整理 : 李景怡 指導老師 : 林福榮 老師 BOOK: 圖解奈米科技與光觸媒 1

奈米尺寸與奈米世界 奈米有多小 ? 「奈米」是新科技的代名詞， 並非可食用的米。 「奈米」中的「米」字是長 度單位，及公尺 (meter) 的 譯名。 1 米即是一公尺。 「奈米」中的「奈」字是一 個單位尺度，是英文 nano 的譯名，表示 10 負 9 的意思， 亦即是十億分之一。 2

奈米世界 奈米是人造科技，但自然界中其實有許多奈米物質及奈米組 織，可提供我們更多創意來發展奈米技術。 3

奈米與人體 DNA 「龍生龍，鳳生鳳，老鼠 的兒子會打洞」，意謂生 物的特徵是可以代代相傳 的，其中奧妙就在於攜帶 遺傳密碼的物質 —DNA( 去 氧核醣核酸 ) 。 DNA 就如同 兩股交纏的細絲，直徑只 有 2 奈米。 4

細胞膜 細胞膜就是分隔細胞內部 與外在環境的薄膜。人體 細胞的細胞膜厚度約在 7~10 奈米之間，係由兩層 具有流動性的磷脂質作為 主結構。 5

小腸絨毛 我們所攝取的營養素， 大部分在小腸被吸收， 且吸收效率與表面積成 正比。 6

脂蛋白 脂蛋白 (apolipoprotein) 就 是在血液中負責運送油性 成分的載體，依大小可分 成 :1. 乳糜微粒 (chylomicron): 粒徑約為 80~500 奈米。 7

奈米與工業革命 第一次 工業革命 是「機械化」的革命。 18 世紀中葉，大量的機械 取代人力，促成現代工業成形。 第二次工業革命是「電氣化」的革命。 第三次 工業革命 是「資訊化」的革命。 8

第四次 工業革命 在現代社會積極追求輕、薄、短、 小的科技產品時，亦同時要求其精 確度、靈敏度、傳輸速度、處理速 度與多功能性。 及光觸媒科技。 第四次 工業革命 : 奈米科技 9

奈米與生物科技 生物分離 在進行生物分析時，經常 需要分離出單一細胞、抗 體或酵素。如果將目標細 胞 ( 例如紅血球、白血球、 癌細胞 ) 的抗體附著在有磁 性的奈米微粒上，然後填 裝於管柱內，因為抗體會 與目標細胞相結合，當施 加磁場時，磁性奈米微粒 會將目標細胞固定住，而 不要的細胞則會被沖走 。 10

基因工程 「基因工程」簡言之就是將好的 DNA 片段插入細胞原 有的 DNA 內，使該細胞展現所希望的特性。 11

奈米生物晶片 生物晶片 (biochip) 結合了微 電子、微機械、分析化學、 分子生物學、基因資訊知識， 利用矽晶片或玻璃等材質， 製成可運用於生醫分析的高 科技產品。 12

奈米感應器 感應器 廣義上來說，感測器是 一種能把外在環境輸入 的物理量、化學量或生 物量有效轉換成可供量 測訊後的元件。 13

奈米氣體感測器 由於各種可燃氣體、易爆氣體、有毒及惡臭氣體 會對環境及人體造成危害，氣體的檢測、監視及 早期警報非常重要。。 14

奈米太陽電池 太陽電池 利用太陽光作為能源， 是人類夢寐以求的願望。 太陽光源源不絕、取之 不盡，不須開採與精煉， 是最佳能源之一。 15

太陽電池的奈米材料 一般太陽電池的半導體材 料，均以單結晶、多結晶 或非結晶的矽為半導體， 目前已有應用實例。但以 矽為主的太陽電池重量大、 價格高，且光電轉換效率 低，故科學家極力尋求其 他替代材料。 16

奈米化粧品 奈米防曬劑 紫外線是造成皮膚老化的 頭號兇手，防曬可分為物 理性及化學性兩種機制。 傳統的物理性防曬產品多 以氧化鋅及二氧化鈦微粒 作為隔絕紫外線的主要成 分，不過缺點是擦上後膚 色容易偏白，因為這些成 分會散射可見光。 17

奈米保養品 皮膚的結構由外而內可分 為三層 : 表皮、真皮和皮 下組織。表皮最外層是角 質細胞，還有一層不透水 的油脂膜，所以皮膚基本 上是不透水的 。 18

奈米化妝品之影響 採用奈米載體的化妝品有 以下優點 : 可以控制活性 成分的釋放、更有效的輸 送系統、提高成分的穿透 率、減少活性成分的浪費、 活性成分較穩定。 19

奈米材料特性 量子尺寸效應 奈米粒子所包含的原子數 有限，各原子受到鄰近原 子的影響減小，形成非連 續的離散電子能接，而產 生量子限域效應 (quantum confinement) 。 20

奈米熱學性質 奈米粒子表面的高表面位 能，是燒結 (sintering) 過 程中促使原子移動的極大 驅動力，使奈米粒子比一 般大粒子更易於低溫燒結， 達到材料緻密化的目的。 21

奈米半導體 半導體材料 奈米化半導體的能隙會隨 粒徑變小而增大，激發與 發光波長亦隨之變小，這 種現象稱為「量子侷限效 應」 (quantum confinement effect) 。 22

奈米材料裝備 「由下而上」法 vs. 「由上而下」法 : 23

理想奈米粉體材料 奈米粉體材料為目前各類 奈米材料中發展最快，也 最為產業界廣泛應用的奈 米產品。 24

穿透式電子顯微鏡 電子顯微鏡 自古以來，人類對自己肉眼 看不見的事物一職充滿好奇。 自放大鏡與光學顯微鏡發明 後，人類的視力範圍便進入 了微米世界。但因光學顯微 鏡的解析度與波長成正比， 即便使用可見的最短波長 (400 奈米 ) ，觀察倍率僅達 一、二千倍，其解析度也僅 有約 0.2 微米左右，因此無 法觀察更微小的世界。 25

穿透式電子顯微鏡的構造 穿透式電子顯微鏡的應用 26

光清淨革命 光觸媒的登場 利用光觸媒的反應， 還可製成各式抗菌產 品，抑制細菌、病毒 的孳生減少過敏性疾 病及呼吸道的病變。 亦可利用光觸媒做癌 症的光化學療法，進 一步保障我們的身體 健康。 27

光觸媒是什麼 ? 光觸媒是一種物質，受到光的激發便能作為催化劑。 目前最常用的材料是二氧化鈦 (TiO2) ，它能有效處理 液態與氣態污染物，經由氧化還原反應將汙染物轉成 無污染物。 28

光觸媒是什麼 ? 觸媒是什麼 ? 在某一個反應中，反 應 A 經過一定的程序 後，反應形成產物 B 。 在這一個反應裡， A 要變成 B 時，需要克 服一定的能障，我們 稱之為活化能 。 29

光觸媒需要什麼樣個光 ? 光觸媒要在照光的環境 下，吸收了足夠的能量， 才會產生催化作用，以 刺激化學反應進行。基 本上在黑暗中，光觸媒 是不會作用的。 30

光觸媒 淨水清潔空氣 抗菌 醫療 防霧 防污 光清淨革命 空氣清淨機、除臭材料 抗菌磁磚 光化學療法 淨水器 玻璃、油漆、塑膠布 汽車、後視鏡 31

奈米科技對人類的影響 產業面的影響 奈米科技將全面影響所 有產業。就高科技產業 而言，將使記憶體 IC 、 資料儲存、平面顯示器、 儲能元件、生物技術突 破現有技術瓶頸，創造 新的高附加價值 。 32

奈米科技的挑戰與機會 33

 在過去的科幻小說中，曾經出現人類搭乘電梯上 太空的情節，太空電梯在過去的時代似乎只是幻 想出來的情節，但自從超高機械物性的奈米碳管 出現後，太空電梯已進入實質研發階段，不再只 是科幻小說的幻想了。 諾貝爾化學獎得主史莫利（ R. E. Smalley ）說： 「如果將奈米碳管及銅纜編織成支架，它的強度 可以支撐從地表拔地而起，位於 22,000 英哩高空 上的太空平台」。

製造太空電梯最大的問題，是以目前現有的材 料無法製造出太空電梯的纜線，因為太空電梯 使用的纜線，估計要比現有鋼材的強度強上 30 倍以上才行。而近年來開發的奈米碳管，它的 強度遠超過現有的鋼材達 100 倍，被認為是太空 電梯材料的一大進步。 除了太空電梯，奈米衛星也是未來奈米科技的 一項應用。太空科學界把 10 公斤以下的衛星稱 為奈米衛星，奈米衛星的體積很小，生產和發 射的費用很低，可以大量發射到太空中，並達 到大型衛星的主要功能。

 台灣是全世界第一個率先施行奈米驗證制度的國 家，由草創時期的嘗試與摸索，從無到有的，逐 步建立起奈米產品的驗證技術規範、實驗室的檢 測能量、以及嚴謹的審議流程，來為奈米產品驗 明正身。歷經從無至有的辛苦耕耘，今日奈米標 章已展現實力，建材、紡織、醫療等產業已開始 形成群聚效應，相信未來更多的創新應用領域， 正在逐漸發酵之中，期待將來以奈米優質的功能 性， 進一步開拓出先前未有的產品。