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《纳米技术到底有多小？》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： chenfang
  • 发布时间：2016-08-15

  • 在这个视频中，说明了纳米技术究竟有多小。利用发射的分子电子束拼写的字母，最小的是20纳米，或大约100个原子。视频中用镓原子拼出来林肯的脸和伯克利实验室的标志。

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  • 《梳理纳米线》
    • 来源专题：纳米科技
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2019-07-03
    • 我们的细胞让机器变得舒适。可嵌入传感器记录神经元如何以及何时发射;电极激发心脏细胞击败或脑细胞射击;类神经元装置甚至可以促进植入大脑后更快的再生长。 很快，所谓的脑机界面可以做得更多：监测和治疗帕金森病等神经系统疾病的症状，提供设计人工智能的蓝图，甚至可以实现脑 - 脑通信。 为了实现可达到的和不切实际的，设备需要一种方法来逐字深入我们的细胞以进行侦察。我们对神经元如何工作的了解越多，我们就越能用我们的机器模拟，复制和处理它们。 现在，在Nature Nanotechnology上发表的一篇论文中，Joshua和Beth Friedman大学教授Charles M. Lieber介绍了他最初用于细胞内记录的纳米级设备的更新，这是第一个用于记录活细胞内电子颤动的纳米技术。九年后，利伯和他的团队设计了一种方法，可以同时制造数千种这样的设备，创建一支纳米级军队，可以加快努力，找出我们细胞内发生的事情。 在利伯的工作之前，类似的设备面临着金发姑娘的难题：太大了，他们会记录内部信号但杀死牢房。太小了，他们没能穿过细胞膜 - 录音结果嘈杂而且不精确。 利伯的新纳米线恰到好处。在2010年设计和报告，原件有一个纳米级“V”形尖端，在“V”底部有一个晶体管。这种设计可以穿透细胞膜，并在不破坏细胞的情况下将准确的数据发送回团队。 但有一个问题。硅纳米线的长度远远超过它们的宽度，使得它们摇摆不定并且难以缠结。 “它们和煮熟的面条一样灵活，”Lieber实验室的研究生Anqi Zhuang说道，他是该团队最新工作的作者之一。 为了制造原始设备，实验室成员必须同时捕获一条纳米线面条，找到“V”的每个臂，然后将线编织到记录设备中。一对设备用了2到3个星期。 “这是非常繁琐的工作，”庄说。 但纳米线一次不制成一个;它们就像它们类似的东西一样集中制造：熟意大利面。利用利伯用于制造第一根纳米线的纳米团簇催化气 - 液 - 固方法，该团队建立了一个环境，使电线可以自行发芽。它们可以预先确定每根导线的直径和长度，但不能预先确定导线的位置。即使它们一次生长数千甚至数百万纳米线，最终的结果却是一堆看不见的意大利面条。 为了解开这个烂摊子，利伯和他的团队为他们松散的煮熟的面条设计了一个陷阱：他们在硅片上制作U形沟，然后在表面上梳理纳米线。这种“梳理”过程解开了混乱，并将每根纳米线沉积成一个整齐的U形孔。然后，每条“U”曲线都得到一个微小的晶体管，类似于它们的“V”形器件的底部。 通过“梳理”方法，利伯和他的团队在相同的时间内完成了数百个纳米线设备。 “因为它们非常一致，所以它们很容易控制，”张说。 到目前为止，张和她的同事们已经使用“U”形纳米级装置记录培养物中神经细胞和心脏细胞的细胞内信号。涂有模仿细胞膜感觉的物质，纳米线可以最小的努力或对细胞的损害穿过这个屏障。并且，它们可以记录与其最大竞争对手相同的精确度的细胞内颤振：膜片钳电极。 贴片钳电极比纳米线大约100倍。顾名思义，该工具会夹住细胞膜，造成不可逆转的损害。膜片钳电极可以捕获细胞内电信号的稳定记录。但是，张说，“记录后，细胞就会死亡。” Lieber团队的“U”形纳米级设备对其细胞宿主更友好。 “它们可以并行插入多个细胞而不会造成损害，”张说。 现在，这些设备非常温和，在记录约10分钟后，细胞膜会将它们推出。为了扩展这个窗口的下一个设计，团队可能会在尖端添加一些生化胶水或使边缘变粗糙，以便导线接近膜。 纳米级器件相对于膜片钳具有另一个优势：它们可以并行记录更多细胞。使用夹具，研究人员可以一次只收集一些细胞记录。在这项研究中，张一次记录了多达10个细胞。 “可能会有更多，”她说。他们一次可以记录的细胞越多，他们就越能看到细胞网络如何在生物中相互作用。 在扩展纳米线设计的过程中，该团队也碰巧证实了一个长期存在的理论，称为曲率假设。在利伯发明了第一批纳米线之后，研究人员推测纳米线尖端的宽度（“V”或“U”的底部）会影响电池对电线的响应。在这项研究中，该团队尝试了多条“U”曲线和晶体管尺寸。结果证实了最初的假设：细胞像一个狭窄的尖端和一个小晶体管。 “包括我们自己在内的许多科学之美在推动假设和未来工作方面面临着诸多挑战，”利伯说。随着它们背后的可扩展性挑战，该团队希望捕获更精确的记录，可能是在亚细胞结构内，并记录生物中的细胞。 但对于利伯来说，一个脑机挑战比其他所有人更具吸引力：“将机器人带入现实。” ——文章发布于2019年7月1日
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  • 《前沿：谈纳米技术在植物源农药中的应用》
    • 来源专题：农业立体污染防治
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2019-11-27
    • 生物碱、酚类、萜类化合物是比较常见的植物次生代谢产物，他们大多分布于植物组织中，对植物具有重要的保护作用。 现代农业对植物源农药有了新要求 随着人口的逐渐增长、科学的进步，为了满足人们对粮食，蔬果的大量需求，成本更低、防效更好的化学农药逐渐占据了主导地位。从半个多世纪的化学农药发展历史来看，无数事实可以证明化学农药在控制农作物病虫草鼠危害、保证农业丰收方面起着任何别的措施不能代替的重要作用。 据国际权威人士估计，如果停止使用化学农药，农作物将减产30%。在中国，这意味着将有3.5亿人挨饿。农场如果停止使用化学农药，水果将减产78%，蔬菜减产54%，谷物将减产32%。 但是，使用化学农药对人类也确实存在直接的或潜在的负面影响。长期过度使用化肥会使农田的土壤板结施肥的效果下降最终又带来农产品的品质下降；过度使用农药会使农产品农药残留量增加，进而危害人类将康。植物源农药的活性成分是自然存在的物质，主要由C、H、O 等元素组成，来源于自然，环境相容性好。在长期的进化过程中已形成了其顺畅的代谢途径，不会污染环境。不仅具有杀虫、杀菌活性，还兼有调节植物生长、诱导免疫、肥效、保鲜作用，且作用方式多样。从作用方式来看，一般对害虫是胃毒作用或特异性作用，少为触杀作用，因此对天敌等非靶标生物是相对安全的。并且往往含有数种有效成分，且作用机制与一般化学农药不同，不易使有害生物产生抗药性。但是植物源农药的使用上也会面临一些新的困难，由于其来源特殊，成分十分的复杂，会出现诸如制剂困难，稳定性差、容易分解等影响药效的问题。现代农业对植物源农药有了更多新的要求。 植物源农药中的一种新技术 纳米技术在植物源农药上的应用纳米材料是一种小于100 nm的结构或物质，其拥有多种其他材料所不具备的优异特性。纳米材料与植物源农药的结合，可以增强药物进入靶生物体内的能力，能够提高农药的稳定性并产生新的控释作用。纳米制剂可改善天然产品的稳定性和有效性，具有控制活性化合物释放到靶生物体的能力，然后控制小分子物质释放到作用部位。他们还可以减少杀虫剂对非靶生物的不良毒副作用、提高杀虫剂的稳定性、保护其活性成分不被微生物降解。 1. 纳米印楝素颗粒 印楝树衍生物在农业上广泛用于防治昆虫、线虫、真菌和细菌。但是，印楝素对温度和光敏感以及易被微生物降解等都会迅速使其失去活性。Riyajan 等开发的涂有天然橡胶的网状海藻酸钠与戊二醛胶囊剂，比无橡胶覆盖的微胶囊释放更慢。在相同时间内(24 h)，无橡胶覆盖的纳米胶囊的释放率是100%，而涂有橡胶的纳米胶囊释放率是80%。Forim开发了一种含有印楝素的聚ε-已内酯纳米颗粒以及该系统所用的喷雾干燥粉末的新制备技术。通过测试发现纳米印楝素颗粒封装效率达到98%。在电子显微镜下，观察到的颗粒呈球形形态，表明活性成分是由于聚合物链的松弛或聚合物被破坏而被释放。大大提高了印楝素在紫外线辐射下的稳定性和水溶性。用纳米印楝素颗粒(5000 mg/kg)处理小菜蛾，其死亡率为100%。Costa 等制备了不同的含印楝素的剂型(纳米胶囊、微胶囊、浓缩乳状液)，并在紫外线的照射下观察制剂的稳定性。结果发现纳米制剂比商业产品稳定性更高，未封装的化合物在七天内完全降解，而封装的印楝素14 天只降解了20%。 2. 纳米鱼藤酮颗粒 鱼藤酮是一种植物源杀虫剂，存在于豆科鱼藤酮属植物的根或根茎中。由于鱼藤酮在紫外线下易降解、对鱼类的毒性强、水溶性低等原因限制了其在农业上的应用。Lao制备和表征两性分子衍生物N(18 醇-1-环氧丙基醚)-O-壳聚糖硫酸盐作为鱼藤酮的载体。并成功的将鱼藤酮杀虫剂封装在浓度为26 mg/mL 的纳米胶束中，使其水溶度提高了13,000 倍。封装的鱼藤酮，150h 后释放约70%，230 小时候达到最大释放，而未封装的鱼藤酮，9 h 后释放70%，27 h 达到最大释放。Martin 等利用超临界辅助雾化技术对三种类型的聚合物（聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、海藻酸钠）进行了测试。包封率最好的是由海藻酸钠/鱼藤酮(100%)和聚乙二醇/鱼藤酮(98%)所组成的系统。 3. 纳米大蒜精油颗粒 Yang等用聚乙二醇纳米颗粒作为大蒜精油的载体，采用熔融法制备纳米颗粒，包封率为80%。精油封装时其活性成分没有显著变化。5 个月后，该制剂对甲虫成虫有80%的杀虫效果，单独使用大蒜精油，效果只有11%。 纳米植物源农药的发展前景 先进的纳米技术将会把植物源农药引领到一个全新的高度，纳米技术能够彻底解决植物源农药现存的低稳定性、高挥发性、热分解性等问题，具有良好的发展前景，新技术的研发和推广将更进一步缓解化学农药对环境和人类自身带来的不利影响。相信在不久的将来，植物源农药与纳米技术相结合的优势商业产品就会出现，加速淘汰污染严重的普通化学农药。
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