奈米科技之現況與發展 中興大學研發長 薛富盛 教授

十億分之一米有多長?

奈米科技(Nanotechnology) Diameter of 1.4 nm Pentium 4 Fe atom 1 cm 100 mm 0.1 mm 100 µm 0.01 mm 10 µm 0.1 µm 100 nm 0.01 µm 10 nm 1 nm 0.1 nm Red cells & White cells 2 - 5 µm Atom < 1 nm DNA 2 ~ 0.5 nm

地球VS彈珠 《牛頓》雜誌比喻，地球直徑的十億分之一，約只有一顆彈珠的大小，由此可知十億分之一公尺有多微小了。 地球直徑約為12萬7千公里,而十億分之一約是12.7厘米,就大概是一顆彈珠的大小了。

奈米材料的基本定義 任何材料的尺寸，三個維度之中，至少一個維度的長度是奈米級（1∼100nm），稱之為奈米材料。 除了尺寸的限制之外，奈米材料在結構上可分三種形式：顆粒狀（零維奈米材料，0D）、柱狀或線狀（一維奈米材料，1D）以及層狀（二維奈米材料，2D）。

干將、莫邪 寶劍 越王寶劍千年不壞，主因是劍的表面有一層鉻鹽化合物。鉻是極耐腐蝕、極耐高溫的稀有金屬，熔點在4000℃左右。科技尖端國家如德國、美國，遲至二十世紀（一九三七、一九五○年）才發明並申請鉻鹽氧化的專利，而兩千多年前，中國就已運用成熟，怎不教人驚訝？ 另外，這些青銅器等表面，均含大量的奈米晶粒。這或許也是讓寶劍削鐵如泥最大的原因吧！

奈米材料的基本特徵 當材料尺度由巨觀到微米，再縮小到奈米時，它所代表的意義並不只是尺寸的縮小，許多嶄新而豐富的物質特性，如光學性質、磁性、電性、導熱性等，亦隨之出現，因此也就衍生了許多新的應用。 小尺寸效應 表面與界面效應 量子尺寸效應 巨觀量子隧道效應

奈米獨特的物理現象

奈米的新特性--小尺寸效應 由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。 對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質。

奈米的新特性--表面效應 以銅奈米微粒子為例子： 粒徑減小到 10 nm 時， 表面粒子佔全部粒子的 20% r ~ 4 nm 40 % 由於表面粒子數增多 鍵態嚴重失配  出現 非化學平衡、 非整數配位的化學價 出現許多活性中心 i.e. Nano system 的化學性質 與一般化學平衡的體系 可以出現很大的差異 化學平衡體系不可逆反應變成可逆二次電池 化學平衡體系可逆反應變成不可逆選擇性很好的催化 or chemical sensor 非平衡動態材料工藝學在傳統相圖中根本不互熔之物質在 Nano System 狀態下形成固熔體 e.g. Fe / Al , Fe / Ag , Fe / Cu 合金

奈米的新特性--量子尺寸效應 【原子】各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。 【固體】固體時，單獨原子的能階就並合成能帶，由於電子數目很多，能帶中能階的間距很小，因此可以看作是連續的，從能帶理論出發成功地解釋了金屬、半導體、絕緣體之間的聯繫與區別。 【奈米粒子】對介於原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能階﹔能階間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能階間距還小時，就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。

奈米的新特性--宏觀量子隧道效應 微觀粒子具有貫穿電位障的能力，稱為隧道效應。 近年來，發現一些巨觀量子如微顆粒的磁化強度、量子干涉元件中的磁通量等也具有隧道效應，稱之為宏觀量子隧道效應。

自然界中的奈米世界

蜜 蜂 英國的科學家發現，蜜蜂的腹部存有磁性奈米顆粒，這種奈米顆粒具有『羅盤』的功用，可以做為蜜蜂的行動導航。

壁 虎 璧虎如何獲得攀附的力量？

璧虎的腳毛結構 Setal area 30,000 x 115,000 x

壁虎膠帶 2 mm 3 N/cm2

蜘蛛潔窗機

自然界中的例子(光) 光子晶體雖然是個新名詞，但自然界中早已存在擁有這種性質的物質，盛產於澳洲的寶石蛋白石 即為一例。蛋白石是由二氧化矽奈米球(nano-sphere)沉積形成的礦物，其色彩繽紛的外觀與色素無關， 而是因為它幾何結構上的週期性使它具有光子能帶結構，隨著能隙位置不同，反射光的顏色也跟著變化； 換言之，是光能隙在玩變彩把戲。 蛋白石

蝴 蝶 在生物界中，也不乏光子晶體的蹤影。以花間飛舞的蝴蝶為例， 其翅膀上的斑斕色彩，其實是鱗粉上排列整齊的次微米結構，選擇性反射日光的結果。幾年前，科學家發現澳洲 海老鼠的毛髮也具有六角晶格結構，為生物界的光子晶體又添一例。 翅膀鱗粉具有光子晶體結構的蝴蝶

Butterfly Wing www.pbrc.hawaii.edu/bemf/ microangela/fly2b.htm This is part of a butterfly wing. The wings of moths and butterflies may be plain-colored or may have striking and colorful patterns. The wings themselves don't have much color; it is the presence of scales on the wings that produce the patterns. Each wing may have hundreds or thousands of scales that contribute to the wing color pattern. When you catch a butterfly or moth you may notice a powder that rubs off of them. This powder is a bunch of tiny scales. This is magnified about 75 times. www.pbrc.hawaii.edu/bemf/ microangela/fly2b.htm

蓮葉的微觀世界

Abb. 7: Selbst hochviskose Flüssikeiten wie Honig laufen von der extrem antiadhäsiven Oberfläche des Löffels rückstandsfrei ab. Abb. 9: Selbst ein fettliebender Farbstoff, der von der Polizei zum markieren von Geldscheinen verwendet wird, kann dank Lotus-Effekt mit ein wenig Wasser von der Blattoberfläche weggespült werden Abb. 8: Ein Tropfen nimmt beim Abrollen die lose auf dem Blatt aufliegenden Schmutzpartikel auf und reinigt so die Oberfläche. Abb. 6: Auch Klebstoff auf Wasserbasis bleibt nicht haften, sondern läuft vom Blatt der Lotuspflanze ab.

鵝毛鴨毛不透水 水黽行走於水上 由於雁鴨及鵝類動物其羽毛上具有奈米顆粒的防水結構，故可浮於水面上。 水黽的足部末端具有奈米顆粒的組織，可行走於水面上。

奈米科技的發展現況

奈米技術的應用領域 建構奈米結構‧集合體發現物質之新性能與機能創製新材料 高機能新材料 (輕量‧耐熱‧高強度材料) 安全‧環境淨化材料 資訊‧通信機材材料 診斷‧醫療材料 應用領域 發光顯示素子材料 創出新奈米結構材料製造技 電子元件材料 高分子‧無機奈米結構材料 ‧控制奈米結構 之高分子 ‧陶瓷 ‧超級金屬 多孔‧高比面積奈米結構體 ‧活性碳纖維分離膜 ‧有害物質分離陶瓷 ‧光觸媒微粒子 碳奈米結構體 ‧奈米碳管 ‧鑽石薄膜 ‧有機EL 生化相關結構體 ‧DDS(Drug Delivery System) ‧生體模仿素子 ‧高感Sensor素材 奈米結構體‧材料 奈米製造基礎技術 ‧製造法、設備 ‧操縱、加工法 ‧觀察方法 無機奈米元件 ‧量子效果元件 ‧單一電子元件 ‧新世代記憶元件 建構奈米結構‧集合體發現物質之新性能與機能創製新材料 大幅改善電氣‧磁氣‧光學‧力學度‧耐久性‧輕量性‧耐熱性‧分離能‧觸媒能力‧生體適合性‧環保調和性‧分解性等材料特性 奈米製造基礎技術 橫跨物理‧化學‧物質科學‧分子生物學‧電子‧計算學‧測試‧控制技術之研發 奈米製造基礎技術之建構 ‧奈米單元製造技術開發 ‧奈米力學之研究

奈米科技之生活應用 衣 育樂 食 住 行

奈米科技對未來生活的影響

奈 米 水 水(H2O)，水是由許多個H2O組成環狀結構， 分子對撞機可以撞開這個環狀結構，使分子大小接近奈米級，更容易為人體吸收。 奈米水因為細小，能快速的穿透細胞膜，進入血管、脂肪，促進脂肪代謝和排出。 一般水和奈米水的不同，一般水滴在蓮葉上會形成顆粒狀，奈米水則呈平面狀。

奈 米 保 養 品 奈米科技早已經應用在防曬品上，奈米講求的極微細化，可以強化保養品的吸收效果，也進一步應用在美白、保濕和除皺等產品上。

醫 藥 奈米技術可讓製藥原料粒子變小，只要粒子小，溶解速度自然快，藥效可以更快被人體吸收。 醫 藥 奈米技術可讓製藥原料粒子變小，只要粒子小，溶解速度自然快，藥效可以更快被人體吸收。 奈米制酸劑放入口中，粉末立即溶解，明顯區分出與其它藥品粉末的口感。制酸劑的藥效作用也快上好幾倍。 胰島素脂質體(85nm)可保護胰島素在小腸的活性並促進胰島素的吸收

奈米生物晶片 奈米技術運用在生物晶片上，一次可以檢驗多種細菌，而且只要幾秒鐘就能檢驗出病灶，準確度及速度是傳統檢測的一百倍。

奈米材料應用-光觸媒TiO2粉體

奈米粉體製造設備與產業關連

生物科技(BT)領域之技術革新 醫學與材料學之融合  開發生物奈米機械 醫學與電子工學之融合  創造活用生物原理之元件 醫學與材料學之融合  開發生物奈米機械 醫學與電子工學之融合  創造活用生物原理之元件 不須使用手術刀之手術 開發長生不老藥 開發人體五種感官Sensor 人工視覺sensor與感覺傳達材料之例 只攻擊病毒之奈米機械

電子鼻 Nose-handheld detector

奈米科技之應用 — 衣

運動鞋 運動鞋若加入奈米的複合性材料，不僅可降低重量、強度外，有可能大幅提升其他功能。

奈米自潔領帶、衣服 纖維表面噴塗上一層氧化鈦奈米微粒處理，可使材料呈現超常的雙疏性(疏水和疏油)。經「超雙疏」界面材料處理過的棉、麻、毛、絨、絲及化纖等各種紡織品都將具有對水、油等物質「不沾」的「超疏」特性。 此特性不會影響紡織物原來的特性。用這種紡織料製作的衣服，可以減少衣服的洗滌次數，可使人們告別大量使用清潔劑的時代。

奈米抗輻射衣服 專為孕婦及電腦工作者所研發的抗輻射服裝已問世。這種服裝的纖維中添加了抗輻射的SiO2微粒等添加劑，使其能夠阻隔95﹪以上的電磁波和紫外線的輻射。且這種服裝的抗輻射物質不揮發、不溶於水，可以持久保有抗輻射的能力。

奈米抗菌衣服 奈米層狀銀(Ag)系無機抗菌防霉母粒及纖維，用此纖維製作之奈米抗菌衣具有高效抗菌性，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌性全部達到99.9﹪；對預防淋病和肝炎病毒、殺死塵螨有顯著功效。並經醫藥科學證明對皮膚無刺激性、對人體無毒，非常安全。

奈米科技之應用 — 住

自潔塗料 奈米自潔塗料具有防污能力，乃因塗料表面具有奈米尺寸的大小孔隙，不易沾惹塵埃，所以奈米塗料的表面可常保清潔。具有如同蓮花表面之「自我清潔」能力。 microns nano

抗菌陶瓷 陶瓷表面進行奈米處理可以防污抗菌，運用奈米技術製程於衛浴設備中，如洗臉盆、馬桶等產品上層塗上一層奈米級釉料，除了可以產生更光滑細緻的表面，還可使髒污不易停留在設備表面上，完全達到抗污防菌的效果。

奈米科技之應用 — 行

汽車、航太和航空 奈米科技應用在航空航太領域，不僅是減輕負擔，更重要的是有加強防護作用，如將機械體表面奈米化，可使機體表面因蓮花效應而更加抗熱、抗磨損及抗宇宙射線，且可使各項裝備的耐腐蝕、吸波性和散熱性大為提昇，應用在汽車上也很實用。

汽車塑膠 豐田汽車採用PP(聚丙烯)/EPR(乙丙橡膠)/滑石粉奈米複合材料，克服了以往PP韌性材料增加而斷裂延伸率下降的缺點，他兼具高流動性、高剛性和耐衝擊性，用於製造汽車前、後保險槓。

奈米科技之應用 —育樂

100 GB奈米光碟 以奈米光學技術研發出單片容量1ＯＯＧＢ（一千億位元組）、可錄製超過廿部電影的光碟片。  

奈 米 染 料 顏料粒子小至奈米級時，光散射現象減少、光的純度佳，能夠充分展現自然鮮豔的色澤，加上顏料耐水、耐光的特性，將能在印刷、塗料、及室外列印方面，開創更大的應用空間及市場

奈米碳管場發射顯示器 奈米碳管可用於電視、個人電腦顯示器，可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面顯示器。