现代科技概论之——现代自然科学的深入发展与现代高新技术课件

现代科技概论现代科技概论之之现代自然科学深入发展和新技术革现代自然科学深入发展和新技术革命的兴起命的兴起1微观世界探讨与粒子物理学的兴起微观世界探讨与粒子物理学的兴起现代各类科学的向前推进现代各类科学的向前推进现代复杂性科学的产生现代复杂性科学的产生现代（高）新技术现代（高）新技术2粒子物理学研究的兴起粒子物理学研究的兴起在微观粒子领域，除了已经发现的电子、质子、中子、光在微观粒子领域，除了已经发现的电子、质子、中子、光子外，又发现了子外，又发现了400多种基本粒子；多种基本粒子；为了探讨微观物质内部结构，必须对其进行为了探讨微观物质内部结构，必须对其进行“切割切割”，才，才能释放微观粒子内部更小的粒子，因此必须有高能能释放微观粒子内部更小的粒子，因此必须有高能“轰击轰击”炮弹，卢瑟福就是用炮弹，卢瑟福就是用射射线轰击原子而原子而发现原子核的。原子核的。因此，因此，产生生“高能炮高能炮弹”的各的各类加速器相加速器相继被制造，如被制造，如直线直线加速器、回旋加速器、电子对撞机，其作用就是对粒子实加速器、回旋加速器、电子对撞机，其作用就是对粒子实现加速，之后去轰击微观粒子，产生所需要的更微小的粒现加速，之后去轰击微观粒子，产生所需要的更微小的粒子，加速器成为现代粒子物理学研究中必不可少的手段。子，加速器成为现代粒子物理学研究中必不可少的手段。随着对于粒子认识的深入，人们开始研究自然界迄今为止随着对于粒子认识的深入，人们开始研究自然界迄今为止发现的四种力：引力、电磁力、粒子间的强相互作用力、发现的四种力：引力、电磁力、粒子间的强相互作用力、弱相互作用力；弱相互作用力；3物理学革命后现代自然科学的物理学革命后现代自然科学的全面深入发展全面深入发展4现代天文学现代天文学1、侧重对天体演化理论的研究、侧重对天体演化理论的研究（一是确认我们周围的可观测宇宙是动态的和一是确认我们周围的可观测宇宙是动态的和演化的，而不是宁静的和永恒不变的；二是从观测上和理论上判明恒星的演化的，而不是宁静的和永恒不变的；二是从观测上和理论上判明恒星的结构和能源以及起源和演化结构和能源以及起源和演化）；）；2、现代宇宙学、现代宇宙学（现代天文学已经成为地面观测和空间探索相辅相成，形成天现代天文学已经成为地面观测和空间探索相辅相成，形成天体物理学，以光学天文、射电天文和空间天文作为三大支柱的全波段宇宙体物理学，以光学天文、射电天文和空间天文作为三大支柱的全波段宇宙科学）；科学）；3、暗能量的发现，古老星系的测定，宇宙年龄与性状的测定、暗能量的发现，古老星系的测定，宇宙年龄与性状的测定（人类看到（人类看到的宇宙不足总体宇宙的的宇宙不足总体宇宙的10%，暗物质的总质量是物质的，暗物质的总质量是物质的6倍。暗物质无法直倍。暗物质无法直接观察，却能干扰我们已知的宇宙天体的光波和引力。人们还发现了迄今接观察，却能干扰我们已知的宇宙天体的光波和引力。人们还发现了迄今为止最遥远、也是最古老的星系，它距离地球为止最遥远、也是最古老的星系，它距离地球129亿光年。宇宙年龄为亿光年。宇宙年龄为141亿岁。宇宙有限形如足球。大约只有亿岁。宇宙有限形如足球。大约只有70亿光年宽度，形状为五边形组成的亿光年宽度，形状为五边形组成的12面体，犹如足球）；面体，犹如足球）；4.宇宙模型的研究（牛顿：无限宇宙；爱因斯坦：有限无界静态；哈伯：膨胀的宇宙模型的研究（牛顿：无限宇宙；爱因斯坦：有限无界静态；哈伯：膨胀的动态宇宙；伽莫夫：大爆炸宇宙）动态宇宙；伽莫夫：大爆炸宇宙）5现代化学现代化学1、元素周期律的发展（原子序数的提出：原子序数是一个原子核内质子、元素周期律的发展（原子序数的提出：原子序数是一个原子核内质子的数量，拥有同一原子序数的原子属于同一化学元素。现代化学认的数量，拥有同一原子序数的原子属于同一化学元素。现代化学认为，决定元素化学性质的是原子序数，而不是原子量即原子的质量为，决定元素化学性质的是原子序数，而不是原子量即原子的质量。1916年，德国化学家柯塞尔首先以原子序数代替原子量制作出新年，德国化学家柯塞尔首先以原子序数代替原子量制作出新的元素周期表。此后，元素周期表被逐渐扩大，使周期表中的元素的元素周期表。此后，元素周期表被逐渐扩大，使周期表中的元素目前达到目前达到118号）；号）；2、分析化学的出现（用化学、物理、数学和生物学等科学原理和方法，、分析化学的出现（用化学、物理、数学和生物学等科学原理和方法，对物质的无机和有机组成、结构等进行分析）；对物质的无机和有机组成、结构等进行分析）；3、大气化学和环境化学（应用化学的发展，如空气或水中的颗粒物问题；、大气化学和环境化学（应用化学的发展，如空气或水中的颗粒物问题；消毒副产物及其污染与引水健康问题；改善生态系统风险评价方法消毒副产物及其污染与引水健康问题；改善生态系统风险评价方法问题；形成了环境污染化学、环境工程化学和环境分析化学等分支问题；形成了环境污染化学、环境工程化学和环境分析化学等分支学科）学科）4、量子化学（通过量子力学计算研究原子、分子微观性质和结构，改变、量子化学（通过量子力学计算研究原子、分子微观性质和结构，改变传统的依赖实验方法进行化学研究的被动性，提高化学研究预见性。传统的依赖实验方法进行化学研究的被动性，提高化学研究预见性。“分子设计分子设计”概念被提出，预先设计出迎合人们需要的新材料、新概念被提出，预先设计出迎合人们需要的新材料、新试剂、新药物等）试剂、新药物等）5、晶体结构的测定及胰岛素的人工合成（、晶体结构的测定及胰岛素的人工合成（1912年，劳厄和布拉格父子创年，劳厄和布拉格父子创立了立了X射线衍射法，开辟了晶体研究的新纪元。射线衍射法，开辟了晶体研究的新纪元。1955年，英国人桑年，英国人桑格测定了最简单的蛋白质格测定了最简单的蛋白质牛胰岛素的结构，认识到了蛋白质中牛胰岛素的结构，认识到了蛋白质中氨基酸的结合顺序，开创了人工合成胰岛素的新时代）氨基酸的结合顺序，开创了人工合成胰岛素的新时代）6现代数学现代数学现代数学的发展有两大趋势：现代数学的发展有两大趋势：一是数学更加理论化，所研究的数学对象更加抽象，如概率论与数理统计、一是数学更加理论化，所研究的数学对象更加抽象，如概率论与数理统计、运筹学、泛函分析、突变理论、数理逻辑、模糊数学、非标准分析。运筹学、泛函分析、突变理论、数理逻辑、模糊数学、非标准分析。二是数学与其他自然科学、技术、生产以及社会知识领域的关系更加密切，二是数学与其他自然科学、技术、生产以及社会知识领域的关系更加密切，几乎触及或深入到各行各业，甚至成为它们的不可分割的组成部分。几乎触及或深入到各行各业，甚至成为它们的不可分割的组成部分。康德康德：“自然科学的发展取决于其方法与内容和数学结合的程度，数学成自然科学的发展取决于其方法与内容和数学结合的程度，数学成为打开知识大门的金钥匙，成为科学的皇后为打开知识大门的金钥匙，成为科学的皇后”。培根培根：“读史使人明智，读诗使人灵秀，数学使人周密，科学使人深刻，读史使人明智，读诗使人灵秀，数学使人周密，科学使人深刻，伦理学使人庄重。逻辑修辞之学使人善辩。凡有所学，皆成性格伦理学使人庄重。逻辑修辞之学使人善辩。凡有所学，皆成性格”。华罗庚华罗庚：“宇宙之大，核子之微，火箭之速，日用之繁，无处不用数学宇宙之大，核子之微，火箭之速，日用之繁，无处不用数学”。钱学森钱学森：“现代科学技术不管哪一部门都离不开数学，离不开数学科学的现代科学技术不管哪一部门都离不开数学，离不开数学科学的一门或几门学科一门或几门学科”。7现代生物学现代生物学1、遗传基因理论的建立及遗传之谜的破解；、遗传基因理论的建立及遗传之谜的破解；2、分子生物学与生物改造技术的兴起：分子水平上对生物的改、分子生物学与生物改造技术的兴起：分子水平上对生物的改造。包括分子分类学造。包括分子分类学在分子水平上通过在分子水平上通过DNA序列的不序列的不同对生物进行分类；分子神经生物学同对生物进行分类；分子神经生物学通过通过DNA和蛋白和蛋白质的合成实现记忆存储、转移或者优化；生物改造技术质的合成实现记忆存储、转移或者优化；生物改造技术遗传工程。遗传工程。8现代生物科学技术现代生物科学技术生物技术不仅直接建立在分子生物学和细胞生物学的原理生物技术不仅直接建立在分子生物学和细胞生物学的原理之上，而且是分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、之上，而且是分子生物学、微生物学、生物化学、遗传学、细胞生物学、化学工程学、医药学、材料科学等多学科交细胞生物学、化学工程学、医药学、材料科学等多学科交叉的综合性技术学科。它包括：叉的综合性技术学科。它包括：基因工程基因工程细胞工程细胞工程微生物工程微生物工程酶工程酶工程 91）基因工程）基因工程基因重组（基因重组（通过基因组合，设计新的动植物品种）通过基因组合，设计新的动植物品种）基因疗法基因疗法 （对各种遗传病和恶性病进行基因治疗和调控）（对各种遗传病和恶性病进行基因治疗和调控）人类基因组计划（人类基因组计划（HGP）人类基因组计划人类基因组计划(human genome project，HGP)被称为继被称为继“曼哈顿原子弹计划曼哈顿原子弹计划”和和“阿波罗登月计划阿波罗登月计划”后的第三大科学计划。后的第三大科学计划。这一国际大合作项目由这一国际大合作项目由18个国家相继参与，按照分个国家相继参与，按照分工完成全部人类基因测试，美国承担工完成全部人类基因测试，美国承担54、英国为、英国为33、日本为、日本为7、法国为、法国为2.8、德国为、德国为2.2、中国为、中国为1，这是迄今为止在生命科学领域中最宏大的，这是迄今为止在生命科学领域中最宏大的研究计划。研究计划。转基因动物、转基因植物转基因动物、转基因植物）（将其它基因转入某种植物基因中，）（将其它基因转入某种植物基因中，对抗虫性等的提高）对抗虫性等的提高）、转基因食品、转基因食品（工程食品，将某些生物的（工程食品，将某些生物的基因转移到其它物种中去，改造生物遗传性状，在消费品质方面满足基因转移到其它物种中去，改造生物遗传性状，在消费品质方面满足人类需要人类需要10基因重组人生长激素基因重组人生长激素克隆在老鼠身上的人造耳朵克隆在老鼠身上的人造耳朵2）细胞工程）细胞工程 在细胞水平上运用生物学及工程设计手段，改造细胞遗传结构，培育具在细胞水平上运用生物学及工程设计手段，改造细胞遗传结构，培育具有新性状的品种。它包括：有新性状的品种。它包括：细胞培养细胞培养：培养植物的体细胞，然后移植到受体细胞中，提：培养植物的体细胞，然后移植到受体细胞中，提高性状比如抗病与生产繁殖能力；高性状比如抗病与生产繁殖能力；细胞融合细胞融合：使两种细胞融合，形成新的动植物品种，并提高：使两种细胞融合，形成新的动植物品种，并提高生物性状；生物性状；胚胎工程胚胎工程：通过体细胞融合，培养优良品种，或形成新的物：通过体细胞融合，培养优良品种，或形成新的物种；种；组织工程与胚胎干细胞组织工程与胚胎干细胞：利用细胞的全能性，即任何一个细：利用细胞的全能性，即任何一个细胞，都包含其个体的全部遗传信息。通过细胞基因的定向胞，都包含其个体的全部遗传信息。通过细胞基因的定向诱导，产生新的器官和组织，实行替代；诱导，产生新的器官和组织，实行替代；1999年，胚胎干年，胚胎干细胞研究被评为当年十大科学研究成就之首。细胞研究被评为当年十大科学研究成就之首。11122007年年3月，美国内华达大学的伊斯梅尔月，美国内华达大学的伊斯梅尔赞加尼教授领导的研究小组赞加尼教授领导的研究小组在进行了在进行了7年艰苦探索后，培育出了世界上第一只人兽混种绵羊，它年艰苦探索后，培育出了世界上第一只人兽混种绵羊，它的体内含有的体内含有15的人类细胞，动物细胞比例为的人类细胞，动物细胞比例为85。美国这项研究。美国这项研究的最终目标是在绵羊体内的最终目标是在绵羊体内“种种”出病人需要的各种可移植器官，如果这出病人需要的各种可移植器官，如果这一目标实现，人类将彻底解决可移植器官供应短缺的问题。一目标实现，人类将彻底解决可移植器官供应短缺的问题。3）微生物工程微生物工程（发酵工程）（发酵工程）利用某些微生物的特定功能，通过现代工程技术手段，使之产生有用物利用某些微生物的特定功能，通过现代工程技术手段，使之产生有用物质，或直接把微生物用于工业化生产。质，或直接把微生物用于工业化生产。4）酶工程酶工程酶酶(enzyme)是生物体产生的一种特殊蛋白质，是生物体内进行新陈代谢是生物体产生的一种特殊蛋白质，是生物体内进行新陈代谢不可缺少的催化剂，它催化某个化学反应发生而本身在反应前后无明显不可缺少的催化剂，它催化某个化学反应发生而本身在反应前后无明显变化。利用酶的催化功能转化原料，用于食品、医药、化工、环境保护变化。利用酶的催化功能转化原料，用于食品、医药、化工、环境保护等。等。13发酵工程发酵工程基因工程和生物进化论带来的伦理问题基因工程和生物进化论带来的伦理问题基因决定论与人的进化：基因决定论与人的进化：生物进化论：生物进化论：英国的林耐、法国的布丰、居维叶、英国英国的林耐、法国的布丰、居维叶、英国的华莱士、赫胥利、达尔文的华莱士、赫胥利、达尔文“物竞天择、适者生存物竞天择、适者生存”的自然界进化理论自然界长期进化演变的机制；的自然界进化理论自然界长期进化演变的机制；遗传理论：遗传理论：奥地利孟德尔、美国摩尔根、德国魏斯曼、奥地利孟德尔、美国摩尔根、德国魏斯曼、美国沃森、克里克，奠定了现代遗传理论和遗传工程的基美国沃森、克里克，奠定了现代遗传理论和遗传工程的基础。础。新达尔文主义者：新达尔文主义者：人类的进化由基因遗传的力量推动人类的进化由基因遗传的力量推动人类进化的基因决定论人类进化的基因决定论在遗传和基因的科学研究中，人在遗传和基因的科学研究中，人性中所有的成分都可以还原为基因。性中所有的成分都可以还原为基因。“一切都在基因中一切都在基因中”。基因成为。基因成为人的本性的决定者人类由基因控制。人的本性的决定者人类由基因控制。14伦理、法律与社会的影响：伦理、法律与社会的影响：（1）基因歧视）基因歧视（2）堕胎（设计婴儿与定制婴儿？）堕胎（设计婴儿与定制婴儿？）（3）基因与人的隐私权的保护）基因与人的隐私权的保护（4）犯罪与种族歧视）犯罪与种族歧视（5）同性恋基因）同性恋基因（6）体细胞治疗与生殖细胞改进）体细胞治疗与生殖细胞改进（7）克隆）克隆151997年年2月月23日，在英国罗斯日，在英国罗斯林研究所，科学家维尔穆特领林研究所，科学家维尔穆特领导的研究小组宣布，已出生导的研究小组宣布，已出生7个个月的小羊月的小羊“多莉多莉”是克隆羊。是克隆羊。人的克隆人的克隆 1997年年11月月11日，联合国教科文组织第日，联合国教科文组织第29届大会在巴黎通过题为届大会在巴黎通过题为世界人类基因组与人权宣言世界人类基因组与人权宣言的文件，明确指出，生物学、遗传学的文件，明确指出，生物学、遗传学和医学在人类基因组方面的研究成果，必须以维护和改善公众的健康和医学在人类基因组方面的研究成果，必须以维护和改善公众的健康状况为目的，反对用克隆技术繁殖人。状况为目的，反对用克隆技术繁殖人。1998年年1月月12日，欧洲日，欧洲19个国家在法国巴黎签署了一项严格禁止个国家在法国巴黎签署了一项严格禁止克隆人的协议。这是国际上第一个禁止克隆人的法律文件，是对克隆人的协议。这是国际上第一个禁止克隆人的法律文件，是对欧欧洲生物医学条约洲生物医学条约的补充。的补充。我国卫生部在我国卫生部在2001年年11月月29日宣布日宣布“在任何情况、任何场合、在任何情况、任何场合、任何条件下，都不赞成、不允许、不支持、不接受生殖性克隆人的试任何条件下，都不赞成、不允许、不支持、不接受生殖性克隆人的试验验”。16现代地球科学现代地球科学1、地球圈层结构及物理、化学性质的推及分布；、地球圈层结构及物理、化学性质的推及分布；2、大陆构造理论的进展；、大陆构造理论的进展；3、“温室效应温室效应”与全球气候变暖；与全球气候变暖；4、臭氧空洞；、臭氧空洞；5、酸雨及厄尔尼诺现象；、酸雨及厄尔尼诺现象；6、现代生态科学与环境科学。、现代生态科学与环境科学。17海洋底中脊与海底扩张说海洋底中脊与海底扩张说大陆漂移说大陆漂移说板块构造说板块构造说1.5亿年后的未来地球亿年后的未来地球2.5亿年亿年后后的地球的地球现代系统科学与复杂性科学现代系统科学与复杂性科学（第四次科学革命）（第四次科学革命）是目前正在进行着的一次科学革命。它始于是目前正在进行着的一次科学革命。它始于20世纪世纪40年末年末控制论、系统论、信息论的创立，之后于控制论、系统论、信息论的创立，之后于70年代涌现出耗年代涌现出耗散结构理论、协同论、突变论等自组织理论，以及分形理散结构理论、协同论、突变论等自组织理论，以及分形理论、混沌理论等一系列在自然观、科学观和方法论上具有论、混沌理论等一系列在自然观、科学观和方法论上具有根本变革性质的新学科、新理论。根本变革性质的新学科、新理论。系统论系统论信息论信息论控制论控制论协同学协同学突变论突变论耗散结构论耗散结构论18现代非线性科学与复杂性科学现代非线性科学与复杂性科学 我们究竟是生活在一个确定性（决定性）的宇宙我们究竟是生活在一个确定性（决定性）的宇宙中，还是生活在一个概率性的宇宙中？中，还是生活在一个概率性的宇宙中？经典物理学体系，即牛顿力学体系确定性状态之下的物体的运动经典物理学体系，即牛顿力学体系确定性状态之下的物体的运动和存在状态。和存在状态。热力学体系的热力学体系的“布朗运动布朗运动”，导致统计物理学的兴起；量子力学中海，导致统计物理学的兴起；量子力学中海森堡的测不准关系式非确定状态。森堡的测不准关系式非确定状态。概率性与确定性、偶然与必然、有序与无序之间统一的科概率性与确定性、偶然与必然、有序与无序之间统一的科学世界学世界非线性科学与复杂性科学。非线性科学与复杂性科学。19非线性科学：非线性科学：混沌理论混沌理论分形几何分形几何耗散结构论耗散结构论20现代科学思维方式的主要特征：现代科学思维方式的主要特征：确立了物质，能量，信息以及时间、空间大确立了物质，能量，信息以及时间、空间大统一的观念，在这个基础上，把微观世界、宏观统一的观念，在这个基础上，把微观世界、宏观世界和宇观世界统一起来；原子论机械论的思维世界和宇观世界统一起来；原子论机械论的思维模式被系统论组织论所代替，从追求简单性到面模式被系统论组织论所代替，从追求简单性到面向复杂性；从确定性到不确定性，包括确认事件向复杂性；从确定性到不确定性，包括确认事件发生条件的不确定性（概率论）和事物类别的不发生条件的不确定性（概率论）和事物类别的不确定性（模糊性）；新概念的创造（爱因斯坦：确定性（模糊性）；新概念的创造（爱因斯坦：概念创造方法论）已经成为这个时代科学精神的概念创造方法论）已经成为这个时代科学精神的重要内容，人的智能进一步物化。重要内容，人的智能进一步物化。21第四次技术革命第四次技术革命是目前还在进行着的一次新技术革命是目前还在进行着的一次新技术革命。始于始于20世纪世纪70年代，它以整体相关的技术群年代，它以整体相关的技术群体形式出现，包括信息与微电子技术、生物技术、体形式出现，包括信息与微电子技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋技术、新材料技术、新能源技术、空间技术、海洋技术、激光与光电子技术等激光与光电子技术等高技术群体高技术群体，实现了生产的，实现了生产的信息化，知识经济时代到来。信息化，知识经济时代到来。22第四次产业革命第四次产业革命与第四次技术革命相伴而来的是第四次产业革命，与第四次技术革命相伴而来的是第四次产业革命，它使生产过程在机械化、电气化、自动化的基础它使生产过程在机械化、电气化、自动化的基础上又加上信息化，引发了诸如信息技术产业群、上又加上信息化，引发了诸如信息技术产业群、电子技术产业群、生物技术产业群、材料技术产电子技术产业群、生物技术产业群、材料技术产业群、海洋开发产业群、空间开发产业群、业群、海洋开发产业群、空间开发产业群、“绿绿色色”能源技术产业群、知识产业群等新型产业群能源技术产业群、知识产业群等新型产业群的崛起。的崛起。23高（新）技术的出现和定义高（新）技术的出现和定义高技术高技术-指那些对一个国家或地区的经济、政治和军事等各方面的指那些对一个国家或地区的经济、政治和军事等各方面的进步产生深远影响，并能形成产业的先进技术群落。由高技术形成的进步产生深远影响，并能形成产业的先进技术群落。由高技术形成的产业，则是技术密集度高、技术创新速度快、具有高附加值、节约资产业，则是技术密集度高、技术创新速度快、具有高附加值、节约资源并能对相关产业产生较大波及效果的新型产业。由于高技术与基础源并能对相关产业产生较大波及效果的新型产业。由于高技术与基础科学关系密切，有极高的科学含量，其研究、开发、生产都必须以最科学关系密切，有极高的科学含量，其研究、开发、生产都必须以最新的科学理论为基础，是科学技术一体化的技术，故又被称为新的科学理论为基础，是科学技术一体化的技术，故又被称为“高科高科技技”。在日本，则把高技术称为在日本，则把高技术称为“尖端技术尖端技术”，认为高技术是处于当今科学，认为高技术是处于当今科学技术前沿的、先进的或尖端的技术群，以这类技术为中心则形成了高技术前沿的、先进的或尖端的技术群，以这类技术为中心则形成了高技术工业。技术工业。“高技术高技术”是当代科学技术革命中涌现出来的，以最新科学成就是当代科学技术革命中涌现出来的，以最新科学成就为基础的，具有知识密集型的，并对经济和社会发展具有重大意义的为基础的，具有知识密集型的，并对经济和社会发展具有重大意义的新兴技术群。新兴技术群。241现代信息与微电子技术（计算机及其网络、广播电视及现代信息与微电子技术（计算机及其网络、广播电视及现代通信、人工智能及机器人）现代通信、人工智能及机器人）252现代生物技术（基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工现代生物技术（基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程）程）3 新材料技术（高性能技术材料的超导材料、稀土材料、新材料技术（高性能技术材料的超导材料、稀土材料、记忆合金；无机非金属材料的新型陶瓷、特种涂层；有机记忆合金；无机非金属材料的新型陶瓷、特种涂层；有机高分子材料的特种塑料、特种橡胶；纳米材料等）高分子材料的特种塑料、特种橡胶；纳米材料等）26形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金用新型陶瓷制成的人造骨用新型陶瓷制成的人造骨医用高分子材料医用高分子材料摔不碎的纳米陶瓷摔不碎的纳米陶瓷军用飞机隐形涂层军用飞机隐形涂层可进入血管里工作的微型机器人可进入血管里工作的微型机器人27纳米材料技术纳米材料技术纳米纳米(nano metre)是一种长度单位，是一种长度单位，1纳米是纳米是1米的米的10亿分亿分之一（之一（10-9 米）。如同米可以记作米）。如同米可以记作m，纳米记作，纳米记作nm。纳米技术的提出者：美国物理学家费曼纳米技术的提出者：美国物理学家费曼(Richard Phillips Feynman，19181988)纳米技术是指在纳米结构的纳米技术是指在纳米结构的尺度尺度(0.1100 nm)范围内，范围内，通过直接操纵和安排原子、分通过直接操纵和安排原子、分子的手段来创造新物质微粒，子的手段来创造新物质微粒，进而构造新材料的技术。进而构造新材料的技术。28纳米材料的特殊性质纳米材料的特殊性质（1）具有极强的光学性质。）具有极强的光学性质。比如具有极强的光吸收能力，对于光的反比如具有极强的光吸收能力，对于光的反射率，低于射率，低于1；太阳能板涂上纳米材料，效率将极大提高；太阳能板涂上纳米材料，效率将极大提高；（2）具有极好的热学性质。）具有极好的热学性质。超微粒材料的熔点比同种类较大颗粒的固超微粒材料的熔点比同种类较大颗粒的固体材料有明显下降，当颗粒小于体材料有明显下降，当颗粒小于l0 nm量级时尤为突出，由此可以将纳米量级时尤为突出，由此可以将纳米金属烧结成超一流的特种合金；金属烧结成超一流的特种合金；普通银的熔点为普通银的熔点为962，而纳米银颗粒的熔点可低于，而纳米银颗粒的熔点可低于l00；大块铅的熔点为大块铅的熔点为327，而，而20nm铅微粒的熔点却只有铅微粒的熔点却只有39。金的常规熔点为金的常规熔点为1064，当其颗粒减小到，当其颗粒减小到2 nm时熔点仅为时熔点仅为327左右；左右；29（3）具有优良的力学性质）具有优良的力学性质 纳米铜的强度比普通铜高纳米铜的强度比普通铜高5倍，在室温轧制过程中出现超塑延展性，倍，在室温轧制过程中出现超塑延展性，延伸率超过延伸率超过5000。纳米铁的强度和断裂应力比常规铁高。纳米铁的强度和断裂应力比常规铁高12倍，纳米倍，纳米银的硬度和应力强度比其常规状态高银的硬度和应力强度比其常规状态高12倍。而且，随着颗粒尺寸减少，倍。而且，随着颗粒尺寸减少，硬度会逐渐增加；硬度会逐渐增加；人的牙齿之所以具有很高的强度，人的牙齿之所以具有很高的强度，就是因为它是由磷酸钙等纳米材料就是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的，这也足以说明大自然是纳构成的，这也足以说明大自然是纳米材料的成功制造者。米材料的成功制造者。许多纳米陶瓷的硬度和应力强度比普许多纳米陶瓷的硬度和应力强度比普通陶瓷高出通陶瓷高出45倍，从而能克服脆性，倍，从而能克服脆性，表现出极好的韧性和超塑性。表现出极好的韧性和超塑性。金属金属陶瓷复合纳米材料则可在更陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景更加宽广。应用前景更加宽广。纳米铜纳米铜纳纳米米银银摔不碎的纳米陶瓷摔不碎的纳米陶瓷30（4）具有极高的信息存储量。中国制造的）具有极高的信息存储量。中国制造的0.6纳米的有机材纳米的有机材料，其信息存贮密度容量比现有光盘高料，其信息存贮密度容量比现有光盘高100倍。在一块糖倍。在一块糖大的盘上，就可容纳美国国会图书馆的所有藏书。大的盘上，就可容纳美国国会图书馆的所有藏书。（5）具有特殊的磁学性质）具有特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在着纳米磁性颗粒，它实质上就是一个生物磁罗盘，能指示物体中存在着纳米磁性颗粒，它实质上就是一个生物磁罗盘，能指示这类生物在地磁场导航下定向运动。这类生物在地磁场导航下定向运动。31（6）具有特殊的电学性质）具有特殊的电学性质传统金属一般都是导体，但纳米金属微粒却强烈地趋向电传统金属一般都是导体，但纳米金属微粒却强烈地趋向电中性，如纳米铜就不再导电，并且其电阻随着颗粒线度的中性，如纳米铜就不再导电，并且其电阻随着颗粒线度的减小而增大，电阻的温度系数也下降甚至变为负值；而原减小而增大，电阻的温度系数也下降甚至变为负值；而原本绝缘的材料在纳米级则可以导电，如本绝缘的材料在纳米级则可以导电，如SiO2在在20nm大小时大小时开始导电。开始导电。（7）具有特殊的化学性质）具有特殊的化学性质32碳纳米管碳纳米管 科学家使用特殊的化学方法，从碳科学家使用特殊的化学方法，从碳60衍生出超细的无缝管状材料衍生出超细的无缝管状材料碳纳米管，碳纳米管，它非常细，它非常细，5万根并排起来才有一根头发丝万根并排起来才有一根头发丝粗细。粗细。碳纳米管外观呈黑色，具有不可思议的强度与韧性，碳纳米管外观呈黑色，具有不可思议的强度与韧性，重量极轻，导电性极强。它可以具有金属性，也可以重量极轻，导电性极强。它可以具有金属性，也可以具有半导体的性能，这要取决于沿着管筒轴向的一列具有半导体的性能，这要取决于沿着管筒轴向的一列六边形是直线排列还是螺旋状排列。纳米管的硬度是六边形是直线排列还是螺旋状排列。纳米管的硬度是钢的钢的100 倍，重量是钢的倍，重量是钢的16，具有良好的电学、光，具有良好的电学、光学、化学特性。目前，它已被广泛用于吸波材料、透学、化学特性。目前，它已被广泛用于吸波材料、透明抗静电涂层、电磁屏蔽涂层、导电导热塑料等明抗静电涂层、电磁屏蔽涂层、导电导热塑料等电磁屏蔽涂层电磁屏蔽涂层 军用飞机隐形涂层军用飞机隐形涂层33微型纳米机器的产生微型纳米机器的产生 1986年，美国预见研究所的工程师埃里克年，美国预见研究所的工程师埃里克德雷克德雷克斯勒说斯勒说：“我们为什么不制造出成群的、肉眼看不我们为什么不制造出成群的、肉眼看不见的微型机器人，让它们在地毯或书架上爬行，把见的微型机器人，让它们在地毯或书架上爬行，把灰尘分解成原子，再将这些原子组装成各种物品。灰尘分解成原子，再将这些原子组装成各种物品。这些微型机器人不仅是搬运原子的建筑工人，同时这些微型机器人不仅是搬运原子的建筑工人，同时还具有绝妙的自我复制和自我修复能力。还具有绝妙的自我复制和自我修复能力。”他还说他还说“纳米技术不是小尺寸的延伸，它甚至根本不该被纳米技术不是小尺寸的延伸，它甚至根本不该被看作是技术，而是一场认知的革命。看作是技术，而是一场认知的革命。”可进入血管里工作的微型机器人可进入血管里工作的微型机器人34 美国波士顿大学的化学家美国波士顿大学的化学家T.Ross Kelly，制备出世界上最小的分子马达。该分子制备出世界上最小的分子马达。该分子马达由马达由78个原子构成。荷兰和日本科学个原子构成。荷兰和日本科学家研制成功了的由太阳能驱动的分子马家研制成功了的由太阳能驱动的分子马达，在光照作用下，能够连续运转。达，在光照作用下，能够连续运转。德国物理学家埃费尔德研制了一德国物理学家埃费尔德研制了一架重量不到架重量不到0.5g的直升机，能升的直升机，能升到到130 mm的空中。的空中。除了米粒大的汽车、黄蜂大的直除了米粒大的汽车、黄蜂大的直升机外，科学家还发明了蚂蚁大升机外，科学家还发明了蚂蚁大小的人造昆虫，转速高达每分钟小的人造昆虫，转速高达每分钟10万转的铅笔头大小的发动机万转的铅笔头大小的发动机35纳米医药和医学纳米医药和医学尺寸小于尺寸小于10 nm的超细微粒可以在血管中自由移动，所以的超细微粒可以在血管中自由移动，所以由纳米粒子组成的药物在人体内的传输比常规药物更加有由纳米粒子组成的药物在人体内的传输比常规药物更加有效。效。当由数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主当由数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并释放攻击癌细胞或修补损伤组织的药物成分。我动搜索并释放攻击癌细胞或修补损伤组织的药物成分。我国已成功地研制出纳米级的新一代抗菌素，这种直径只有国已成功地研制出纳米级的新一代抗菌素，这种直径只有25 nm的粉末状纳米颗粒，对大肠杆菌、金黄葡萄球菌等的粉末状纳米颗粒，对大肠杆菌、金黄葡萄球菌等致病微生物具有强烈的抑制和杀灭作用，同时还不会产生致病微生物具有强烈的抑制和杀灭作用，同时还不会产生耐药性。耐药性。3620072007年，美国科学家在美国化学学会的年，美国科学家在美国化学学会的朗缪尔朗缪尔(Langmuir)(Langmuir)杂志上杂志上发表了一项最新发现，单壁碳纳米管能够严重破坏大肠杆菌等细菌的发表了一项最新发现，单壁碳纳米管能够严重破坏大肠杆菌等细菌的细胞壁，从而将其杀灭。研究人员在有碳纳米管存在的情况下培育大细胞壁，从而将其杀灭。研究人员在有碳纳米管存在的情况下培育大肠杆菌近一个小时，结果发现，只要病菌与单壁碳纳米管直接接触，肠杆菌近一个小时，结果发现，只要病菌与单壁碳纳米管直接接触，就会被彻底杀灭。他们推测，可能是长而细的碳纳米管刺破了细胞，就会被彻底杀灭。他们推测，可能是长而细的碳纳米管刺破了细胞，从而杀死了它。从而杀死了它。有单壁碳纳米管有单壁碳纳米管(右右)存在下的大肠杆菌对比存在下的大肠杆菌对比37 纳米诊断仪是在医学检验学领域使用纳米技术的新型诊纳米诊断仪是在医学检验学领域使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和断仪器，只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNADNA诊断出各种疾病。诊断出各种疾病。纳米膜技术是用纳米材料制成的独特薄膜，它能过滤、纳米膜技术是用纳米材料制成的独特薄膜，它能过滤、筛去制剂的有害成分，消除药剂产生的污染，有效地保护筛去制剂的有害成分，消除药剂产生的污染，有效地保护人体。人体。在癌症治疗中，将一些纳米氧化铁颗粒注入患者的肿瘤在癌症治疗中，将一些纳米氧化铁颗粒注入患者的肿瘤里，然后将患者置于振荡磁场中，使肿瘤里的氧化铁纳米里，然后将患者置于振荡磁场中，使肿瘤里的氧化铁纳米颗粒升温到颗粒升温到45454747，足以烧毁癌细胞，而对周围健康组，足以烧毁癌细胞，而对周围健康组织无害。织无害。不久的未来，纳米医疗机器人将漫游在人体血液中，不久的未来，纳米医疗机器人将漫游在人体血液中，对全身进行检查和治疗，包括疏通心、脑血管中的血栓，对全身进行检查和治疗，包括疏通心、脑血管中的血栓，清除动脉的脂肪沉积物，吞噬病毒，杀灭癌细胞，激活细清除动脉的脂肪沉积物，吞噬病毒，杀灭癌细胞，激活细胞能量，不仅治疗疾病，还能延年益寿。胞能量，不仅治疗疾病，还能延年益寿。4 新能源技术（原子能、太阳能、雷电能、地热能等）新能源技术（原子能、太阳能、雷电能、地热能等）5空间与航天技术（运载火箭技术、人造地球卫星技术、空间与航天技术（运载火箭技术、人造地球卫星技术、载人航天工程）载人航天工程）6海洋技术（海洋探测技术、海洋资源开发技术）海洋技术（海洋探测技术、海洋资源开发技术）7激光与光电子技术（激光武器、激光焊接、激光刻录、激光与光电子技术（激光武器、激光焊接、激光刻录、激光医学等）激光医学等）38激光武器激光武器激光焊接激光焊接激光打孔机激光打孔机当代高技术崛起的原因当代高技术崛起的原因（1）现代自然科学的突破性进展为当代高技术的崛起奠定了理）现代自然科学的突破性进展为当代高技术的崛起奠定了理论基础；论基础；（2）社会需求构成了当代高技术产生与发展的根本动因。）社会需求构成了当代高技术产生与发展的根本动因。一方面是人类生产生活提高到了一个前所未有的新水平；一方面是人类生产生活提高到了一个前所未有的新水平；其次，人类生存与发展的压力诸如人口问题、能源问题、粮食其次，人类生存与发展的压力诸如人口问题、能源问题、粮食问题等需要发展高技术，缓解生存与发展压力；其次，世界范问题等需要发展高技术，缓解生存与发展压力；其次，世界范围内的国家竞争与军备竞赛，刺激了高技术的发展。围内的国家竞争与军备竞赛，刺激了高技术的发展。39高技术的特点高技术的特点1.高群落；高群落；2.高智力；高智力；3.高投资；高投资；4.高风险；高风险；5.高收益；高收益；6.高竞争；高竞争；7.高渗透；高渗透；8.高战略高战略40高技术产业高技术产业高技术产业：高技术产业：指将生产过程和最终产品建立在高技术基础指将生产过程和最终产品建立在高技术基础上的新兴产业。也就是说，高技术产业是围绕高技术形成上的新兴产业。也就是说，高技术产业是围绕高技术形成的，知识高度密集、技术含量大的高附加值产业。高技术的，知识高度密集、技术含量大的高附加值产业。高技术产业应具备的条件是（产业应具备的条件是（1）产品的技术性能复杂；（）产品的技术性能复杂；（2）科）科技人员在职工中的比例较大；（技人员在职工中的比例较大；（3）设备、生产工艺建立）设备、生产工艺建立在尖端技术之上；（在尖端技术之上；（4）工业增长率和劳动生产率高；）工业增长率和劳动生产率高；41高技术对人类社会的巨大作用高技术对人类社会的巨大作用1）高技术发展凝聚了人类无穷无尽的智慧和想象力，成为）高技术发展凝聚了人类无穷无尽的智慧和想象力，成为经济发展的经济发展的“倍增器倍增器”、社会进步的、社会进步的“催化剂催化剂”和成就人和成就人类无数梦想的重要手段。类无数梦想的重要手段。它创造了空前强大的生产力，包括自动控制的能力、它创造了空前强大的生产力，包括自动控制的能力、解放脑力劳动的能力、进入空间的能力和主动创造新物种解放脑力劳动的能力、进入空间的能力和主动创造新物种的能力等；的能力等；它广泛渗透到社会生产、生活、管理的一切领域，革它广泛渗透到社会生产、生活、管理的一切领域，革命性地改变了人类对资源、资本、技术、人才、知识的利命性地改变了人类对资源、资本、技术、人才、知识的利用效率，改变了企业、社会组织结构与管理方式，改变了用效率，改变了企业、社会组织结构与管理方式，改变了世界的政治、军事、经济和文化的格局；世界的政治、军事、经济和文化的格局；422）它导致产业结构的重大变化它导致产业结构的重大变化 传统的第一产业和第二产业的从业人员与产值的百分传统的第一产业和第二产业的从业人员与产值的百分比下降，第三产业的从业人员与产值急剧上升，劳力和资比下降，第三产业的从业人员与产值急剧上升，劳力和资本密集型产业的比重下降，智力密集型产业的比重上升，本密集型产业的比重下降，智力密集型产业的比重上升，使得知识与知识分子在经济和社会发展中所起的作用越来使得知识与知识分子在经济和社会发展中所起的作用越来越大，大大缩小城乡差别、工农差别、脑力劳动与体力劳越大，大大缩小城乡差别、工农差别、脑力劳动与体力劳动的差别；动的差别；3）它极大地推进了人类文明的进步，引领人类从工业社会它极大地推进了人类文明的进步，引领人类从工业社会进入信息化和知识化社会，进入经济全球化时代。进入信息化和知识化社会，进入经济全球化时代。43