极管的p-n结构。
李吉翁让他的设备使用标准光学电路印刷技术，并把碳纳米管置于二氧化硅底层的上面，后者起了闸门绝缘体的作用。如今，他简单地通过把纳米管悬空跨越两个硅二极管面板的方法，把这一结构融入了一个理想的二极管中。他声称，纳米管不再与其所处的面板相互作用，这意味着不会产生降低设备性能的外部干扰。这可以让二极管像发光二极管（LED）那样工作。
李吉翁说：“我的成果不仅直接证明单面纳米管的结构纯度，也有力证明它们作为电子材料的潜在可能。”如今，他正计划更深入地研究纳米管的光学性能，并用它制作一个光电感应器。
（3）发明“Y”状碳纳米晶体管。2005年8月，美国一个微电子学研究小组在媒体上宣布，他们发明了一种特殊形状的碳纳米管，它可以直接用作计算机的晶体管。由于它的体积小、传输速度快，将可能快速推进计算机制造业的发展。
研究人员通过化学气相沉积技术，利用铁-钛粒子使碳纳米管的主干上分出一个叉，最终形成“Y”状的碳纳米晶体管。在接下来的实验中，研究人员发现，向碳纳米晶体管的主干引入电压，能够控制两个分叉处的电流，其交换能力，可与目前普遍使用的硅晶体管媲美。
迄今，最小的晶体管尺寸大约为100纳米，而“Y”状碳纳米晶体管的尺寸仅为几十纳米。研究人员说，经过改进，该碳纳米晶体管能够缩小到几纳米。这样，用它制造微处理器，将会形成体积更小的计算机部件。
2．用纳米管制造电子器件
（1）研制出纳米管存储器。2005年10月，有关媒体报道，美国奈特罗公司推出一种利用纳米工艺制成的新型计算机存储器。
两年前曾报道过奈特罗公司的这项研究，但当时只是停留在理论研究或图片上，而现在说的是真实“金属内”的样品，并准备批量生产。有关该存储器的细节暂时还没有公开。
该存储器的关键元件是直径仅为人头发丝十万之一的碳纳米管，管壁厚度只有一个原子。新型存储器中的几十亿个纳米管被安放在硅片表面，确切地说，由这些纳米管组成直径以纳米计的大量扁平带，在芯片电极之间悬挂成桥路，在每条这样桥路的中心下面都有一个电极。
当加上电压时，纳米扁平带会向下弯曲与第三个电极接触，第三个电极会“扫描”碳纳米桥路的状态，同时关断电源不会影响扁平带的位置，它仍然处于原来的状态。这一稳定性在机械压力与作用在该系统上范德瓦尔斯力之间达到精细的平衡。因此，可用二进制密码记录信息，扁平带向上的位置表示0，向下的位置表示1。
奈特罗公司已经研制出13厘米圆形芯片，能储存10千兆比特信息。目前，该存储器发明者正在完善生产工艺规程细节，以便今后将新型芯片推向市场。为了组织大批量生产新型芯片，奈特罗公司将与美国生产微电路和半导体装置的公司合作，尽快推出第一批该存储器的工业样品。
（2）用碳纳米管制造出化学超灵敏传感器材。2006年8月，由纽约哥伦比亚大学有机化学家柯林·纳科尔斯领导的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表研究成果称，他们使用有机分子作电线、碳纳米管作电极，制作出可以探测爆炸物等混合物的超灵敏传感器。
因为纳米尺寸的传感单元对所探测的物质格外敏感，所以，科学家们一直想把它们整合到电子设备中。但问题是，这些纳米尺寸的单元往往伴随着材料的选择问题。
纳科尔斯说：“通常的硅或者其他半导体制作的电路会自发地在表面形成一层氧化层，从而降低了它们对环境的灵敏度。同时，有机电子设备由许多层材料组成，也使它们相对地不够敏感。而且，因为它们在液体中会溶解或降解，只能在空气中使用。”
纳科尔斯研究小组使用了一种叫作多环芳烃的有化合机物。这种有化合机物既可以作为传感单元使用，又可以自己装配成单分子高的薄层。研究人员把这些有机物，相隔几个分子的距离放置，然后刻蚀到1纳米到2纳米半径的单壁纳米管上。有机物和纳米管都被放置在硅基底上。
纳科尔斯说：“这些极细的有机分子层与通常方法制备的，由很多有机分子组成的，有机电子学元件相比，具有更高的对环境的灵敏度。这是因为通常方法制备有机电子元件时，我们没有办法控制落到表面的分子数量。”
这些有机分子所在碳纳米管之间的微小空隙是这种传感器成功的关键。如果空隙太小了，有可能损害装置的性能。碳纳米管是必要的，因为它们可以与有机分子稳定地相连。以往，不使用碳纳米管作电极的分子电子设备，由于分子和电极间的巨大尺寸差异，经常会发生接触不良的现象。
纳科尔斯最后说：“这种装置应该可以探测包括TNT的各种爆炸物质。我们在尝试制造探测爆炸物的传感器原型，并打算把它整合到互补金属氧化物半导体中。最终希望，能使传感器整合在芯片中，结果用个人电脑读出。”
3．用纳米管制造集成电路或芯片
（1）研制纳米管取代硅成主要部件的新型芯片。2004年10月，美国英特尔几名工程师在展示会上表示，芯片制造商们将会继续按照摩尔定律继续发展几年，但是工程师将会大规模改进其设计和产品的部件。其中最重大的改进，便是最终取代芯片的硅导体。目前，硅导体是构造整个电子信息领域的基本部件。预计在2014年之前，碳纳米管或硅纳米线会取代硅成为芯片的主要构成。到2020年之前，还会有更多更前沿的技术改进。对于英特尔来说，淘汰硅只是迟早的问题。
英特尔的技术主管保罗·加尔吉尼说：“到2010年之前，我们应该会对这个让我们超越辅助氧化金属半导体（CMOS）的装置有一个更加清楚的认识。”
辅助氧化金属半导体是硅导体的技术基础。在对未来轮廓的描述中，英特尔抓住了整个行业所共同面临的挑战。从20世纪60年代到2000年，包含越来越小导体的芯片的性能得到了巨大的提高。更小的导体极大地减少了电子行经的距离，从而提升了其性能。因而，可以增加更多的导体以整合更多的功能。
而从2000年起，芯片设计师们就进入了加尔吉尼所说的“等同比例”时代，芯片性能的提高一方面是通过缩小体积，但同时也要通过使用附加的科技。
英特尔正在众多知名高校中开展各个项目的实验。研制新型芯片的道路是不平坦的。从1997年起，政府资助的研究项目投资逐年增加，截至2003年，已达到35亿美元。
（2）研制能自动连接其他部件的碳纳米管桥。2005年4月，有关媒体报道，为了开发小型、高性能的计算机和电子通信设备，美国凯斯西储大学电子工程和计算机科学系教授马苏德·塔毕伯·阿扎尔和工程学研究生谢言在实验室中努力研制能自动连接其他部件的碳纳米管桥，并取得了突破性的进展。
阿扎尔指出，尽管很多技术问题还有待解决，但碳纳米管桥打开了制造商利用碳纳米管生产微型计算机和通信芯片的大门。碳纳米管的应用领域正在不断挖掘，如纳米电子、纳米机电体系、生物传感器、纳米合成物、先进功能材料等。而用更新、更便宜的方法生产碳纳米管，能够增强企业的竞争力。据此，研究人员研制出一套低成本而又快速的碳纳米管设备自我组装体系。
阿扎尔等人发现，只要在碳纳米管中放置一颗“种子”，碳纳米管就能自我组装、自我焊接，随后便制成超大型集成电路。阿扎尔说：“我们的方法有生产复杂芯片的潜能，同时造成的浪费也很少。”
（3）开发出第一款碳纳米管集成电路。2006年3月，IBM公司研发部门已经利用碳纳米管研制成功一种集成电路，从而使碳纳米管有朝一日进入商用设备成为可能。
IBM公司的研究人员已经用碳纳米管研制成功一种环行的振荡器。处于两个电压水平的振荡器开关分别代表了“0”和“1”。
振荡器经常被芯片设计人员用于测试。碳纳米管振荡器的研制成功可以使开发人员更精确地研究碳纳米管在一定环境下的工作方式。
IBM以前也制造过碳纳米管晶体管，但集成电路要比它更复杂些。晶体管本质上是一种开关，而集成电路是许多晶体管的一种集合。
碳纳米管具有非凡的特性：它们的导电性比金属好，而且比钢铁硬，还能够发光。许多人相信，它们有朝一日将应用于很多器件上，从电脑到轻型飞机等。
目前，一些制造商已经把碳纳米管应用到自行车的部件，以及网球拍中，这种材料制成的部件不但轻巧而且强度也很好。
（4）首次在一条单层碳纳米管上形成环形振荡器电路。2006年3月24日，IBM研发部门在《科学》杂志上刊发研究成果称，他们首次在一条单层碳纳米管上形成环形振荡器电路，并且成功使其运行在52MHz工作频率下。据称，与过去使用多条碳纳米管试制的环形振荡器相比，工作频率高出了5～6个数量级。
利用碳纳米管形成的晶体管与硅等传统半导体相比，不仅可得到更高的电流密度，而且由于直径只有数纳米，因此更容易实现电路的微细化。从原理上来说，有可能制成工作频率达THz级的电路。
此次试制的环形振荡器电路大多是作为供半导体厂商对使用新的生产工艺和材料的芯片进行测试的试金石来试制的。IBM研发公司负责科技开发工作的副总裁陈先生说：“目前，科技人员太过分看重单个碳纳米管晶体管的制作与改良了。我们则能够通过试制的环形振荡器测试碳纳米管电子在完整电路中所能达到的潜力。”
IBM研发部门的研究人员在长18微米的单层碳纳米管上，分别形成6个p型和n型场效应晶体管。n型场效应晶体管与p型场效应晶体管的金属栅分别使用的是铝和钯。并利用这两种场效应晶体管，在1条单层碳纳米管上试制了6个互补金属氧化物半导体转换器。由其中的5个转换器形成环形振荡器电路，剩余的一个则用来消除测量仪器的影响。使该电路发生振荡，结果在工作电压VDD=0.5V条件下，振荡频率达到13MHz，在VDD=0.92V的条件下，则实现52MHz（延迟时间为1.9ns）的振荡频率。
不过，就目前来讲，仍与硅形成的环形振荡器的振荡频率相差4个数量级以上。据IBM研发部门称，振荡频率受电路的寄生电容控制，实际上碳纳米管具有更大的潜力。
4．用纳米管制造电子计算机
2013年9月，由美国斯坦福大学电气工程和计算机专家米特拉教授领导的一个研究小组，在《自然》杂志上发表研究报告称，他们已建成全球第一台完全使用碳纳米管的计算机。专家认为，这一成果或将开启电子设备新时代。
目前，用于制造电子设备晶体管的主流半导体材料是硅。一段时间以来，人们一直在讨论利用碳纳米管代替硅制造电子设备的可能性。约15年前，研究人员开始尝试用碳纳米管制造晶体管，然而，一直无法完全依靠碳纳米管造出完善的电子设备。
研究人员表示，用碳纳米管代替硅制造晶体管之所以无法取得突破，主要是因为作为半导体材料，碳纳米管有两方面内在缺陷：首先，碳纳米管很难被整齐排列形成晶体管电路。其次，由碳纳米管排列方式所致，被制成晶体管后，它们其中一部分像金属一样总是具有导电性，而不像其他半导体材料制成的晶体管那样，可以开关电流。
该研究小组在用碳纳米管研制晶体管的过程中，找到一个双管齐下的方法，规避上述缺陷，他们称为“不受缺陷影响的设计”。一方面，研究人员设计出一种聪明的计算方法，可以自动忽略排列混乱的那部分碳纳米管；另一方面，他们将晶体管电路中总是具有导电性的那部分充电烧毁，结果就得到一个正常的电路。
研究人员利用该设计方法建成的碳纳米管计算机芯片，包含178个晶体管，其中每个晶体管由10至200个碳纳米管构成。不过，这一设备只是未来碳纳米管电子设备的基本原型，目前只能运行支持计数和排列等简单功能的操作系统。
专家认为，受限于硅自身性质，传统半导体技术已经趋近极限，而这项新突破使人们看到用碳纳米管代替硅，制造出体积更小、速度更快、价格更便宜的新一代电子设备的可能性。
美国加利福尼亚大学伯克利分校电子电路及系统的世界级专家简·拉贝艾说：“毫无疑问，这项突破，将吸引半导体领域研究人员的注意力，促使他们探索怎样利用这项技术，在未来10年制造出体积更小、效能更高的处理器。”
瑞士洛桑联邦理工学院电气工程系主任乔瓦尼·米凯利教授强调了这一世界性成就的两个关键技术贡献：一是把基于碳纳米管电路的制造过程落实到位。二是建立了一个简单而有效的电路，表明使用碳纳米管计算是可行的。
下一代芯片设计研究联盟、伊利诺伊大学香槟分校纳雷什教授评价道，虽然碳纳米管计算机可能还需要数年时间才趋于成熟，但这一突破已经凸显未来碳纳米管半导体以产业规模生产的可能性。
四、用纳米管制造其他产品
1．用纳米管制造滤筛装置
（1）用碳纳米管制成可快速分离水与油的过滤网。2011年4月，有关媒体报道，水和油虽不溶，但一旦把两者放在一起时，它们像两个扭打在一起的拳击手一样难解难分。由美国密歇根理工大学物理学副教授犹科·雅普、工程师及材料学副教授雅罗斯瓦夫·德雷里希领导的一个研究小组，用碳纳米管开发出一种过滤网，能够把水和油这两种物质快速、利落地分离开来。
据雅普介绍，这种过滤网的主体结构是一种致密的不锈钢金属网，表面涂有一种碳纳米管材料，这些碳纳米管有一个超级微蜂窝结构，能留住水滴而却让原油等有机物快速通过。在实验中，该小组把水和汽油的混合物倾倒在这种过滤网上进行测试，汽油从过滤网中直接穿过，而水却留在了过滤网里。
但是，雅普指出，这并不意味着可以通过这种过滤装置来清除墨西哥湾中的漏油。目前，这种过滤网的原型只有一个硬币大小；此外，在使用过的过滤网上，水滴会卡在纳米管中间，使得其他任何物质都难以通过。他补充说：“这项技术最有吸引力的是其结构简单，而这正是未来的发展趋势。”
德雷里希认为，虽然该技术目前还无法获得直接应用，但前景十分乐观。他说：“这是一项崭新的设计，目前这个过滤网还只是第一个实验原型。我们可以通过在上面施加电流的方式对过滤网进行加热，从而减少油类物质的黏度，同时也能起到把水分蒸发掉的作用。同样，我们也可以在过滤网上设置一个真空结构，把油类物质吸到另一端。改善工程设计可以完全摆脱过滤网的堵塞问题。”
（2）研制出能从分子水平分离溶液的纳米管“液体筛”。2012年8月，由美国德雷塞尔大学纳米技术学院主管尤瑞·格格斯和等离子医学实验室主管、电学与计算机工程教授加里·弗里德曼领导的一个研究小组，在《自然·科学报告》上发表论文称，他们用一种类似麦秆的碳纳米管造出一种“液体筛”，能把溶液中的不同分子筛选出来。研究人员演示了用单支纳米管分离两种荧光染料混合液，就像把油和水分开一样容易。
一般的“液-液”提取并不普遍，只能有选择地分离某些溶液中的某种溶质。新研究是用一种细长的纳米管来作层析分离。这种纳米管外直径只有70纳米，是迄今为止最小的层析管，其内壁涂有一层氧化铁纳米粒子。如果溶液中含有两种化学性质不同的分子，在它流过纳米管时，不同分子会和管壁发生不同的相互作用，一种分子流过的速度就会比另一种要快，从而迫使溶液分离成两种不同的液体。
该研究小组正在研究把这种纳米管用于细胞层析。碳纳米管的管身机械性质非常好，经得住反复弯曲挤压、承受力强、能穿透细胞膜，这些性质对细胞级别的应用非常关键。格格斯说：“我们认为该研究会促进分析工具的发展，尤其是针对单个活细胞的，将分析化学的极限推进到细胞器级别。”
研究人员指出，这种技术有着广泛的应用前景，包括法医中的微小样本研究、从单个细胞中抽取分子等，能帮法医专家分析现场留下的极微量证据，譬如单个细胞或那些肉眼看不见的污迹。
2．用纳米管制造新型材料
（1）利用碳纳米管制造出坚硬材料。2004年8月，美国俄克拉何马州立大学的一个研究小组在《自然·材料学》杂志上报告称，他们发现用一层碳纳米管、一层聚合物层层交叠出的“夹心饼干式碳纳米管”具有超强硬度，可与工程中使用的超硬陶瓷材料媲美。
研究人员表示，这种新的超硬材料是完全有机的，而且很轻，适用于制造植入人体并长期发挥作用的医疗器件，在航天工业方面也有很好的应用前景。
碳纳米管是由碳原子网形成的空心圆柱，直径只有几纳米，长只有几千纳米（即几微米），科学家一直希望能用它制造更好的碳纤维材料。对单个碳纳米管的测试也表明，它确比一般用于制造赛车、网球拍的碳纤维更坚固。但是，用大量碳纳米管制造超硬材料的尝试一直不太成功，因为如果把它们像普通碳纤维那样与聚合物混合，碳纳米管很容易聚集成无用的团块，无法发挥其优越性能。
该研究小组使用新的方法，把材料交替浸在碳纳米管水“溶液”和聚合物溶液里，使材料表面交替生成单分子层的碳纳米管和聚合物。这就避免了碳纳米管聚集成团的问题。通过往碳纳米管上添加化学基团，促进碳纳米管和聚合物的结合，还可进一步提高硬度。这样制造出的材料硬度比普通的碳纤维材料要高几倍，可与碳化硅纤维、碳化钽等超硬材料相媲美。
科学家说，这种交替浸泡生成“夹心饼干式碳纳米管”的方法并不困难，成本较低，但碳纳米管本身的造价较高，是该技术付诸实用的一个阻碍。
（2）用碳纳米管制成类似壁虎脚底的黏合材料。2007年6月19日，由美国阿克伦大学和伦塞勒理工学院联合组成的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上报告称，他们仿照壁虎的脚底，把用碳纳米管材料制成的毛状物覆盖到一种聚合物表面，这些毛状物具有与壁虎脚底细毛类似的功能。最终，研究人员研制出一种柔软的贴片，可以反复粘贴、扯下，而且其性能比壁虎脚底更胜一筹。研究人员称，这种碳纳米管材料黏合时的力量，是壁虎脚底的4倍。
壁虎能在光滑的墙面行走自如，这是因为壁虎的脚底有数十万根极其微小的细毛。壁虎“飞檐走壁”时，就是靠这些细毛与物体表面分子产生的黏合作用，在停下时可强劲黏合，抬腿欲走时可轻松分开。因此制造出像壁虎脚底一样，具有神奇黏合力的材料，一直是某些专家的夙愿。现在，美国研究人员利用碳纳米管研制出的这种黏合材料，终于比壁虎脚底还要“黏”。
联合研究小组认为，这种新型黏合材料由于其强劲的黏附力和反复使用等特点，有望得到广泛应用。比如使机器人的脚底更适于攀岩，制作能被反复使用的新型橡皮膏。在太空中高真空环境下，普通黏合剂大多不管用，而碳纳米管黏合材料则可能派上用场。
（3）用碳纳米管制成扭曲能力提高千倍的纱纤维。2011年10月，由美国得克萨斯大学、澳大利亚卧龙岗大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学和韩国汉阳大学等研究人员组成的一个国际研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们用碳纳米管制造出新型螺旋纱纤维，其扭曲能力比过去已知的材料高1000倍，可利用其制造出比头发丝还细小的微电机。
碳纳米管与金刚石、石墨烯、富勒烯一样，是碳的一种同素异形体。它具有典型的层状中空结构特征，管身由六边形碳环微结构单元组成。在此项研究中，研究人员首先生产出高400微米、宽12纳米的碳纳米管细微结构“森林”，然后将其纺成类似绳索结构的螺旋纱。在纺纱时，可将碳纳米管纱制成左手螺旋和右手螺旋两种类型。
由于碳纳米管纱具有良好的导电性，研究人员把制成的碳纳米管纱与电极相连，并将其沉浸在离子导电液体中。碳纳米管纱开始进行扭转旋转。它首先向一个方向旋转，当达到一定的限度，改变电压后，再向反方向旋转。左手螺旋纱和右手螺旋纱的旋转方向正好相反。
研究人员表示，碳纳米管纱的扭转旋转机制就像超级电容器充电，离子迁移到纱线，充电电荷注入碳纳米管，形成静电平衡。由于碳纳米管纱为多孔结构，离子涌入将导致纱线膨胀，长度可缩短一个百分点。
研究人员在碳纳米管纱上附着了一个桨叶，结果表明，新型碳纳米管纱以590转/分钟的速度进行旋转时，可以旋转比自身重2000倍的桨叶。每毫米碳纳米管纱在250转/分钟时，其扭曲能力超过铁电体人工肌肉、形状记忆合金人工肌肉及有机聚合物人工肌肉1000倍。输出功率可媲美大型电机。
研究人员已设计一个简单的设备，用于在微流体芯片上混合两种液体。由一个15微米碳纳米管纱构成的流体混合器可旋转比自身宽200倍、比自身重80倍的桨叶。
传统电机的结构非常复杂，微型化十分困难。但利用这种碳纳米管纱却能很容易在毫米级水平构建电机。英国莱斯大学化学和计算机科学系的詹姆斯教授认为，该工作非常了不起。他表示，具有如此大扭矩的纤维十分迷人，如果将其应用在机械工程中，将起到其他任何材料无法替代的效果。
研究人员表示，这种碳纳米管纱可以开辟许多新用途。它可以用于制造微型电机、微型压缩机和微型涡轮机；基于旋转执行器的微型泵，可以集成到芯片实验室技术制造的设备上；还可以将其应用于机器人、假肢及各种传感器上。
3．用纳米管制造刀具和灯具
（1）制成碳纳米管小刀。2006年11月，在美国举行的国际机械工程大会暨展览会上，美国国家标准技术局和科罗拉多大学波尔得分校联合组成的一个研究小组展示了他们的一项研究结果：设计并制成一种碳纳米管小刀，这有些像小型的钢制奶酪刀。这在将来可以成为生物学上的实验工具，帮助科学家们比目前更加精确地对细胞进行切割和相关研究。
在过去，生物学家们一直使用传统的金刚石或玻璃刀，用这种刀对冰冻的细胞样品进行切割，但是由于其切割角度很大，所以会造成细胞样品弯曲，甚至在切割后破裂。而碳纳米管强度非常高，并且比金刚石细，所以是对细胞样品进行精细切割工具的理想材料。更好的是，研究人员还可以使用这些纳米小刀对细胞和组织进行三维成像，用于电子断层扫描。这要求样品薄于300纳米。
通过操纵扫描电子显微镜内的碳纳米管，现有的纳米技术能制造一整套工具，包括纳米小镊子、纳米轴承、纳米振荡器等。为了制造纳米小刀，该研究小组把一个碳纳米管焊接在很尖的钨针上。碳纳米管伸展于钨丝圈的两端之间。
为了证明他们设计的可行性，科学家进行了受力实验，对装置施加了更大的压力。结果他们发现焊点是纳米小刀的最薄弱环节，现在科学家在寻找更合适的焊接方法。
（2）制造出以碳纳米管为基础的世界最小白炽灯。2009年5月，《新科学家》杂志报道，由美国加利福尼亚大学的克瑞斯·里根领导的一个研究小组使用一个碳纳米管制造出世界上最小的白炽灯，灯丝长1.4微米、宽13纳米。
该研究小组把一个钯和金电极分别黏附于碳纳米管的两端，碳纳米管则穿过一个硅芯片上的细小的洞，被置于真空中。当电流通过碳纳米管时，碳纳米管被加热并且开始发光，每秒释放出几百万个光子，其中的几千个光子进入眼睛。里根说：“这样，我们很容易看到光线，人眼对单个光子很敏感，但这个灯不太适合用来看书。”
研究人员制造出这个世界上最小的白炽灯，主要用它来作为一个“桥梁”，用于沟通物理学中的热力学理论和量子力学理论之间的不兼容。
热力学第二定律称，熵随着时间而增加，但是，在量子力学中，时间并不是单向的，无论你前后移动都不会增加熵。那么，如何从量子力学理论过渡到热力学理论呢？
里根指出：“这个碳纳米管灯丝可以用来解释这一点。它足够大，可以应用热力学的法则。但它又足够小，人们可以把它看作一个分子或者一个量子力学系统。”
该研究小组使用它来验证“普朗克黑体辐射定律”，该定律于一个世纪前提出，通过假设不同的物体都可以释放出能量，来计算一个物体可以释放出多少光线。100多年来，普朗克的假设支撑了量子力学的发展。
普朗克黑体辐射定律假设一个黑体释放出的热辐射可能是随机的。例如，一个热的白炽灯释放出许多不同颜色的光子，这些光子组合在一起形成了白光。
但是，因为这个碳纳米管灯丝能够被看做一个量子力学系统，里根认为，它可能并不会遵守这个法则：与更大的灯丝相比，它所释放的光子可能并非那么随意。
里根说：“量子力学应用于具有非常少的粒子的系统；热力学则应用于非常大的粒子。我们还没有一个理论可以应用于中间区域，这个灯泡给我们提供了机会。”
第三节 纳米产品制造的新进展
一、纳米机械产品制造的新成果
1．纳米机械测试装置制造的新成果
2005年1月，有关媒体报道，由美国南加利福尼亚大学迈克尔·麦瑞克教授及其同事组成的一个研究小组成功地在多孔氧化铝聚合物表面制造出纳米金网络，借此定义出纳米图案，把测量机械张力的精度推展到次微米等级。
测量纳米尺寸下的机械张力对了解纳米结构如何影响聚合物复合材料的强度相当重要。但到目前为止，能在如此微小尺度下进行测量的方法并不多。方法之一为透过数字影像进行比对，但此方法只适用于表面具有无规律图案的材料。
为此，麦瑞克研究小组对聚合物采用图形压印，使其具有无规律的随机图案表面。他们制作了一个表面有200纳米小孔的多孔氧化铝薄片，在其表面喷涂上100纳米厚的金层。再把乙烯与醋酸乙烯共聚物加热到190°C后慢慢冷却。在此共聚物表面覆上多孔氧化铝薄片，待其彻底冷却后，以氢氧化钠溶液溶解铝片。经过以上步骤，喷涂在铝片上的金在共聚物表面形成网络，网格大小基本上在1～2微米。
研究人员发现，通过改变聚合物的黏性或按压薄片的力量可改变印痕的深度。即使聚合物表面压力达到10%左右，金网络仍与聚合物牢固结合。
麦瑞克表示，成功制造印压图案并不令人惊奇，但对聚合物表面金网进行显微镜和电研究就不那么容易了。为了与电极相连，研究小组以银条穿过聚合物表面小孔与金网络相连。经测试金网络可导电，并且，当表面机械张力超过阀值约1%时，金网络电阻开始上升。而当外力移除后，电阻仍维持在未承受张力时的4～7倍，因此可借由测量电阻值来判断聚合物承受的张力是否超出临界值，将有助于监测结构状况。此外，金网络也可用于表面的加热。
2．纳米汽车制造的新成果
（1）研制出世界第一辆单分子纳米汽车。2005年10月，有关媒体报道，由美国莱斯大学化学、机械工程和材料学以及兼计算机教授詹姆斯·吐温领导的一个研究小组，研制出世界第一辆单分子纳米汽车。在德国宝马公司宣布，可能会生产出一辆全部功能均应用纳米技术的汽车之后，莱斯大学的研究小组已经率先生产出世界第一辆纳米汽车，该汽车在显微镜下可见的金属道路上行驶。它是一辆小型的双座四轮汽车，没有豪华的座椅，以及常见的一些操作系统，其前后车轮的距离不超过5纳米。
吐温指出，运用先进的纳米技术生产汽车是一个重大的进步。他说：“这是我们学习如何将纳米生物技术应用于实际生产中的最开始阶段。”
该纳米汽车是由一个底盘和轮轴组成。这两者是由设计精良的绕轴旋转和自由喷转旋转车轴制成。车轮是用球形的巴基球做的，巴基球由包含60个原子的单质碳构成。整辆汽车对角线的长度仅为3～4纳米，比单股的DNA稍宽。
这一项目刚刚启动的时候，研究小组仅在6个月内就可以把底盘和轮轴装配完成。然而，装配由新型单质碳原子构成的车轮则不是一件容易的事。按照研究人员说法，这是因为使用的这种碳原子在催化剂的作用下并不发生反应。
最后，研究小组决定，应用定向靶催化反应来装配底盘和轮轴。安装车轮将是这一催化反应的最后一步，但是要把这种碳原子组合成合适的高度却十分困难。
研究人员发现，这种纳米汽车在静止状态下表面非常坚固。据推测，这是因为在由碳原子构成的车轮和金属底盘间形成了稳固的连接。使用平直的金属面是为了防止该纳米汽车碳原子车轮的运行，不会变得像在冰上滑行一样。
研究人员把这辆纳米汽车放在由金原子组成的公路上。在巴基球组成的轮子中的电子被金原子所吸附，使得轮子不得不粘在金原子表面。但是把公路加热到200℃时，减少了电子引力，车轮开始滚动。图尔的同事凯文·凯莉教授使用扫描隧道显微镜术技术证实分子汽车车轮是在滚动而不是在滑动。
研究小组后来又制成了一辆纳米卡车，可以运输分子货物，以及轻型纳米汽车。所有这些进步意味着一个新的时代又将开始。
（2）给单分子纳米汽车装上发动机。2006年4月，由美国莱斯大学化学科学家詹姆斯·图尔领导的研究小组《有机化学通信》杂志上发表研究成果称，2005年，他们发明了世界上第一辆单分子纳米汽车，并为这辆纳米汽车装上了底盘和轮子。由于没有发动机，汽车只能“遥控驱动”，受电磁场的作用在加热的金属表面上行驶。现在，他们为纳米汽车装上发动机，使它能以光为燃料开动。于是，产生了世界上第一款装有内部发动机的纳米级汽车。
图尔指出，研究人员希望能够以自下而上的方式构建模型，就像生物细胞运用酶来聚合蛋白质和一些超分子一样。通过生物途径，都是一次只能合成一种分子。在生物合成方法不适用时，纳米汽车就可能是一种较好的系统选择。
研究人员指出，这辆纳米汽车的分子发动机是一对结合在一起的碳分子，用特殊波长的光照射时，分子能向一个方向旋转。研究人员在汽车的底盘上装上分子发动机后，把光打向它，通过核磁共振观察发动机内氢原子的位置，确认发动机在运转。
研究人员称，由光来驱动的发动机具有旋转喷射的功能。该分子框架结构，是由荷兰格罗宁根大学的本·佛瑞格发明的，图尔研究小组对它进行了改良，可以使它与纳米汽车的底盘相连接。当光的刺激信号作用于发动机后，就会使发动机沿一个方向旋转，从而推动汽车移动。
纳米汽车是由一个坚硬的刚性底盘与四个炔基轮轴组成，轮轴之间能相互独立地自由旋转。原先纳米汽车发动机的能量驱动巴基球车轮，在这次新的技术改进中被球形碳、氢和碳硼烷分子代替。最初在甲苯溶剂中进行的试验研究发现，用光驱使的发动机能像设计的那样旋转。后续的试验正在进行，以验证驱动的纳米汽车是否能在平坦的平面行驶。
研究人员说，这辆汽车宽3纳米、长4纳米，和DNA链的宽度相同，但比DNA短。两万辆这样的纳米汽车首尾相连，相当于人头发丝的直径。研究人员预测，有了这种发动机，汽车每分钟能跑2纳米远。但是，他们还没让汽车“上路”行驶以检验这种预测，因为还没有找到一种观察纳米汽车行驶的方法。
二、纳米电子产品制造的新进展
1．纳米晶体管研制的新进展
（1）制成运转速度最快的纳米级晶体管。2005年4月，美国伊利诺依大学教授米尔顿·冯和瓦利德·哈菲斯两人在《应用物理通信》上宣布，已研制出目前最快的纳米级晶体管，为研制新一代超级电子芯片铺平了道路。
他们在显微镜下才可看见的微型装置上将两种不同的半导体材料小心地掺杂在一起，制成了这枚打破该领域世界纪录的晶体管。这枚晶体管长度不到5纳米，运转速度达到604GHz，也就是每秒执行6040亿次操作。
他们制造出的是一个双极结晶体管（三极管），它由三段组成，中间是基级，两侧分别是发射极和集电极。改变从基级到发射极的电流可以控制发射极到集电极的电流。
在制作这个特殊晶体管的过程中，研究人员小心地把磷化铟晶体、铟砷化镓晶体两种不同的晶状半导体材料掺杂在一起。他们通过精确地控制集电极的掺杂过程来影响晶体结构，从而使电子更容易通过，这也是提高晶体管效率的关键步骤。
哈菲斯说：“通过增加集电极各层材料中的铟含量，迁移率也随之增大，这意味着电子在集电极中移动速度更快。这种掺杂还有另一个好处：电子不但在集电极中移动速度更快，而且它们可以在被原子吸引而减速之前，以非常高的速度移动更长的距离。”
晶体管是电路中的基本部件，它们可以起到微小电子开关或电流放大器等多种作用。在现代计算机芯片如奔4处理器上面，集成了数百万个晶体管，其基本效率就取决于晶体管的运转速度。
北卡罗来纳州立大学的道格·巴拉格说：“这项成果确立了晶体管的新基准，它的速度可能是最快的硅晶体管的三倍。”不过，研究人员也表示，要想在复杂的电子设备中使用这种晶体管还有一段路要走。
（2）研发出世界首个液体纳米晶体管。2005年6月28日，美国加利福尼亚大学柏克莱分校宣布，化学教授杨培东及其合作伙伴马宗达研发出世界上第一个液体纳米晶体管，这将成为未来生化处理器的奠基性技术。
据美国侨报报道，液体纳米晶体管技术的诞生使得纳米导管不仅对电子，也可以对生化离子进行传导。未来只要极其微量的血液，就可以对其中的蛋白质、抗体等进行结合，从而达到疾病诊断的作用。
杨培东教授表示，这项研究目前仍然处于基础阶段，但这是一个重要的里程碑，可以预见在未来的10年、20年中，随着该技术的成熟，液体纳米晶体管会被批量生产，他们也会尽可能地促进技术的产业化。
杨培东毕业于中国科技大学，在哈佛大学获得化学博士学位，1999年开始在加利福尼亚大学柏克莱分校担任教授，在纳米技术、激光器等方面有所建树。他和机械教授马宗达都是劳伦斯伯克利国家实验室的科学家，从事这项技术的研究已经3年多。
（3）研制出“病毒晶体管”。2006年10月，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的一个研究小组在英国《自然·纳米技术》杂志上发表研究报告称，电脑病毒和手机病毒令人头痛，生物意义上的病毒却可用来制造新型晶体管，使芯片功能更加强大。近日，他们已经用烟草花叶病毒制造出开关速度非常快的“病毒晶体管”。
晶体管的开关速度直接关系到芯片处理信息的速度。如果能将“病毒晶体管”大量集成制造成芯片，可望大大提升电子设备的性能。例如，数码相机显示一张照片，原本需要若干毫秒，使用新芯片后所需时间可缩短到微秒级别。
研究人员称，他们在长度约30纳米的烟草花叶病毒表面涂上纳米级的金属铂粒子，平均每个病毒表面约有16个铂纳米粒子。然后将病毒嵌入聚合物制造的网格，将网格置于两层电极中间，形成与普通晶体管类似的“三明治”结构。
对这种“病毒晶体管”施加电压后，每个铂纳米粒子都会释放一个电子到病毒表面的蛋白质上，使晶体管切换到“开启”状态。如果电压降低到一定水平以下，电子从蛋白质跳回铂纳米粒子，使晶体管“关闭”。在这一过程中，电荷移动的距离只有10纳米左右，所需时间仅100微秒。
研究人员表示，这一成果离制造出实用的芯片尚有很大距离。科学家表示，他们正在研究怎样把多个“病毒晶体管”连接起来，希望在4年内研制出由数百万个“病毒晶体管”组成的芯片样品。
（4）研制砷化铟镓纳米级晶体管。2006年12月11日至13日，由美国麻省理工学院德尔·阿拉莫领导的一个研究小组，在圣弗朗西斯科召开的国际电子器件会议上向与会者介绍了砷化铟镓纳米级晶体管技术。专家认为，该成果有望将微电子革命带入新的重要阶段。
砷化铟镓晶体是该研究小组最新的研究成果。阿拉莫是麻省理工学院电气工程和计算机科学教授，同时还是学院微系统技术实验室成员。他表示，除非人们立即采取行动带来根本性的变化，否则，曾经在众多方面让人类生活丰富多彩的微电子革命将面临停滞不前的境地。
硅晶体管是微电子业的基础。然而，据工程人员估计，在未来10年至15年，从尺寸和性能上讲，硅晶体管的发展将达到极限。对此，阿拉莫研究小组和世界上许多研究小组一样，正在开发新的材料和技术以应对硅的极限问题。
阿拉莫说：“我们在为晶体管寻找新的半导体材料，希望今后的晶体管的性能不断提高，同时让设备的体积越来越小。”目前，阿拉莫研究小组研究的，是一组半导体材料：III-V复合半导体。与硅不同的是，它们为复合材料，其中最为看好的是砷化铟镓。电子在该材料中运行的速度比在硅中的要快许多倍。因此，它可能被用来制造十分小巧的晶体管，快速转换和处理信息。
不久前，阿拉莫研究小组利用其制作的砷化铟镓晶体管向人们展示，流经新晶体管的电流量相当于目前最先进的硅晶体管电流量的2.5倍，而更大的电流量是快速运行的关键。此外，每个砷化铟镓晶体管只有60纳米，相当于当今最好的65纳米硅晶体管技术。
英特尔公司晶体管研究和纳米技术主任罗伯特·周认为，阿拉莫研究小组展示的60纳米砷化铟镓纳米级晶体管，在低压（如0.5伏特）下显示出了良好的性能，在该领域的研究中，这一成果是一个十分重要的里程碑。阿拉莫认为，目前，砷化铟镓晶体管技术还处于“幼年”时期，由于砷化铟镓比硅更容易破损，因此它存在着诸多挑战，例如，难以大批量生产等。但他同时希望，可满足尺寸要求、利用砷化铟镓的原型设备机，可在今后两年内问世，该技术在10年内将会开始快速发展。
阿拉莫乐观地表示：“经过更多的工作，这种半导体技术有望极大地超过硅技术，让我们在未来继续进行微电子革命。”
（5）制成世界上首个分子晶体管。2009年12月23日，美国耶鲁大学发表新闻公报称，该校工程和应用科学系教授马克·里德负责，韩国光州科学技术研究院研究人员参与的一个研究小组，制成世界上首个分子晶体管，制作分子晶体管的材料是单个苯分子。
研究人员表示，苯分子在附着到黄金触点上后就可以发挥与硅晶体管一样的作用。研究人员能够利用通过触点施加在苯分子上的电压操纵苯分子的不同能态，进而控制流经该分子的电流。
里德说：“这就像推一个球滚过山顶，球就代表电流，而山的高度则代表苯分子的不同能态。我们能够调整山的高度，山低时允许电流通过，而山高时则阻止电流通过。”
研究人员表示，由于流经苯分子的电流能够控制，因此就可以像使用普通晶体管一样使用苯分子晶体管。
里德指出，这项研究只能算得上某个科学问题的突破，而像“分子计算机”这样的实际应用，即使真的可以实现，也需要几十年的时间。
2．纳米电路研制的新进展
（1）用细菌细胞制造纳米生物电路。2005年3月17日，由威斯康星大学麦迪逊分校化学系教授罗伯特·哈默斯领导的一个研究小组在美国化学学会会议上报告称，他们已成功地用单个细菌细胞制造出纳米生物电路，为纳米技术的发展拓宽了道路。
研究人员表示，这一工作十分重要，因为采用它可方便地生产出原子级的机器。同时，这种技术也许可用来制作能实时检测危险生物物质如炭疽杆菌的生物传感器。研究人员称，微生物可用作一种复杂的纳米级结构，从而部分消除以往制造微小级别装置时烦琐费时的劳动。
哈默斯介绍道：“当前纳米技术存在的最大挑战就是把纳米级物体组装成比较复杂的系统。我们认为，细菌和其他小型的生物系统可用作为制造更为复杂系统的模板。”
为了实现这一目标，哈默斯及其同事把活的微生物（主要是细菌），依次沿着一个通道，导向一对距离不到一个细菌长度的电极，当细菌在电极间移动时，事实上细菌便成为一个电接点，使得研究人员可以一次一个地捕获、讯问和释放细菌细胞。
哈默斯说：“这一结果令人鼓舞。当人们高度注意如何巧妙地处理纳米级物体，如电气插头使用的纳米管和纳米线时，使用细菌细胞具有许多潜在的优越性。”
哈默斯及其同事为了制造这种微生物纳米管和纳米线，花费了大量的时间，因为很难指挥细菌到达预定的位置。他们最后在电极上捕获细胞，然后指挥它们沿着一个好似传送带一样的狭窄通道移动，传送带电气插头上的小间距行使陷阱的功能。在测定细菌细胞电特性的同时，陷阱可捕获单个的细菌细胞。一旦微生物讯问完毕，活细胞便释放出来。
参加这一工作的博士后约瑟夫·贝克说：“人们可从容地测定和释放细胞。”他指出，细菌表面自然表达的化合物将被装上电线，成为一个实时的生物传感器的基础，可安装在机场、体育馆、火车站、摩天大楼、信件收发室和其他公共场所，用来检测、发觉生物恐怖活动中的危险生物物质。
据贝克介绍，运用天然的细菌和其他微生物是可以制造这种设备的。这种装有电线的细菌细胞再加上当代的微电子技术，不仅可以探测危险的生物物质，如炭疽孢子，还可以发出报警，要求援助。
研究人员还介绍说：“人们甚至还可以设计细胞，使其表面能捕获不同类型的分子。”例如，可将精微的金颗粒加到细菌的外壳上，使其如同一个纳米级的金线。
哈默斯认为，他们的工作将以空前的方式使纳米技术与生物技术结合起来，取得飞速的进展。
（2）发现细菌能制造纳米电子线路。2005年6月，有关媒体报道，由美国马萨诸塞大学生物学家德雷克·拉夫利领导的研究小组发现了一种微生物结构，它拥有非常好的导电性。这一突破性的发现将为人类了解地下水的净化过程带来帮助，并将在纳米技术领域得到新的应用。
研究小组发现，这种名为“微生物纳米线路”的传导结构是由一种特殊的微生物组成的，这种微生物被称为“泥菌”。整个线路非常完美，虽然仅有3～5纳米宽，但是非常耐用，长度是宽度的1000倍。
拉夫利说：“这么长的细小导体结构在生物界是空前的。它改变了我们对微生物控制电子的传统理解，同时告诉我们微生物纳米线路，在极小电子设备的开发中将会非常有用。另外，在能源污染处理、微环境传感器和生物开发等领域也将有所突破。”
泥菌在很多实验中都成为研究对象。主要是因为它们在地下水生物净化等方面起到很大的作用。它们还能够把人类和动物的粪便转化为电能。在这一过程中，泥菌必须把细胞外部的电子传送到金属或电极上。上述最新的研究结果揭示了其中的具体过程。
拉夫利于1987年在华盛顿的波托马克河发现了泥菌。自此以后，他一直致力于这种微生物的应用研究，泥菌在土壤和水下沉淀物中大量存在，具有清洁酸性物质和产生能量等功能。它们能从金属中获取能量，无需氧气也可生存。
泥菌制造的电路可以在电子产业得到广泛应用。电子设备的进一步微化就需要这种纳米线路。尽管利用金属、硅或碳等传统材料制造纳米线路是非常困难和昂贵的，但是利用泥菌细胞实现这一过程却很容易。美国能源部的多个地下水处理场都利用泥菌作为净化工具。
（3）制成突破微器件制造瓶颈的纳米“电桥”。2005年8月，由美国哥伦比亚大学纳米研究中心副教授科林·纳科尔斯领导的一个研究小组，制成一种纳米“电桥”，可以让电流在分子和纳米物质之间高效传导。这一电流传导过程在分子电子器件的制造中是必不可少的。
这项研究成果大大提高了现有纳米物质和器件的制造能力。科学家们津津乐道的“纳米世界”现在又向现实迈进了一大步。根据他们的描述，届时人们会在身边看到分子信息处理设备，极大提高药效和减少剂量的纳米药物，甚至还有分子大小、在人体血液中流动、用于治疗动脉梗阻等疾病的微型机器人。
纳米科技界的同行们评价称，纳科尔斯小组用一种持久、稳定的导电金属（钌）在分子之间架起了一座高效率的桥梁。该研究小组此前曾用金来做实验，但发现它并不能提供良好的传导性，也缺乏耐久性，而且不具备什么有用的化学性质。
在分子电子器件中，绝大多数重要的电力活动只发生在纳米量级的界面上。所以，获得这些“电桥”是纳米器件制造的必要过程。纳科尔斯说：“从某种意义上说，界面就是轮胎接触路面的那一部分。”值得注意的是，这项成果来自化学、数学、工程学、生物学和众多其他学科领域专家的协同合作，因此可看作是各学科交叉取得的结晶。
（4）研制出模拟生物生长的蛋白质纳米级电路。2011年4月，有关媒体报道，由美国亚利桑那大学材料科学与工程系教授皮埃尔·戴米尔领导，斯瑞尼·洛哈文和他的学生参与的一个研究小组，模拟生物生长发明的蛋白质纳米级电路，其制造工艺获得美国专利，专利号为US 7862652 B2。
有关专家表示，这项制造工艺是生物工程的一个突破。它通过把生物过程和无电镀铜沉积结合起来，制成内部是铜、外部是蛋白质的绝缘导线，可用来构建电路，这将使微电子学产生巨大飞跃，或将完全改变微芯片制造的方向，使之进入生物组装时代。戴米尔表示，很高兴这项技术得到认可，下一步是把该工艺从研究领域应用到纳米设备和制造过程中，用于开发微芯片或其他相关过程。
该专利的关键部分是把铜沉积到一种绝缘的微管蛋白内部，制成纳米级线路。这种微管内直径15纳米，外直径25纳米，可以生长到几微米。红血细胞直径为8微米，在它上面能并排分布320个微管。戴米尔解释，在天然细胞的有丝分裂过程中，微管负责把脱氧核糖核酸和染色体隔开，它们从一种名为伽玛微管蛋白的种子蛋白中产生，可按照需要生长或萎缩、出现或消失。
研究小组在线路开端印上伽玛微管蛋白，在线路终点印上某种多肽，多肽是氨基酸链，是构建蛋白质的基材。许多微管会长出来，但只有一些能到达终点，所有线路连接完成后，微管生长的溶液就会变化，没能到达终点的微管会消失，留下的微管则浸泡在铜盐溶液中。
洛哈文指出，关键是让微管内部的铜比外面的先行硬化。他和学生共同改良了生物沉积过程，这一改良不会破坏微管的功能和结构。他解释，微管内部会自发形成一种组氨酸，对铜有很强的亲和性，金属化过程由此开始。恰当掌握铜盐循环周期的时机，铜就会只在微管内部形成，成为微细的绝缘导线。
研究人员表示，传统半导体制造技术已无法满足对芯片微型化的迫切需求，而生物组装技术模拟生物生长的方式提供一种能在原子和分子水平上按照需要控制结构形成的工艺过程。
戴米尔还指出，微管蛋白纳米线天然绝缘让设计人员能更自由地排布线路，这是非绝缘线路如光刻技术做不到的。除此之外，它还能在模拟光合作用的太阳能电池中汲取电流，作为电子通道与外部连接。
3．纳米芯片研制的新进展
（1）采用纳米新工艺生产存储芯片。2004年9月，世界最大芯片生产商美国英特尔公司宣布，它采用目前最先进的65纳米芯片制造工艺，生产出储存量为70兆的静态随机存取存储器芯片。
英特尔公司称，与90纳米工艺相比，使用65纳米制造工艺可将晶体管尺寸缩小约30%，从而可以在一块芯片上集成更多晶体管。这种新工艺为英特尔将来推出多内核电脑中央处理器芯片，以及开发视频和安全等方面的新功能奠定了基础。
（2）利用硅藻纳米结构研制三维计算机芯片。2005年10月，《新科学家》杂志报道，由美国佐治亚州工学院肯内特·桑德海杰博士及其同事组成的一个研究小组，正在利用各种硅藻纳米结构研制未来电子芯片元件，其最终目的是制成三维电子芯片，这种芯片比同类芯片更复杂，功率更强大。
单细胞硅藻门具有由二氧化硅石组成的坚固甲壳，并具有多种完全不相同的外形，它们呈现从简单的三角形或正方形到复杂的三维结构。硅藻是依靠分裂来繁殖的，每个子细胞获得一半母体甲壳，另一半重新生长，同时原来的一半会被自己新的外壳包围。
通常，硅藻的二氧化硅甲壳不导电，但是现已找到克服这种障碍的几种方法，例如，在温度达到900℃的金属蒸汽中进行处理，用导电的二氧化钛或氧化镁来取代硅藻甲壳中的二氧化硅。
现已知道的硅藻大约有10万种，其中有些硅藻的大小仅为几十纳米。研究人员表示，在传统的石板印刷术基础上，用硅藻来制作复杂的三维计算机的元件难度太大，因此他们决定研制一种新的生物工艺。
2004年10月，一个国际研究小组成功地破译了一种硅藻的基因，认为数量众多的硅藻均由几个基因控制。因此，桑德海杰博士希望基因研究很快就能培植出具有一定形状和大小的硅藻组分，再将这些硅藻组分进行必要的化学处理，就可以装配成复杂的立体纳米结构。
（3）用现有设备生产出30纳米以下硅芯片。2006年2月20日，IBM研发中心宣布，他们成功地研究出一种新方法，可以用现有的设备生产出29.9纳米的硅芯片，远比如今的芯片要小。这项技术进步有助于在未来芯片生产中降低成本。
该技术突破是围绕着一种增强性和试验性的浸液光刻技术而展开的。在浸液光刻技术中，硅片是浸没在纯水之中的。然后，利用激光穿透一个复杂的蒙板将一个微小的阴影图投射到硅片上，然后通过化学加工形成永久的结构。这个过程与照片底片晒印的过程非常相似。蒙板图案制作得越复杂，最后得到的电路也就越小。
之所以把硅片浸没在水中，是因为光在水中的折射程度比在空气中的折射程度要大一些，因此也就更容易制作出清晰的分辨率和更小的图案出来。浸液光刻技术将在相对较近的未来投入商业使用之中。
在这个系统中，IBM公司把水换成一种特殊液体，以及一种特殊的抗光蚀剂系统。
IBM研发中心阿尔马登研究中心的光刻技术材料经理罗伯特·艾伦说：“我们通常都可以完成30纳米以下的光刻工作。”
如果该系统最终得到商业应用，那么业界可以把目前的193纳米光刻技术使用得更久一些。基于这些标准的生产设备的成本为每台1500万美元，可以向厂商定制，迄今为止已经使用了好多年了。这个名字来源于一个事实，即激光的波长小于193纳米。
用新技术生产出来的设备来替换这些设备并不是一件容易的事。许多年以前，IBM公司曾经是X光光刻技术的主要支持者之一。那种方法确实有效，但是成本太高了。在过去的十年中，英特尔公司与AMD公司和IBM公司一起，已经研究出了超短紫外光光刻技术。
目前超短紫外光光刻技术仍只用于实验室之中。虽然英特尔公司也许会在三四年后，在生产32纳米制程的芯片中使用它。但是研究人员们称，直到开发下一代芯片的时候，英特尔公司才会使用它。届时处理器的平均外形尺寸大概只有22纳米了。
IBM公司对新系统非常有信心，坚信浸液光刻技术与193纳米系统肯定可以用于32纳米制程的芯片生产中。艾伦说，如果想将芯片生产推进到22纳米制程，则需要更好的浸液、其他的抗光蚀剂材料，以及由目前尚未鉴别出来的一些物质生产的透镜。
（4）提供首个65纳米存储器闪存芯片。2006年4月4日，英特尔公司宣布向市场推出存储器多级单元闪存芯片，这是同类产品的第一家。这种芯片密度为1G，是基于65纳米处理技术的产品。存储器多级单元闪存芯片用于手机等设备上的关键操作及个人信息数据的管理，并可以存储照片、音乐和影片。
手机原始设备制造商客户，将受益于英特尔的统一闪存架构。该架构可简化从90纳米向65纳米技术处理的过程。
英特尔副总裁及闪存部总经理布瑞恩·哈里森说：“通过推出这些产品，英特尔在向主流手持设备市场提供业内最先进的存储器闪存方面继续继续保持领先地位。65纳米的处理技术将提高闪存性能，并能使下一代手机为终端客户提供更新更强的功能。”
（5）通过改进纳米工艺研制高功效芯片。2006年6月，国外媒体报道，英特尔一个研究小组通过改进纳米工艺已经开发出一种更好的电路绝缘技术，使用这种技术可以节省电路功耗。因此，可以在一块处理器上配置更多的晶体管。
英特尔技术及制造集团副总裁兼零部件研究部总监迈克·梅贝利说：“到2010年，英特尔将可以采用这项新技术推出的三闸级晶体管开始生产芯片，与公司现有65纳米工艺的晶体管相比，这种三闸级晶体管要么可以提高45%的速度，要么可以节约35%的总功耗。”
这些技术上的进步可能会产生强大的竞争力量。因为功效是从大功率服务器到移动型膝上型电脑和手持个人数字助理等个人电脑领域里芯片销售好坏的一个关键性因素。
英特尔的这项新技术还可能会进一步延伸摩尔定律的有效性。摩尔定律是40年前由英特尔联合创始人戈登·摩尔所作的预言。他称一块芯片上的晶体管数量每隔两年就会增加一倍。
业界工程师最近曾声称摩尔定律不久将会失效，因为在90纳米以下工艺的芯片体积缩小，可能会导致很细的电线漏电。在芯片的时钟频率超过2GHz时，芯片漏电的量就会更大，且运行效率下降。基于此，一种解决方案就是采用多个时钟频率较低的内核。从英特尔到超威半导体公司和太阳公司都采取了这种方法来解决芯片速度过快导致漏电的问题。
IBM的科学家称，另一种解决办法可能是采用碳纳米管。他们曾于3月称，他们运用常用的硅技术，采用碳纳米管分子构建了一种集成电路。不过，英特尔声称，其三闸级解决方案是最好的解决方法。梅贝利说：“与碳纳米管相比，三闸级晶体管更加容易制造。这是碳纳米管所遇到的无法回避的挑战。”
三闸级晶体管是标准的互补金属氧化物半导体设计过程中所使用的一个部件，它在其中可以更好地充当一位“交通警察”的角色。它从三个方面而不是仅从一个方面来控制每条电路的电流。这项技术目前仍处于理论阶段。不过，由于这项技术可以使用工厂中的现有设备，因此英特尔设计人员可以迅速地把它应用于新的芯片生产中。
梅贝利说：“这将是采用45纳米，或更小的32纳米，或22纳米工艺生产芯片的一种选择，这给了我们信心，我们可以继续演绎摩尔定律至下一个十年。”英特尔称，2006年第三季度将生产更多地采用65纳米工艺的芯片，其数量超过采用90纳米工艺生产的芯片，2007年公司将向45纳米，2009年将向32纳米工艺移植。
（6）制造全球第一块每单元四位的纳米级闪存芯片。2006年9月25日，美国加州的闪存制造商飞索半导体公司宣布，已经生产出全世界第一块每单元存储四位的纳米级闪存芯片。
飞索半导体公司表示，他们将采用这个技术在2006年年底之前，用90纳米工艺制造512M、1G、2G的闪存芯片，2007年将采用65纳米的工艺生产1G、2G、4G、8G和16G芯片。
事实上，飞索半导体公司的这一制造技术来自以色列的赛芬公司。2005年年底，赛芬公司正式向外界宣布，已经成功研发出每单位存储四位的闪存芯片，并将这一技术授权给了美国的飞索半导体公司和德国的英飞凌公司。
据飞索半导体公司和赛芬公司表示，通过每单位存储四位的技术，闪存的容量可以在同一尺寸的芯片上提高一倍，而且架构也比较简单，可以减少制造环节，从而降低成本。另外，通过软件纠错技术可以最大限度地避免存储过程中的位错现象。
（7）用纳米技术研制出可用于远程供电的微流体芯片。2011年3月，有关媒体报道，美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的一个研究小组用纳米技术开发出一种微流体芯片，可利用无线电频率发射器来为电泳实验供电。这是科学家首次开发出芯片远程供电实验室设备。
电泳是利用电场来操纵带电粒子的一种技术。为了提高通量，研究人员已经开发出一些微型芯片，不过，这些芯片往往需要配以庞大笨重的电气设备。
该研究小组把芯片电路印刷在一块塑料板上，电路板的空腔中含有大量微孔，并充入带负电的纳米粒子。负电纳米粒子最初呈随机运动状态，研究人员引入可识别无线电频率发射器的电场，此时负电纳米粒子被困在带正电荷的微孔中。利用无线电频率发射器识别卡发送无线电频率脉冲后，将产生电流为芯片供电。
该设备的特点是生产成本低，简单易用，如果把无线电频率发射器安装在显微镜上，可利用显微镜和摄像机来捕获粒子移动的图像。研究人员表示，该芯片对于习惯使用光学显微镜进行疾病诊断的病理学家和临床医生来说是一个福音，它可以简化复杂精密的电子设备的操作，进而提高医生的疾病诊断能力。
4．纳米传感器研制的新进展
（1）用纳米颗粒制造超级化学传感器。2006年4月，由美国莱斯大学纳米光学实验室副主任詹森·哈佛纳助理教授领导的一个研究小组，在《纳米通信》杂志上发表研究成果称，他们用一种叫作“纳米星”的微小黄金颗粒，制成有效的化学传感器。
哈佛纳说：“以往的研究集中在纳米颗粒上，而现在，则是对颗粒的内在形状，以及那些可以通过改变形状来影响颗粒与光的反应上面。”
该实验室进行了许多有关纳米生物化学方面的研究，包括胞质基因和电子波长。胞质基因的研究是在光学领域中发展最快的一门分支领域，因为它可以把这项研究应用于生物感应、微电子、化学检测和医学科技或者其他方面。
该实验室负责人奥米·哈勒斯教授说：“我们要对纳米星进行更大范围的研究。目前，我们在纳米显著结构，如纳米星和纳米颗粒上的切割工作上，在全球范围内是领先的。”
研究人员表示，“纳米星”汇集了现在正在研究的光子颗粒的最好性质。哈佛纳研究小组发现，纳米星表面的每一个颗粒都有着唯一的光谱信号，初步的测试表明，这些信号可以用来确定纳米星的三维方向，为开展三维分子检测工作打下坚实的基础。
（2）发明能找到病态细胞的纳米传感器。2007年5月，由马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校文森特·柔特洛教授领导的一个研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表论文称，他们发明了一种分子传感器，这种基于纳米颗粒的探测器能找到特定蛋白。它们能探测出多种病态细胞产生的蛋白质，在未来将可望被用于医疗诊断。
目前，检测蛋白质的方法主要是依靠特定的受体和特定蛋白结合成“钥匙-锁结构”，这种方法虽然很精确，但是技术成本很高，为了寻找到特定的一种蛋白钥匙，科学家需要有其对应的锁受体。
柔特洛小组期望能使设计出一种更普遍的探测方法，就像人类的鼻子一样。鼻子利用一系列的受体来辨别气味。而暴露于这种分子探测器下的蛋白能激发一组受体，其信号将作为蛋白的指纹。未知的蛋白有特殊的指纹，辨别起来要比传统技术容易得多。
因此，科学家用金纳米粒子制造这种装置。柔特洛小组加入了荧光染料，这样就可以看到哪些受体在和特定的蛋白发生作用。每种蛋白都有特定的形状，这些形状就可以激发特定传感器，释放染料并发出荧光。而且荧光的强度也会随着蛋白形状发生改变，在计算机的帮助下，科学家就可以通过荧光模式来确定蛋白质的种类。
这一技术相比之前的更加可靠。目前柔特洛小组正在利用这些传感器寻找癌细胞产生的畸形蛋白质。科学家相信，它还能用于其他很多疾病的诊断。
（3）开发出能迅速检测隐秘病原体的纳米传感器。2012年4月9日，由美国中佛罗里达大学医学院教授莎拉·纳瑟、纳米科技中心副教授曼纽尔·皮尔茨等人组成的一个研究小组，在《科学公共图书馆·综合》上发表论文称，他们结合纳米技术和DNA标记开发出一种新型检测技术，能在几小时内出检测出与肠道炎症相关的多种病原体，包括克罗恩病等，为临床医疗带来一种快速精确的诊断工具。
有些病菌在人体组织内隐藏得非常深，秘密地给细胞重新编程，躲过免疫系统攻击，并在体内潜伏多年，突然爆发后会导致严重疾病，如肺结核。怎样找到它们的藏身地，长久以来困扰着科学家。现有的诊断隐秘细菌的方法通常要几周甚至几个月，这可能会延误治疗。
新型检测工具是一种混合磁弛豫纳米传感器（hMRS），只有一根发丝的厚度，由一层涂有聚合物分子的氧化铁纳米粒子构成，通过化学修饰会与特定的DNA标记结合，一种DNA标记专门针对一种特殊的病原体，即使病原体的数量很少，也能把隐藏在生物体深处的病原体找出来。
研究人员采集了大量克罗恩病患者的血液和活组织样本，以及患有牛副结核性肠炎的牛组织样本，对其病原体禽分支杆菌副结核亚种进行了检测。一旦混合磁弛豫纳米传感器与病原体DNA结合，就会发出磁共振信号，信号被围绕纳米粒子的水分子放大，通过计算机屏幕或便携式电子设备如智能电话，就能读出磁信号的变化，确定样本有没有被感染。
据纳瑟介绍，混合磁弛豫纳米传感器能测出隐藏在患者细胞内的微量病原体DNA的数量。这种新技术比传统的分子和微生物方法更有优势，同时保留了特异性和灵敏性。而且以往要耗时几个月的检查现在只需几小时就能得出可靠而精确的结果。
皮尔茨表示，该技术为医疗专业人员提供了一种简易可靠的工具，能更好地研究疾病的传播，帮助患者更及时地获得有效治疗。尤其在检测医疗、食品、环境样本中，正是纳米技术发挥优势的地方。
美国国家综合医学研究所的简娜·韦尔利博士指出，基础研究能带来基础性的医疗突破。研究小组去年尚未发现DNA具有和磁共振传感器结合的性质，但今年就已经开发出了快速灵敏地检测隐蔽细菌和病毒的技术，这也表明，一项先进技术从实验室研究到满足重大医疗需求有多快。
5．通信与计算机系统纳米部件研制的新进展
（1）研制成功迄今频率最高的纳米振荡器。2005年2月，由波士顿大学的物理学家莫汗蒂等人组成的一个研究小组，在《物理评论通信》上发表论文称，他们研制成迄今频率最高的纳米振荡器。这一技术可望在未来通信和量子计算领域得到应用。
研究人员表示，他们开发的纳米振荡器用硅制成，外形犹如一个两边都有齿的梳子，其尺寸只有人类头发直径的十分之一左右。它的振荡频率达到1.49G赫兹，是同类设备中频率最高的。
研究人员说，这种振荡器在移动通信和计算机等，需要发出吉赫兹（即10亿）级电磁波的领域，有广泛应用前景。它由500亿个硅原子组成，既能呈现出一些量子物理特征，也可以通过常规的设备探测出来。
莫汗蒂研究小组在论文中介绍，为了让振荡器有一个“纯净”的环境，不受各种外来波的干扰，他们在一个铜地板、铜墙壁的密封房间中，组装和测试纳米振荡器。此外，纳米振荡器的工作环境在绝对零度（零下273.15℃）以上0.11℃，需要封装在专门的冷却器中。
他们发现，在极低的温度下振荡器出现离散运动，也就是呈现出原子等量子的运动特性。如果把振荡器看作一个两边有齿的梳子的话，它的“齿”会以相同的频率和中间的“脊”一起振动，“齿”的振幅是千万亿分之一米，大概相当于一个原子的半径，而“脊”的振幅达到十万亿分之一米，可以通过设备探测出来。
莫汗蒂表示，随着电子元器件的尺寸越做越小，将来会呈现出量子运动特征，这种纳米振荡器将成为科学家研究纳米级电子元器件的最好范例。
（2）研制出纳米级相变内存原型。2006年12月，美国国际商业机器公司、旺宏电子公司和奇梦达公司在国际电子器件会议上宣布，共同开发出一种相变内存原型，该原型的转换速度比传统闪存技术快500多倍。
（3）推出22纳米3D晶体管处理器。2012年4月22日，英国广播公司报道，英特尔推出采用22纳米3D晶体管构筑的常春藤桥系列处理器，旨在提高计算能力，降低能源消耗。
英特尔公司的个人电脑业务科长柯克·斯考根说：“这种系统设计的冲击力是相当惊人的。有300多个移动产品的开发和超过270种不同的工作台，其中许多都是一体化的设计。这是世界上第一个采用22纳米三维晶体管的产品。”
据斯考根介绍，传统的晶体管采用尽可能快速打开和关闭的“平面”二维闸门，其打开时可通过最大的电流，关闭时通过的电流则最小。但存在的问题是，如果开与关的速度不平衡，平面闸门越小，能量泄漏得越多。
常春藤桥芯片的晶体管只有22纳米长，这意味着可以在人类一根头发的宽度上放4000个。英特尔的解决方案是把晶体管做成三维的超薄鳍状物取代平面闸门，让原本晶体管中“平躺”着的漏极和源极在硅衬底上“站立”起来，三个闸门卷绕在一起，两侧各一个再加上面的一个。这样当闸门打开和关闭每秒超过千亿次时，漏电率降至接近于零，从而以更少的功率执行以前同样的操作。
这种创新芯片突破晶体管趋于小型化性能受限的瓶颈，既解决了制造难题，还带来相当不错的性能，比如使用更低电压即可驱动、漏电电流大幅度降低、晶体管的可承受电流上限更高等，而其制造成本只增加了2%至3%。
斯考根称，这些芯片采取集成的GPU（图形处理单元），而不是独立显卡，处理速度得以显著提高，将能够处理高清晰度视频会议。用户也能够更迅速地重新编码视频，以便通过电子邮件发送视频片段，或将其存入智能手机。该芯片还提供了新型基于硬件的安全设施，以及内置USB 3.0的支持，使其成本更低廉，并为制造商提供了允许更快将数据传输到硬盘、照相机和其他外围设备的标准。
三、纳米化工产品制造的新成果
1．纳米染料和涂料研制的新进展
（1）利用纳米微粒发明衣物自动清洁染料。2004年11月，美联社报道：由美国南卡罗莱纳州克莱姆森大学纺织化学家菲尔·布朗领导的一个研究小组，利用纳米微粒研制出一种能够自动清洁的染料，这种染料可以合成在任何衣物上，在有水的情况下衣服就会自动清洁。
这种染料已经申请专利权，向涂有该染料的衣物喷洒水雾或是用湿毛巾擦拭就能快捷而又方便地达到清洁目的，这样做能够大大简化衣物的清洗过程。
研究人员表示，这种染料技术将提供给纺织品公司使用于各种织物上，在不久的将来，该类衣物就会出现在市场上供消费者选购。
这一研究成果对服装生产商无疑是个好消息，但是美国制造业贸易行动联盟发言人劳埃德·伍德担心，如果美国国内的纺织业失业率仍然保持增加的势头，类似的研究成果最终都将会流到海外去。他说：“这一情况非常严重，失业率在不断增加，你也能够清楚地看到，研发的技术成果都在不停地流向海外。”
这一染料技术是目前“纳米技术”的最新应用之一。而纳米技术是当今科学应用的热门话题，从抗污染、抗褶皱的衣料，到增加电脑的内存等领域，都有该技术的应用。
这种衣物染料是一种由镀纳米微粒混合而成的高分子膜，当它合成到织物纤维上时，能够产生一系列极小的微粒凸起，一旦与水接触，这些凸起就会自动把附着在其上的灰尘，以及其他物质弹走，达到清洁的目的。
美国国家纺织品研究中心是美国商贸部下属的由八个大学组成的研究联盟，其中就包括克莱姆森大学。该研究中心主要负责这一研究的资金筹备工作。
菲尔·布朗说：“你可以设想，当有细小的水珠尝试着接近这些微小凸起时，凸起对水的排斥性会令水珠连带着灰尘一起弹开。如果没有这些高分子膜的凸起，排斥的效果也就不会发生。”
新研制的纳米染料与雨衣上的防水涂料完全不同。雨衣涂料类似于杜邦公司生产的聚四氟乙烯。因为这些涂料都是在衣物表面附加一层较厚的防水层。而纳米涂层形成的高分子膜却是合成在织物纤维上的。菲尔·布朗说：“新的涂层要比其他的传统涂层效果明显，主要是因为它能够合成在纤维中并与之发生反应。”他还表示，新的高分子膜不会使衣物看上有凹凸不平的感觉，因为凸起的微粒非常小，根本无法用肉眼观察。同时理论上说，这种微粒也不会有颜色，因为它们远远小于光的波长。
研究人员还指出，除了能够在衣物制造上应用该高分子膜染料外，在制造家具表面防水涂层、汽车顶篷防水层，以及户外野营帐篷等方面也可以使用新研制出来的防水高分子膜。
（2）发明使玻璃不起雾的纳米涂料。2005年8月30日，美国麻省理工学院一个研究小组在《自然》杂志网站发布消息称，他们发明了一种纳米涂料，能使各种玻璃不起雾，同时又能大幅度降低反光率。
据研究人员介绍，这种涂料能吸收微小的水珠，防止玻璃起雾。它具有数层聚合纤维，以及能够形成微小细纹的玻璃纳米粒子。玻璃遇到水时，其身上的细纹能像海绵一样把这些微小的水珠吸收掉，形成一个薄薄的水膜，就不会把光分散或在玻璃上形成雾气。而且，这种涂料形成的涂层光反射率仅为0.2%，比目前其他反光涂层2%至3%的反光率要低得多。
研究人员指出，这种涂料使用的纳米粒子直径只有7纳米，是可见光波长的1%，从而使其涂层具有透明效果。
（3）研制出杀菌威力强大的纳米涂层。2007年1月，由美国北卡罗来纳大学纺织学院和埃默里大学医学院联合组成的一个研究小组，研制出一种在可见光下可杀死或抑制绝大多数病毒和细菌的纳米涂层。据悉，这项成果已申请专利。
研究人员进行的实验表明，这种纳米涂层可杀死99.9%的流感病毒和99.99%的牛痘细菌。牛痘细菌是造成皮疹、发烧、头疼及身体疼痛的元凶。
研究人员表示，纳米涂层的成功研制确保人们只要暴露在可见光下就可免受病毒和细菌感染。
（4）研制成纳米颗粒填充的涂料产品。2008年2月，由美国纽约城市学院和莱斯大学联合组成的一个研究小组，近日完成了一项新材料领域的科技研发项目：纳米颗粒填充的涂料产品。该项技术可以通过低廉和环保的加工方式把纳米级的抗菌银颗粒成功添加进植物油基的涂料配方体系中去，这一科技成果可为家居环境和工作场所提供一种全新的抗菌健康涂料。
据了解，该研究小组的“绿色化学”科技研发项目可以在普通涂料中直接合成纳米金属粒子，并且不需要添加有毒的助剂或者溶剂等。该项目产品以聚合物基的不饱和碳氢化合物涂料体系作为研究对象，并根据这一体系设计出创新的纳米粒子添加方式。该工艺生产方式简单、经济，能满足涂料的商业化生产，对环境不会造成危害，是一种健康安全的涂料生产方式。
该研究小组还采用同样的工艺生产出一系列的纳米填料分散溶液。该项目的产品和传统涂料一样，可以在金属、木材、聚合物、玻璃、陶瓷等多种材质上应用。如添加纳米金属粒子的涂料体系在色彩和表面效果上更明显，并可以替代现有的有机颜料体系。
（5）深度开发用于造纸行业的纳米级涂料。2008年6月，美国生态涂料公司与西密歇根大学化工工程学院的造纸工程系达成一项技术合作意向，由西密歇根大学教授玛格丽特·乔伊斯带领研究小组，就造纸工业中使用的纳米级涂料产品进行深度的研究。
根据双方合作协议，研究小组将评估生态涂料公司的“生态快客”涂料性能，并且选择其中跟造纸工业有关的产品，进一步开展应用研究。生态涂料公司的“生态快客”涂料不仅可以作为造纸涂料使用，而且还可以广泛地应用在其他涂料和油墨配方中。通过研究小组的性能测试，以及其他应用的转向测试，将更进一步拓宽此类产品的应用范围。目前该研发项目已经启动，预计在未来2～3个月的时间内完成前期调研，并汇报给生态涂料公司。
生态涂料公司的创始人和新产品开发负责人萨尔·拉姆齐也是生态涂料公司防水涂料、纳米级造纸涂料的发明人，将配合该项目进行一系列的调研活动。“生态快客”涂料是生态涂料最新研发的涂料产品，其生产技术涵盖了可清洁技术和纳米材料技术，该涂料体系不含有机溶剂，因此不会产生挥发性有机化合物和有害空气污染物，同时涂料的固化方式采用环保节能的紫外线固化技术，取代了传统造纸涂料的加热固化模式。
研究人员表示，这种纳米级涂料产品不仅达到了生产节能的目的，而且也大大缩短了生产周期，有效地提高了造纸行业的生产效率。此外，该产品因为具有极好的耐摩擦性能，因此在造纸工业之外，还可以在金属、玻璃、橡塑等基础材料领导进行应用。
（6）用纳米涂料造出超级防水材料。2008年7月，有关媒体报道称，物体的表面如果能不被水所浸润，就会显示出奇特的效果。荷叶就是很好的例子，即使淋在雨中，水珠也随即滑落，荷叶还是那么干净清爽。
科学家为了使物体的表面能够排斥液体，通常需要在其表面涂覆特定的化学涂层或涂料，涂覆的过程一般说来耗时耗工，还容易造成污染。而且，一种涂料往往只对一些特定的液体有效。完全不沾各种液体的表面实际上只停留在商家的广告中，几乎不可能制造出来。
据报道，美国威斯康辛州麦迪逊大学的研究人员换了一个全新的思路，他们用物理方法，采用纳米技术来解决这个问题。
他们展示的超级防水表面材料是由硅的微针组成的，硅针的尺寸仅400纳米。这种表面能排斥各式各样的液体，包括水、油、溶剂和清洁剂。从其展示的照片可以看出，超级防水表面上，托载着三种不同的液滴，从左到右分别是水、乙烯乙二醇和乙醇。在放大镜下看得很清楚，三个液体球都“堆”得很高，显示了超级防水表面排斥液体的高超性能。
研究人员很快就为这种超级防水表面找到了应用领域。例如，可以用在直升飞机的机翼部分，防止高空和严寒环境下的凝结水和冰。
由于新的表面是基于物理的原理来排斥液体的，它对几乎所有的液体都有效就不奇怪了。研究人员甚至想利用它的特性做成“开关”。他们的设计是：通上电流，把液体从长针之间的空隙中吸下来，让它在长针的根基部位散开，液体就“浸淫”到物体的表面了；而取消通电后，超级防水表面排斥液体的特性重又恢复。
（7）研制出钻石型分子结构的纳米级防护涂料。2008年9月，美国先进的内层涂料制造商Sub-One科技公司宣布，近日与雪佛龙科技部门通力合作，以石油加工副产品为原料，开发出一种纳米级的耐腐蚀涂料产品。
据悉，该公司这种内层防护涂料系列产品中的新成员，它的聚合物分子结构呈现出钻石形状（金刚石型）。此类最为坚固的分子结构能够确保该涂层产品具有极佳的耐腐蚀功能，可以广泛地应用于金属内壁、管材内壁，以及其他设备的内部防腐处理中。
研究人员表示，这种钻石型纳米级防护涂料可以有效地延长材料的使用寿命，并且降低材料内壁的摩擦损失，对化学腐蚀和机械磨损都有很好的保护作用。
（8）研制出隔热防腐新型纳米涂料。2009年1月，美国佛罗里达那不勒斯媒体报道，美国工业纳米科技有限公司宣布研制出新一代专利技术产品：水性“纳速来”涂料。该涂料上一代产品一样，具有出色的耐腐蚀和耐化学性能，同时它提高了耐热性能，并且为了方便涂料产品的应用，大大降低了涂料体系的黏度。
该公司市场营销副总裁弗朗西斯·克柔莱伊强调说：“作为新一代的纳米级环氧涂料产品，它的问世将为企业寻找到新的商业机会。实验室的测试数据显示，该产品具有超乎想象的耐火和阻燃性能，并且可以为基材提供有益的耐腐蚀和耐化学性能。”
该公司不久前还宣布，其在美国俄克拉荷马州的分销商获得一份订单，为美国德克萨斯谢尔曼的绿色住宅项目提供“纳速来”涂料。据了解，为了促进谢尔曼地区的经济发展，德克萨斯州决定在2008年一季度开发50个住宅建设项目，“纳速来”涂料将在该工程中发挥重要作用。
2．其他纳米化工产品研制的新进展
（1）制造出世界上第一个纳米阀门。2005年7月，由加利福尼亚大学洛杉矶分校教授杰弗里·青克领导的一个研究小组，在美国《国家科学院学报》上发表论文称，他们制造出世界第一个纳米阀门。这个阀门可以控制分子的进出，研究人员设想将来用它向细胞内输送单个药物分子。
青克研究小组发明的这个纳米阀门由两部分组成。一部分是人工设计的轮烷分子，是阀门的活动开关“芯”；另一部分是500纳米见方的多孔硅物质，是阀门的固定部分，其小孔尺寸只有几纳米。
轮烷是人工设计的旋轮状物质，近年来在纳米技术研究中获得广泛重视。青克研究小组设计的这种开关轮烷包括一个哑铃状的长链、一个能在“哑铃”两头之间来回直线移动的分子环，分子之间的范德华力就可以驱动这个分子环。早先，科学家已验证了这种轮烷能作为微电子开关使用。
研究人员把作为阀门“芯”的轮烷附着在多孔硅的孔口上就构成了阀门。多孔硅物质的小孔尺寸很巧妙，既能够让分子通过，又足以让轮烷的分子环将孔口堵住。这样，当轮烷的分子环被范德华力驱动向上运动时，阀门就处于“开”的状态，分子可以自由通过小孔；而当轮烷分子环向下运动堵住了小孔，阀门就处于“关”的状态。
青克表示，将来可以把这种纳米阀门黏附在细胞膜上，用光控制向细胞内部输送单个药物分子，实现“精确治疗”。
（2）研制出拥有金属有机骨架的纳米化合物。2010年11月，由美国西北大学温伯格学院文理学院化学教授雷泽·斯托达特领导的一个研究小组，在《应用化学》杂志上发表论文称，他们研制出一种新型的金属有机骨架（MOFs）纳米材料，它由玉米淀粉和钾盐的化合物结晶而成，不仅能吸收和存储气体，用于食品工业和医疗技术领域；最神奇的是，该材料对人体和环境完全无害，可以像糖、盐等一样被人食用。
新型可食用的金属有机骨架原材料包括伽马环糊精、氯化钾或苯甲酸钾、美国常青酒等。金属有机骨架是一种有序的格子框架晶体，由有机分子与节点连接而成，结点通常是铜、锌、镍或钴等金属。在它们的大孔隙里，金属有机骨架能有效地存储如氢气或二氧化碳等气体，这在工程科学上具有独特的用处。
斯托达特表示，在金属有机骨架中，均匀对称非常重要。天然材料通常都不具备均匀对称性，所以很难结晶成高度有序而多孔的框架材料。但伽马环糊精解决了这一难题：它由8个不对称的葡萄糖残基排列成一个环状结构，这本身形成了一种对称。把伽马环糊精和钾盐溶化在水中，水分和酒精的蒸发会使混合液结晶。
得到的结晶呈立方体状，由6个伽马环糊精分子在三维空间连接钾离子构成，形成一个多孔骨架，通透性良好，非常适合作为气体或小分子的吸收材料。孔隙部分占了整个固体的54%。研究小组认为，这种前所未有的形状把对称和非对称两种形态嫁接在一起，这种结合方式在其他材料领域也有推广价值。
斯托达特指出，用普通材料生成新奇的纳米化合物不仅对能源存储和环境保护意义深远，对食品质量安全和卫生保健也大有裨益。这种纯天然的纳米化合物材料将赋予厨房化学全新的含义，为人们带来更健康的生活。
（3）利用超薄沸石纳米片造出高效催化剂。2012年6月29日，由美国明尼苏达大学化学工程与材料科学系教授迈克尔·塔萨帕提西斯领导，阿拉伯联合酋长国、韩国及瑞典研究人员参加的一个研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果时称，他们用纳米片研制出一种新型催化剂，能让分子在化学反应中“走高速路”，从而大大提高化学反应效率。新催化剂可广泛用于制造石油、塑料、燃料电池、药品等的化学反应中，有望让这些产业提高效率、降低成本。
研究人员使用高优化的超薄沸石纳米片制造出新催化剂的模型。他们利用一个独特的过程来促进这些纳米片以90度的角度生长，纳米片的这种组合方式能使催化剂的催化速度更快、选择能力更强，且稳定性更好，但其制造成本却同传统催化剂一样甚至更低。
塔萨帕提西斯表示，新催化剂能在化学反应发生时让分子更快同其接触，以此来提高效率。他说：“这就好比我们在日常生活中走高速公路和小路一样，走高速公路当然比走小路更快，效率更高。我们目前使用的催化剂就像小路，分子慢慢移动，而且经常抛锚。新催化剂可以大大降低汽油和其他化学制剂的制造成本。”
此前，明尼苏达大学的研究人员就将超薄的沸石纳米片作为专门的分子筛，用于可回收燃料、化学产品，以及化石燃料和产品的制造过程中。最新发现就建立在此前研究的基础之上。明尼苏达的新兴企业Argilex技术公司获得最新突破的专利权。目前，新催化剂的研发过程已经完成，研究小组正在对其进行商业测试。
塔萨帕提西斯表示：“这项最新发现将对石油、制药等工业产生重大影响。我们使用的每滴汽油，在提炼过程中，都需要催化剂将油分子变成有用的汽油。”
（4）首次用纳米棒研制出能自愈聚合物凝胶。2013年11月，由美国匹兹堡大学斯万森工程学院化学和石油工程教授安娜·巴拉兹领导，纳米材料专家雍新等人参与的一个研究小组，在《纳米快报》杂志上发表研究成果时称，他们研制出的新凝胶能使复杂的物品自我修复。这意味着，桌腿破裂不必拿去修理，手机摔碎不必换新的，它们能自愈，能够自我修复受损的部位或丢失的零件。
巴拉兹表示：“尽管此前已有科学家研制出了能修理小瑕疵的材料，但还没有人研制出能让受损物品大面积再生的系统，最新研究有望大大提高物品的使用寿命。”
该研究小组受到四肢能再生的两栖动物的启发，这类组织再生由三个关键的指令系统引导：开始、蔓延、终止，巴拉兹称为“美妙的动态级联过程”，并希望在合成材料内复制这一过程。巴拉兹说：“我们需要研发出一套系统，它首先能感知材料的移除并启动再生过程，接着让这一过程不断蔓延，直到材料达到理想的大小，然后终止。”
巴拉兹表示：“最大的挑战是为合成材料提供输送组织，生物有机体拥有循环系统来实现血细胞和遗传物质等的输送，但合成材料没有这样的系统，因此，我们需要研制出类似于传感器的器件，来启动并控制整个过程。”
雍新等研制出的计算模型可以对整个过程进行控制，使再生凝胶的外观和表现与其替代的凝胶一样，并终止该反应。巴拉兹说：“整个过程最完美也最具挑战性的部分是设计出能承担不同任务的纳米棒，它们是整个动态级联过程的关键，其厚约10纳米。”
他们计划改进整个过程，并增强新、旧凝胶之间的结合，这一点受巨杉树的启发。巴拉兹解释道：“每棵巨杉树都拥有中空的根部系统，当它们生长时，这些根部系统会相互交织，为树木生长提供支撑。同样，纳米棒的边缘也能让再生的材料变得更强韧。”
研究人员表示，更进一步的研究重点是让这一过程最优化，以生长出多层，最终制造出拥有多重功能的更复杂材料。
四、纳米医学产品制造的新进展
1．用纳米材料研制人造肌肉与皮肤的新成果
（1）用纳米材料研制出超强的人造肌肉。2006年3月，由美国德克萨斯州立大学纳米技术研究所与韩国研究人员联合组成的一个研究小组，在《科学》上发表论文说，他们用纳米材料研制出一种超强的人造肌肉，将来可被用于制作更先进的假肢。
研究人员指出，他们研制的人造肌肉由酒精和氢提供动力，其强度是人体上的真骨肉的100倍。这种人造骨肉还可以用在“外骨骼”上，让消防员、士兵和宇航员等特殊行业人士拥有超人的力量。
研究小组对两种类型的肌肉进行研究，发现两种骨肉都在消耗氧气的同时，释放出氢和酒精等燃料的化学能。他们在试验中首先用纳米材料仿制出骨肉“呼吸”的第一阶段，也就是“吸进氧气”的阶段。目前的人造肌肉由电池驱动。但需要指出的是，研究小组研制的两种人造肌肉都由电线、悬臂和玻璃瓶子组成，从外观看并不像正常的肌肉。
这里，力量最大的肌肉称作“短接电池肌肉”，它将化学能转化成热能，使一种特殊形状的纳米记忆金属合金收缩。减少热量，肌肉就会放松。在实验室进行的试验显示，这些装置的举力是正常的骨骼肌肉的100倍以上。这个小组正在研制的另一种肌肉是将化学能转化成电能，在这个过程中，使碳纳米管电极制作的一种材料弯曲。
（2）用纳米线研制可感知轻微触摸的人造皮肤。2010年9月12日，由美国加利福尼亚大学伯克利分校纳米材料专家阿里领导的一个研究小组，在《自然·材料》杂志刊登研究成果称，他们采用接触印刷技术，使用网格半导体纳米线，制造出一种非常灵活的压力敏感橡胶，其在压力下可感知电阻的变化。
在一个约7平方厘米的正方形网格中，交叉纵横的纳米线可以作为晶体管。每个晶体管就像一个像素，可读出压力在每个位置所引起的电流变化。由于该设备主要由橡胶构成，所以可以弯曲；更由于采用的是非常小的无机半导体，因此，该设备也非常灵活。研究人员把它弯曲为U形，当上端仅余5毫米空隙时，传感器依然有效。
研究人员表示，真正的人造皮肤应当与人类的皮肤相似，不仅能感知压力、可弯曲、有弹性，还应当有许多其他的功能，比如能够像人类皮肤一样，感受到由抓挠等侧压产生的压力，可以与人类的大脑整合到一起等。
不过，研究人员相信，这种用纳米线研制的人造皮肤，将很快应用于机器人领域。有关专家认为，虽然制造出真正的人造皮肤还面临着巨大的挑战，但这个研究小组的工作已经把人类带入到智能材料时代。
2．用纳米技术研制医学检测试纸的新进展
（1）利用纳米和生物技术开发快速检测病原体试纸。2006年9月，由美国科内尔大学纺织和服装助理教授玛格丽特·弗芮博士与她的同事组成的一个研究小组，在美国化学学会第232次全国会议上发表研究报告称，他们正利用纳米和生物技术开发一种能够检测细菌、病毒和其他有害物质的试纸。一旦开发工作全部结束，今后，人们只需用该试纸擦一下被检测的物品，就能知道其上是否带有细菌等有害物，并将它们识别出来。
研究人员开发的具有吸附能力的试纸内包含着带有多种生物有害物抗体的纳米纤维，原则上可以在任何地方使用，以迅速发现肉类包装车间、医院、游艇、飞机和其他易受污染地方的病原体。目前，这种试纸正在实验室接受测试。
弗芮说：“这种试纸将十分便宜，人们不需经过复杂培训就可以使用它，同时可以用在任何地方。比如说，在肉类包装车间，你可以用它擦一下你面前的牛肉饼，就能很快知道它上面是否带有大肠杆菌。”如果检测到生物有害物，可以采取相应措施清洗车间，并重新检测是否清除了污染。
在实验中，弗芮研究小组开发出了直径在100纳米至2微米间的纳米纤维，并在纤维上构造出由生物素、维生素B和链霉抗生物素蛋白组成的平台，以让抗体存留其上。纳米纤维由聚乳酸制成，为降低成本，其中还添加了普通的纸产品。弗芮介绍说，纳米纤维的基本作用如同海绵，能蘸液体和擦物体。在使用后，纤维上的抗体就会有选择性地“锁住”相对应的病原体。从理论上讲，利用这种方式，人们可以快速检测出多种有害物，无论它是禽流感、疯牛病还是炭疽病毒。
目前，需要不同的几项步骤才能识别病原体。弗芮研究小组希望在对试纸进行更深层开发后能够十分容易地识别病原体，如通过颜色的变化等方式。不过，弗芮同时表示，这种产品也许还需要数年时间才能推向市场。
（2）开发出可快速检测高危血栓的纳米尿检试纸。2013年10月，由美国麻省理工学院有关研究人员组成的一个研究小组，在美国化学会《纳米》杂志发表研究消息称，他们基于纳米技术开发出一种简单的尿检试纸，可快速检测出血液中的凝块。
血液凝固是由一系列复杂的级联蛋白质相互作用，以形成一种能密封伤口的纤维蛋白质。这个过程中的最后一步是纤维蛋白原转化为纤维蛋白，由一种叫作凝血酶的酶控制。
该研究成果被描述为一种非侵入式诊断，它依靠纳米粒子检测一个关键凝血因子即凝血酶的存在。既有的血液测试以纤维蛋白副产物为标记物，不能连贯地检测到新凝块的形成，而新方法以凝血酶为标记物，可用一种可注射的纳米粒子快速识别。
研究人员说，实验中使用了已获美国食品药品管理局批准的氧化铁纳米粒子、涂有专门与凝血酶肽（短蛋白质）相互作用的多肽。纳米粒子被注入老鼠体内后，会经过整个鼠体。当粒子遇到凝血酶，凝血酶在特定的位置上裂解肽类，释放的片段最终顺着动物的尿液排出。
研究人员在处理收集的尿液样本时，采用含有特定多肽标记物抗体的碎片识别这些蛋白质片段，发现尿液中这些标记物的数量与凝固在小鼠肺中的血液凝块水平成正比。2012年发布的研究成果是利用质谱仪对片段质量分析进行区分，而最新研究成果用抗体测试样本，更为简单且便宜。
这种尿样测试有两种应用前景：一是在急诊室，用来筛查可能有血块症状的患者，允许医生迅速分诊并确定其是否需要更多的测试；二是监测具有高危血栓的患者，如手术后不得不卧床康复的患者。这种尿液试纸测试如同怀孕测试，医生可在患者术后回家时开给他们。此外，这项技术也可以用于预测血栓的复发。
3．纳米疫苗研制的新成果
（1）设计出能更有效激发免疫反应的纳米疫苗。2011年2月，由美国麻省理工大学材料科学工程与生物工程副教授达雷尔·欧文领导的一个研究小组，在《自然·材料学》杂志上发表研究成果称，他们设计出一种新型纳米粒子，可安全高效地传送抗艾滋病病毒和疟疾等疾病的疫苗，并能更有效地激发机体免疫反应。
这种新型纳米疫苗由纳米粒子构成，它的中心有一个脂质球，能携带人工合成的蛋白质，这些合成粒子能引发强烈的免疫反应。欧文说，这跟活性病毒造成的免疫反应相仿，但更加安全。
设计疫苗时，研究人员需要激发机体两个主要免疫反应中的一个：激活T细胞攻击被病毒感染的体细胞；或激活B细胞，这是血液或其他体液中针对病毒或细菌的秘密抗体。
对那些喜欢待在细胞内部的病毒，比如艾滋病病毒，需要激发“杀手”T细胞的强烈反应，让它们杀灭病毒或让病毒丧失活性。但事实上，这种方法并不能有效对付艾滋病病毒，因为艾滋病病毒很难杀灭。为此，科学家一直在研制艾滋病病毒、B型肝炎等病毒的人工合成疫苗。
虽然人工疫苗安全性更高，却很难引发强烈的T细胞反应。此前，科学家曾打算将疫苗装在一种叫作脂质体的油脂小粒中，以加强T细胞反应。但这些脂质体在血液和体液中很不稳定。
欧文研究小组研制出一种纳米粒子，能把多种脂粒聚集在一起。一旦脂质体聚集，相邻的脂质体壁就会通过化学作用粘在一起，使整体结构更稳定，注射之后短期内很难裂开。一旦纳米粒子被细胞吸收，它们就会很快分解，释放出疫苗引发T细胞反应。
欧文和沃特·里德军事研究院合作，在小鼠身上测试这种纳米粒子传送疟疾疫苗的能力。他们发现在低剂量疫苗作用下，3个免疫过程产生了强烈的T细胞反应，免疫之后，小鼠体内30%的杀手T细胞对疫苗蛋白产生了特效作用。
欧文指出，这是由蛋白质疫苗产生的最强T细胞反应之一，可以和病毒疫苗相比，粒子引发了强烈的抗体反应。佐治亚理工学院副教授尼伦·默西也表示，这种新粒子的出现是一个很大的进步，但在激发人体抗病免疫反应方面还需要更多实验。
除了疟疾疫苗，欧文还与麻省理工里根研究院、哈佛大学和麻省总医院等机构合作，把这种方法用于传送抗癌疫苗。
（2）开发出能大量吸收成孔毒素的“纳米海绵疫苗”。2013年12月，由美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校雅各布工程学院纳米工程教授张良方主持的一个研究小组，在《自然·纳米技术》上发表论文称，他们开发出一种“纳米海绵疫苗”，经小鼠实验证明，它能大量吸收耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）产生的，无论在血管还是在皮肤的成孔毒素，因此能预防金黄色葡萄球菌放出的alpha-溶血素造成的影响恶化，可作为一种安全高效的抗毒素疫苗。
纳米海绵是在“类毒素疫苗”平台的基础上开发出来的一种生物兼容粒子。其内核是高分子聚合物，外面包裹着红细胞膜，直径约85纳米，1000个疫苗才有一根头发粗细。在注射后2周左右，就能从体内排清。
每个红细胞膜都能“抓住”并“扣留”金黄色葡萄球菌放出的alpha-溶血素，不需要通过热处理或化学反应破坏毒素结构。嵌入毒素颗粒后，纳米海绵能作为疫苗，引发小鼠免疫系统的抗体与毒素中和，使注射了致死剂量毒素的小鼠免于死亡。
类毒素疫苗对抗的是毒素或毒素组，而不是产生该毒素的细菌。细菌变异会使抗生素抗性下降，而类毒素疫苗提供了一种有前景的方法，不会对抗生素产生依赖。张良方表示：“直接瞄准alpha-溶血素还有另一个好处，因为这些毒素生成有毒环境作为防御机制，让免疫系统在对抗金黄色葡萄球菌时更加困难。”
除了MRSA和其他金黄色葡萄球菌感染之外，纳米海绵疫苗的方法还能用于生产抗多种毒素的疫苗，包括大肠杆菌和幽门螺杆菌。而且，纳米海绵疫苗比由热处理金黄色葡萄球菌制成的类毒素疫苗更加安全高效。经一次注射后，使用热处理类毒素疫苗的小鼠，仅10%生存下来，而用纳米海绵疫苗的小鼠生存率达50%；经两次加强注射，纳米海绵疫苗小鼠的生存率达到100%，热处理类毒素疫苗小鼠为90%。
本成果是研究小组2013年年初所提出的“吸收体内多种成孔毒素的纳米海绵——从细菌蛋白质到蛇毒”项目的连接。成孔毒素会在细胞膜上造孔，使细胞泄漏而死亡。它们非常强大，能杀死免疫细胞，因此大部分候选疫苗只能用加热或化学处理破坏它的某些蛋白，以削弱其毒性，但这也会削弱对抗毒素的免疫反应。
4．纳米药物研制的新进展
（1）研制出可在身体内行走的纳米级胶囊。2006年3月，由美国伊利诺斯州大学材料科学系史蒂夫·格冉尼克教授领导，他的研究生张亮方为主要成员的一个研究小组，在刊物上发表研究成果称，他们创造性地利用油脂和纳米粒子混合，以新方法研制出纳米级胶囊。纳米级胶囊可用于制造新药和农业方面需要的新材料。
格冉尼克表示，他们研制的纳米级胶囊是利用生物适应性材料获得的。与目前广泛使用的胶囊相比，纳米级胶囊更能稳定油脂，解决人工油脂空心胶囊的技术难题。油脂是组成细胞膜的基本物质。在过去，制作有效的人工油脂空心胶囊是不可能实现的事，其重要原因是人工油脂空心胶囊很不稳定。该研究小组研制的纳米级胶囊，则具有较好稳定油脂和阻止其解体的性能。
据介绍，为稳定油脂，研究小组首先配制好由尺寸特别的油脂胶囊所组成的淡溶液，把化学物质装入油脂胶囊，或者在胶囊表面吸附一定分子后，再加入带电荷的纳米粒子。这样，进入溶液的纳米粒子很快便吸附在胶囊上，阻止胶囊不断“长大”，从而达到将它们控制在理想尺寸范围内的目的。
研究小组为了测试新方法的效果，把荧光染料装入纳米级油脂胶囊中，结果发现纳米级胶囊没有出现泄漏现象，而且油脂在溶化时也被证明相当稳定。格冉尼克说：“这为在医疗和农业领域中使用生物适应性胶囊输送药物等打开了大门。”
研究小组介绍说，具有生物适应性的胶囊能够装载酶、DNA、蛋白质和药物分子，并在生命体中“行走”，也可作为人体内进行酶催化反应的替代“工厂”。同时通过将生物分子吸附在胶囊的表面，人们便可制造出胶囊大小的生物传感器。此外，稳定的油脂胶囊还能用来研究药物的作用方式。
（2）研制出新的纳米银抗菌整理剂。2006年10月，有关媒体报道，美国伊士曼·柯达公司经过精心研发，在近日推出新一代纳米银抗菌整理剂，它是本年度最新推出的抗菌产品，已由专营公司负责推广应用和技术服务。它已通过美国国家环保署的认证。
这种纳米银抗菌整理剂与市场上常用的传统化学抗菌整理剂相比，具有广谱抗菌、高效杀菌、不会引起病原体产生抗体和安全可靠的特点。文献记载和研究资料表明，银离子可以杀灭的细菌和真菌类多达30多种，因而具有广谱抗菌作用。据测试，使用该产品整理的纺织材料，通过标准水洗方法50次后的杀菌有效率仍达到99%以上。
纳米银抗菌整理剂的抗菌机理是纳米银颗粒与细菌的DNA结合，中断其复制能力，阻止微生物繁殖。它可以干扰微生物所需的基本呼吸链，使微生物细胞发生破裂而死亡。
（3）制成基于核糖核酸支架的生物纳米药物递送系统。2010年8月，由美国加利福尼亚大学大学圣塔芭芭拉分校化学和生物化学副教授卢斯·耶格领导的一个研究小组，在《自然·纳米技术》杂志上发表论文称，他们找到了一种方法可以让纳米大小、能够对抗疾病的RNA（核糖核酸）分子，自我组装成具有治疗效果的纳米生物支架。得到的支架除了具有很好的功能扩展性，还可用作“桥梁”，向人体递送抗病药物。
耶格研究小组研制出的这种三维核糖核酸纳米生物支架其直径仅为13纳米，由短链的寡核苷酸组成，因此，这种支架可以被化学药物所接受，可用来递送化学药品；另外，科学家也可以修改寡核苷酸的数量来完善该支架的功能，并且精确控制支架的大小和形状。
研究人员还证实，这些核糖核酸分子可以在试管中37℃的恒温环境下，自我组装成纳米生物支架，因此，该生物支架将在纳米生物医学领域大有用武之地，可以用来制造纳米传感器、药品包装材料和药物递送系统等。
耶格解释道，新纳米技术的进步主要利用了细胞中核糖核酸的作用。他表示：在人类基因组中超过90%的部分被转录成核糖核酸，很显然，核糖核酸是生命赖以生存的最重要生物高聚物之一，在很多与健康有关的生物活动中起着重要作用。
耶格研究小组打算在实验室中使用该核糖核酸支架向人体递送沉默的核糖核酸和具有治疗效果的核糖核酸配基，以攻击癌症和其他疾病。这里的配基是一段能与各种目标分子高亲和、高特异结合的核酸序列。该研究小组相信，基于核糖核酸支架的生物纳米药物递送系统比使用人工合成的药物递送系统更安全，人工合成药物递送系统可能会带来很多无法预料的副作用。
（4）发明能搭载细胞修复伤口的可降解纳米球。2011年4月，由美国密歇根大学生物材料系终身教授皮特·马领导的一个研究小组，在《自然·材料学》杂志网络版上发表研究成果称，他们首次成功制造出可生物降解的新型聚合物，这种聚合物能自我组装成中空的纳米纤维球，把这种纤维球和细胞一起注射入伤口时，纤维球会生物降解，而细胞则活下来形成新组织。
皮特·马表示，这种纳米纤维球能模拟细胞的自然生长环境，因此可作为细胞载体，把细胞送到伤口处，这是组织修复领域的重要进步。
由于缺乏足够的捐赠组织，以及现有治疗受损软骨的方法效果有限，该技术有望为一些软骨受损患者带来福音。目前，修复受损软骨的技术是把患者自己的细胞直接注入患者体内，没有模拟该细胞的自然生长环境并把细胞运送入体内的载体，注入体内的细胞稀稀拉拉，治疗效果因此并不乐观。
这种纳米纤维微球有很多孔隙，使营养物质很容易进入其中，同时，它也承当了细胞基质的功能，而且也不会产生伤害细胞的降解副产品。
研究人员先把这种中空的纳米纤维微球同细胞结合在一起，随后把它注射入伤口，当这些仅仅比它携带的细胞大一点的纳米纤维球在伤口处降解时，它携带的细胞已开始很好地生长，因为这些纳米纤维球提供了一个让细胞茁壮生长的环境。皮特·马表示，这是研究人员首次制造出能够注入体内的复杂细胞基质。在对实验鼠进行测试的过程中，这种纳米纤维球修复组生长出的组织是控制组的3倍到4倍。
为了修复形状复杂或怪异的组织缺陷，要求注射入体内的细胞载体大小非常精准，而且尽量不要进行手术。皮特·马研究小组一直试图通过仿生方法，使用能进行生物降解的纳米纤维设计出细胞基质，也就是在细胞生长并形成组织的过程中为其提供支撑的一套系统。
5．用纳米技术研制的临床使用新器材
2008年3月，由美国麻省理工学院的卫生科学部生物工程学家罗伯特·兰格、杰弗里·卡普教授领导，波士顿医院研究人员参与的一个研究小组，运用仿生纳米结构开发出一种具有弹性的、可生物降解的胶贴。这种仿生纳米胶贴能取代外科手术的缝线及缝钉，也可制成药物控释贴片，直接安放在包括心脏在内的器官上。已在小鼠身上经过测试的这种仿生纳米胶贴可在小鼠体内慢慢分解，且不会造成任何刺激。
该胶贴的灵感来自壁虎的足部，这种爬行动物可沿着天花板步行，或顺着光滑的墙壁上下攀行。壁虎脚趾具有黏性是因为脚趾上有数以百万计的灵活的纳米柱，这使得它们具有非常大的表面积。这种胶贴也是依靠纳米尺度的柱体和化学胶水制成的，它是第一种能呈现出良好黏性强度和动物安全性的胶贴。
这种胶贴由一种能嵌以药物的可生物降解弹性体制成。为制作这种胶贴，研究人员把液态聚合物注入遍布200～500纳米宽凹孔的微型硅模，然后再用具有生物相容性的葡聚糖胶水对模化、变硬的聚合物进行旋涂。当胶贴被使用时，毛细管的力量将组织拉入柱体间的空间，这些柱体也具有一些微弱的电荷引力，这样葡聚糖胶就黏附在组织蛋白上。
研究人员称，要制作这种对医学应用既安全又有效的壁虎贴，极具挑战性。大多数仿壁虎的黏合剂，像设计用于帮助机器人爬墙的黏合剂，在工程上只能工作在平滑、坚硬的表面。对这些类型的应用来说，黏合剂的重复使用是很重要的。这种医用仿生纳米胶贴只需用一次，要求必须黏得牢。但要获得对身体组织的高黏度是很难做到的，因为这些组织表面又湿又软又滑还很粗糙。
相对于传统医学上用缝线和缝钉来缝合伤口，这种仿生纳米胶贴的优势就是没有创口，且容易安放。缝线和缝钉要穿过组织可能造成坏死性损伤，而且还要沿着创口仔细地安放，每缝一针就要重新调整一下组织。而使用这种胶贴只需一个动作，贴上创口就万事大吉，这大大缩短了病患者躺在手术台上的时间。这种仿生纳米胶贴在医生进行腹腔镜手术时也大有用场，腹腔镜手术要穿过一个小孔，要在这么小的地方打结是非常困难的，这时医生只需将仿生纳米胶贴展开，用腹腔镜针将其贴在需要的地方即可。
这种仿生纳米胶贴的另一个用途是，可在胃分流手术需要切除一段胃肠道时对手术缝线和缝钉进行加固。手术发生并发症的可能性虽不高，但胃肠道是最薄弱的地方，仿生纳米胶贴可释放抗生素和药物来促进愈合。
该仿生纳米胶贴也可简单地用作药物贴片，甚至是用在像心脏这样能舒展和收缩的组织内。因为这种仿生纳米胶贴具有弹性，所以它能承受心脏产生的机械力。心脏病发作后，病患通常会有一块受损组织区域无法获得足够的氧气，这可导致心脏衰竭。给心脏的受损区域注射干细胞生长因子可促进组织再生，但这种方法需要刺穿心脏，也能造成危险。研究人员称，使用这种医用贴片就能非常有效地释放这些生长因子，从而降低了病患的风险。