郭 彤 许梓荣
目前，在科技界耳熟能详的纳米技术已成为继互联网、基因等词后人们关注的又一热点。纳米科技是在20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿。交叉性新兴学科领域，它的迅猛发展将成为对世纪科学技术发展的主流。它不仅是信息技术、生物技术等新兴领域发展的推动力，而且因其具有独特的物理。化学、生物特性为畜牧业的发展提供了新的机遇。
1 纳米科技的定义及发展过程
1．1 纳米科技的定义
纳米科技中的“纳米”是国际长度单位之一，用1nm表示。1nm＝10-9m。纳米科技是指在纳米尺度（1nm到100nm之间）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当物质小到1nm至100nm时，由于其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应，使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。它的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。
1．2 纳米科技概念的提出与发展
最早提出纳米尺度上科学和技术问题的专家是著名的物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼（R．Feynman，1959年，他在加州理工学院做了题为《There Is plenty of room at the bottom》的演讲中提到：如果有一无可以按人的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹？他预言，化学将变成根据人们的意愿逐个的准确的放置原子的问题。时间推移了不到半个世纪，这个奇迹已经成为灿烂的现实。
1981年Gred Binnig与 Heirich Rohrer发明厂纳米科技研究的重要工具——扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）不久，原子力显微镜（Atomic Fore Microscope，AFM）也问世，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1989年，IBM公司用STM移动赢原子，在镍晶体表面上“写”出了由35个流原子组成的“IBM”字样。不久，日本日立公司用STM移去二硫化钼晶体表面上的一些原子，留下的原子空位组成了每个字母只有1．5nm高的“PEACE’91”字样。纳米技术正式步入科学技术界是以1990年7月在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议的同时举办。1991年日本NEC公司的 Sumio Lijirma发现了碳纳米管。随后，《纳米技术》与《纳米生物学》两种国际性专业期刊也相继问世，把人类带入一个生机勃勃的高新技术领域——纳米科技领域。
2 纳米材料的基本特性
当物质（材料）的结构单元（如晶粒或空隙）小到纳米量级时，物质的性质发生重大变化，表现出表面效应、小尺寸效应。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。
2．1 表面效应
纳米材料的表面效应指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后，表面能大大提高引起性质上的变化，微粒表面具有很高的活性，极不稳定，易与其它原子结合。如在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体发生反应。
2．2 小尺寸效应
小尺寸效应指由于纳米粒子体积极小所包含原子数很少而引起的不能用通常有限个原子的块状物质的性质加以说明的特殊现象，随纳米粒子直径的减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体变为绝缘体。
2．3 量子尺寸效应
量子尺寸效应指当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属纳米能级附近的电子由准连续变为离散能级的现象以及纳米半导体微粒存在不连续最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级而使能隙变宽的现象。这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有显著不同。
2．4 宏观量子隧道效应
电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度。量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
以上这些特性不仅大大改善了原有材料的性反而且出现新的性能或效应，其器件或制品会引起工业、农业、医疗和社会的重大变革，同时也将推动基础研究领域的发展。
3 纳米科技在畜牧业中的应用前景
美国政府将纳米科技与当代科技的三大支柱——基础科学、生物医学、信息技术相提并论了。由此可见，纳米技术很可能成为本世纪前50年的主导技术，并为交叉学科的发展提供了新的思路。迄今为止，还未见畜牧业中有关纳米技术的研究报道。但纳米技术作为一项新兴技术必将在畜牧业生产中发挥积极的作用。本文就从以下几个方面展望纳米技术在畜牧业中的应用前景。
3．1 纳米微粒营养物在动物胃肠道吸收中的作用
Florence（1998）指出：营养物质的颗粒大小是影响胃肠道对其吸收的一个关键因素。Eldridge，Damge，Jam也证实了这一结论。Jam究了3种不同大小的聚苯乙烯微粒（50urn， 500urn，lμm）在淋巴集结、肠系膜、肝、脾中的吸收程度及分布速度。实验表明；给小
鼠口服药物后6h内，50urn粒子在淋巴集结中被发现共有最大程度的吸收，比 500urn和 lμm粒子吸收的快。500nm微粒给药18h后在肝、脾中发现。而1μm粒子给药18h后才在肝上、24h后在脾上发现有很少的分布，而且仅有少量吸收。这就证明了微粒尺寸的大小对胃肠道的吸收有很大的影响，而且影响其体内分布。研究表明：粒径小于5μm的微粒可通过肺，粒径小于300nm的微粒可进入血液循环，小于100nm能进入骨髓，因此纳粒系统更易通过胃肠粘膜，使其透皮吸收的生物利用度得以提高。Desai目前在小鼠中的研究实验表明： 100urn粒子比其它大粒子的吸收率高10－250倍。分析其原因可能是由于纳米微粒具有小尺寸效应和表面效应。当粒径减小时，表面原子数迅速增加，从而可增大暴露在介质中的表面积，提高动物对其的吸收利用率。因此对饲料原料进行纳米化处理后，可以使原料中那些动物不可缺少而又较难采食的营养成分能充分的被动物吸收，因为大分子营养物被粒化成纳米粒径后，能穿透组织间隙，也可通过机体最小的毛细血管，且分布面极广，从而可最大限度的提高饲料原料的生物利用率。
3．2 纳米微粒的吸附、杀菌作用
随着人们生活水平的提高及对健康状况的广泛关注，对产品的品质、安全性问题提出质疑。尤其是我国加入WTO后，动物产品的安全性问题已成为是否能出口的首要问题之一。目前抗生素作为动物饲料添加剂广泛应用于畜牧业生产上，但长期使用会产生细菌耐药性和畜产品中抗菌药物残留，影响畜产品的品质。如果人们食用了这些畜产品，则会对人类的健康
造成威胁。目前，衡量畜产品安全性的主要指标有：重金属残留量、农药残留量及微生物残留量等。为使动物产品安全性提高，减少抗生素的使用，寻找一种更适宜的替代品成为世界性的一大难题。纳米技术的兴起，给我们带来了解决这一难题的方法。目前，科学工作者正在研制一种新型的可吸附霉菌毒素的纳米材料，动物即使食用了某些发霉饲料，这种纳米材料也能在胃肠道吸附这些有害的霉菌，使动物机体免受毒害。又如纳米ZnO是面向21世纪的饲料业新产品，具有一般ZnO无法比拟的性能。因为纳米ZnO有极强的化学活性，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌内的有机物），从而把大部分细菌、病毒杀死。它的主要作用机理为：纳米ZnO在光照条件下会产生带电子和价带空穴，后者是良好的氧化剂，具有很强的反应活性，可与表面吸附的HZO或OH一离子发生反应形成具有强氧化性的羟基，从而杀死细胞。而且由于粒径极小，可穿透细胞膜，降解细胞产生的毒素。定量实验表明：在 5min内纳米 ZnO的浓度为 1％时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98．86％，大肠杆菌的杀菌率为99．93％。而且使用纳米微粒添加剂饲喂家畜并不会使其产生耐药性。从以上的研究中可看出，纳米微粒有强烈的吸附有毒有害物质并将其杀死的能力，从而减少有毒有害物质在肉中的残留，可提高畜产品的安全性和品质。
3．3 载药纳米微粒在缓释、控释中的作用
载药纳米微粒是纳米技术与现代医药学结合的产品。纳米粒子是一种超微小球型药物载体，是近年来出现的药物控释和缓释的新剂型，它的突出优点是比细胞还小，因此可被组织及细胞吸收，经特殊加工后可对组织或器官定向给药。
J．Kreuter发现用纳米粒子做药物或抗体的载体，可提高某些药物透过天然或人造的膜结构，并蓄积在小肠，使得药物的生物利用度有了显著改善。载药纳米微粒的控释过程有特定的规律，囊壁的溶解及酶和微生物作用，均可使囊心物质向外扩散。根据控释目的，选择合适的囊材使载药纳米微粒在局部滞留并达到有效浓度，提高疗效，同时不引起全身毒性。Rad－wan等已研制出载有茶碱的聚异丁基氰丙烯酸酯（polyisobutylcyanoarcrylate，PICA）纳米粒子，对体内某些信号作出反应时，这些粒子会膨胀或收缩，从而释放药物，表现出良好的控释行为。
对于一些免疫系统和中枢神经系统药物而言，它们治疗的是慢性病，需长期服用药物，纳米控释系统刚好能起到缓释作用，延长药物作用时间，有效的治疗疾病。
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