奈米科技簡介 報告人：路竹高中鍾志輝老師

奈米世界的奇觀 奈米鏡 奈米雨衣 奈米球 奈米透視片

奈米 奈米以　nm　來表示 nm 是　nanometer　的縮寫 １奈米 ＝ 10-9公尺 ＝0.000000001m 相當於十億分之一公尺

奈米有多小？

奈米．納米 ．塵米

1068 1064 1060 1056 1052 1048 1044 1040 1036 1032 1028 1024 1020 1018 1016 1015 1012 109 108 106 104 103 102 101 無量大數 不可思議 那由他 阿僧祇 恒河沙 極 載 正 澗 溝 穰 杼 垓 京 兆 億 万 千 百 十 零 SI system tera(T) giga(G) mega(M) kilo(k) 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 10-17 10-18 10-19 10-20 10-21 分 厘 毛 糸 忽 微 織 沙 塵 埃 渺 漠 模糊 逡巡 須臾 瞬息 彈指 剎那 六德 虛空 清淨 milli(m) micro(u) nano(n) pico(p) femto(f) atto(a)

原子 原子核 分子 奈米科技 人的身高 一元硬幣 紙張厚度 頭髮粗細 積體電路 公 里 公 尺 公 釐 毫 米 微 米 奈 米 埃 皮 米 (次微米) 103m 1m 10-2 10-3m 10-6m 10-9 10-10m 10-12m 10-15m (Km) (mm) (um) (nm) (A) (pm) (fm) 公 里 公 尺 公 釐 毫 米 微 米 奈 米 埃 皮 米 費米

費曼的預言 ….我想操作與控制微小物體是可以做到的。 有一天，我將可以將能夠把整個 圖書館的藏書儲存到針尖上。 1959 There’s plenty of room at the bottom ….我想操作與控制微小物體是可以做到的。 有一天，我將可以將能夠把整個 圖書館的藏書儲存到針尖上。 在原子的世界裡將有新的力量、新的可能性、新的影響，但問題是如何製造原子尺度的材料與重複的生產，因為原子世界的事物與普通世界不同。

費曼的預言 費曼的幻想：我們可以用普通大小的儀器來製造較小的儀器，而較小的儀器又可以製造更小的儀器，就這樣一步步縮小尺度，最後人類終將可以依照自己的意志來排列、重組原子。如此將可對人類科技與生活創造出新的奇蹟。 「在極小（奈米）的領域裡有極大（發揮）的空間。」 There’s plenty of room at the bottom (1959)

奈米科技（nano-technology） 大 奈 二 巨觀現象 100 nm 介觀現象 小 0.1 nm 微觀現象 指在奈米尺度下（0.1~100 nm）操控原子、分子，並活用奈米尺度下表現出來的特殊物性、化性和生物性質，開發創新材料、製程、元件和系統產品的科技。

奈米科技的三大領域 奈米材料 奈米元件 奈米檢測技術

奈米科技的特徵 一般傳統科學理論、技術及現象均已不得適用，因為在奈米尺寸物理性質是截然不同的，一但物質尺寸小到「0.1奈米至100奈米」範圍中，通常都會產生新的特性與現象。 奈米尺寸下的物理特性﹕ 一．小尺寸效應 二．表面積效應 三．穿隧效應 (Tunneling effect ) 四．庫倫堵塞效應(Coulomb blockade)

小尺寸效應 顆粒變小時所產生的光、聲、電、磁、熱等性質變化。 譬如：特別強韌、超耐熱或導電性超強。 例如： 「金」元素在奈米層級時，顏色會改變，而且還會變成一種觸媒。許多以前無法解決的問題將一一消失，取代以新的課題。

表面積效應 總原子個數 表面原子個數 表面原子比例 8 100% 27 26 96.3% 64 56 87.5% 125 98 78.4% 5╳5╳5 4╳4╳4 3 ╳3 ╳3 2╳2╳2

表面積效應 以銅奈米顆粒為例： 粒徑減小到 10 nm 時， 表面粒子佔 20%總粒子 r ~ 4 nm 佔 40%總粒子 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

穿隧效應 (Tunneling effect ) Particle in energy well with Vo barrier Corresponding wave function

庫倫堵塞效應(Coulomb blockade) 當材料尺寸縮小到奈米級時，電荷的充放電過程會變成不連續過程，充入一個電子所需的能量為e2/2C（C為電容），奈米顆粒的尺寸越小，充入電子所需的能量越大，所以當顆粒小到一種程度時，電子的傳輸是一個一個的進行，而非整體的輸送。 奈米材料之電流-電壓曲線與塊材明顯不同。

奈米科技的範圍 奈米科技涵蓋的領域甚廣，從基礎科學橫跨至應用科學，包含物理、化學、材料、光電、生物、醫藥、環保與能源等重要課題。奈米技術相關產業乃是廿一世紀全球最具關鍵性的產業。

磁導航系統 磁導航系統 鮭魚、龍蝦、螃蟹、飛翔的鳥類、鴿子、蜜蜂的體內，存有如磁石、羅盤功能的極微小粒子。 黑面琵鷺

磁感細菌的磁性為單一磁區 各種磁感細菌的磁性晶體

生物體的奈米結構 這是關於巨噬細胞怎樣攻擊外國入侵者 神經細胞 來源：www.hybridmedicalanimation.com

奈米生醫 DNA1 DNA2 DNA3 DNA4 圖為基因透過轉錄及轉譯過程合成蛋白質 轉載自http://www.twocw.net/

奈米膠囊 奈米巴克球膠囊 奈米標化 奈米驗孕筆 奈米在生醫的應用 奈米膠囊 奈米巴克球膠囊 奈米標化 奈米驗孕筆

其他生物體中的奈米結構 1.分子馬達 2.葉綠體、粒腺體 3.小腸絨毛 4.海老鼠 5.壁虎的腳 6.海豚的皮膚 來源：www.hybridmedicalanimation.com

多吸多營養---小腸絨毛 小腸壁上佈滿了褶皺及手指狀的絨毛， 絨毛上又覆蓋了一層奈米尺寸的微絨毛 (直徑90-100 nm)。 總面積達300平方公尺，與平滑的內壁相較，吸收效率足可提高600倍。

小腸微絨毛 小腸絨毛

看我壁虎功的厲害 壁虎每只微小的腳上都有近兩百萬根細毛。 壁虎腳底大量的細毛與物體表面分子之間產生了『凡得瓦力』。每平方吋可支撐200磅的重量。

壁虎腳上的細毛

海中的精靈—海豚 海豚的皮膚肉眼看來光滑，實則佈滿了奈米尺寸的微小突起。 這些突起物，可讓海中有害的微生物無法附著其上，具有自我清潔的功用。

自潔作用

藤壺 海洋甲殼動物，以底部固著於硬地層或其他生物體上。軀體藏於由石灰板組成的甲殼內。 利用變形的胸肢(蔓足)濾食水中的顆粒。

病毒的傳遞西尼羅河病毒怎樣被一只蚊子的唾液傳送 病毒是生物？還是無生物？ 病毒的大小大約10-100 nm，可以說本身就是個奈米結構。 SARS冠狀病毒 病毒的傳遞西尼羅河病毒怎樣被一只蚊子的唾液傳送 來源：www.hybridmedicalanimation.com

4.壁虎膠帶

--奈米機器人的尺寸極小，小到如同病毒、細菌或細胞一般大小，奈米機器人不需模仿人類的行為，它可以如病毒、細菌或細胞一樣只有某種特定的功能。 --奈米機器人可以攜帶某種化學物質進入人 體，不論救人或致人於死都可以。

奈米機器人nanobots侵襲金黃色葡萄球菌細菌 來源：www.hybridmedicalanimation.com

奈米材料的條件 微粒尺寸和晶粒尺寸是否小於100nm？ 是否具有不同於一般常規材料的性能？ 這兩條件缺一不可

奈米材料的分類 按三維空間的尺度可分為 零維奈米材料：三維尺度均在奈米量級。 如原子簇、奈米微粒、奈米粉末。 零維奈米材料：三維尺度均在奈米量級。 如原子簇、奈米微粒、奈米粉末。 一維奈米材料：三維尺度中有兩維在奈米量級。 如奈米棒、奈米絲、奈米線、奈米管、奈米纖維。 二維奈米材料：三維尺度中只有一維在奈米量級。 如奈米薄膜。

奈米材料－奈米碳管 「奈米碳管」是一種由碳元素所構成，結構為石墨捲成的奈米管狀結構，是碳的同素異構物。

碳的同素異構物 石墨 鑽石 芙(碳六十) 奈米碳管

3.芙－碳六十 一九八五年，美國化學家史莫利、柯爾與英國化學家克魯托，三位科學家將雷射光激發於石墨上，再將所得碳簇中較穩定的兩種物質，置於質譜儀上，結果得到令人驚訝的發現，這兩種物質的重量，分別為碳原子的六十倍與七十倍，所以就將它們定名為碳六十（C60）與碳七十（C70） 碳六十模型 碳七十模型

3.芙－巴克球 在1987年克魯托到蒙特婁巨蛋參加博覽會，發現屋頂上五角形與六角形的交錯結構，因而觸發了他的靈感，進而成功的破解了碳六十的結構，之後，大家才得知碳六十是具有20個六邊形及12個五邊形交錯構成的一個封閉中空的球體，形狀有如一顆足球，共有32個面。十年後（1996年）史莫利等三位教授也因此而獲頒諾貝爾化學獎。 為了紀念此事，克魯托便將「碳六十」以蒙特婁巨蛋的建造者巴克尼斯特-富勒（Buckminster Fuller）之名來命名，但因為他的名字太過冗長，因此一般通稱為碳六十或巴克球（Bucky Ball），也有人稱此類化合物為富勒烯（Fullerene）（芙）。

4.奈米碳管 單層奈米碳管 1991年，日本的飯島澄男偶然在實驗室發現某種針狀物，分析其結構，發現這些針狀物為碳原子構成的中空管狀體，直徑約為數奈米至數十奈米，長度可達數微米，如圖所示，後來世人稱此中空管狀物為奈米碳管。

4.奈米碳管 奈米碳管的直徑約為數奈米至數十奈米，而長度可達數千奈米。

材料科學的明日之星-奈米碳管 奈米碳管可以用來製造強度是鐵的100倍的光纖，而且重量只有鐵的六分之一。 售價:目前每公克500美元，是黃金的58倍 。

4.奈米碳管應用 場發射顯示器：FED （Field Emission Display） 　利用單層奈米碳管，可將無數個微形電子槍取代陰極射線管的一根電子槍來發射電子，如此發射端可以和螢光幕離得很近，使整個顯示器的厚度可以小於1公分。因此以後的電視很有可能都只有薄薄的一層。

生活中的奈米科技產品 奈米鞋

奈米塗料 傳統塗料 以奈米技術製成的塗料，利用蓮花效應，將使得牆壁具有不沾染污物的優點。 Lotus Effect 牆面明顯留下污物痕跡，可為細菌之培養基 自潔效果

奈米燃料電池 可繞式奈米光電池 奈米光碟—超容量 奈米顯示器.wmv隨身戴 奈米能源技術的發展與應用 資料擷取自工研院 手機可以待機一百天，充電也只要幾秒鐘，電池可用五百次 奈米光碟—超容量 奈米顯示器.wmv隨身戴

奈米光碟: 奈米光碟的超大容量，是一般普通光碟容量的「一百萬倍」。 記 憶 體: 奈米記憶體可以將大英百科全書存於「針尖」大小的體積，亦可把美國國會圖書館的全部藏書，儲存於「方糖」般大小的體積中。

奈米顯示器「薄如紙片」，耗電量極 低，並可以捲，便於攜帶

奈米機器人影片

假如有人問我：在可預見的未來，哪個科技領域會有突破性的進展？我的回答將是奈米科技”。 　　　-- Neal Lane 　　　　　 前美國總統科技顧問 奈米科技提供了我們能操控原子和分子的工具。由於所有的物質都是以它們來建構的…創造新事物的可能性，顯得無遠弗屆”。 　 -- Horst Stormer 　　 1998年諾貝爾物理獎得主

鄭天佐院士談原子操縱術 節錄自公共電視 圖為鄭天佐院士領導的團隊以電場蒸發技術製作的臺灣奈米圖（轉載自科教館鄭天佐院士講稿）

如何進入奈米的世界？ 掃描電子穿遂顯微鏡

原子力顯微鏡之應用 記錄媒體業 (碟片記錄點檢測) 半導體業 (積體電路檢測) 生物學 (生物檢體檢測) 材料科學 (材料表面結構分析) Source:工研院機械所 羅士哲 博士

IBM千足蟲計畫 IBM的千足蟲計畫將AFM技術運用在資料儲存技術上，使得一張郵票大小的面積，可儲存相當於25片DVD光碟片(100Gb)容量。 Source: IEEE Transactions on Nanotechnology, Vol. 1, No. 1, 39-55; March 2002.

奈米操控AFM of polymer surface.avi Source: PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 91, NO. 11, NOVEMBER 2003 http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/

量子圍欄

奈米創造無限可能 以矽晶表面原子的掃描穿隧顯微照片搭配宇宙想像圖來凸顯奈米科技的寬廣潛力

未來世界影片

奈 米 省 思 ”奈米”＝”高價”？ 奈米豆漿、奈米口罩... 粒子微小化→危機？轉機？ 奈米級中藥爆炸、奈米粉塵污染... 自組裝→無限複製→無法控制？ 奈米機器人...

看不見的奈米危機 ２００４年７月２９日美國的《科學此刻》及２００４年８月４日《自然》雜志分別介紹了該研究小組的報告，對奈米污染發出預警。報告指出，“遊離的奈米顆粒和奈米管可能會穿透細胞，產生毒性”；對於環境來說，“奈米科技可能是柄雙刃劍” 2000年以來已陸續有科學家針對奈米微粒對人體健康的研究發表，指出奈米微粒的確會影響人體器官，尤其是敏感的肺臟。 奈米微粒自肺部移向腦部 。 奈米微粒自肺部進入血液中 。 對於“奈米污染”問題，整個社會還處於懵懂狀態

看不見的奈米危機 含有奈米顆粒或奈米纖維的紡織品或生活用品中，奈米材料會隨時間推移而脫落，脫落的奈米顆粒、纖維或含有奈米材料的衣物是否會給直接使用的人體和環境帶來危害，目前沒有人知道。 此外，人體各種功能細胞尺寸大都在微米級，比奈米微粒的尺寸大得多，奈米尺度顆粒或奈米纖維很容易進入細胞。這為醫學、生物學、藥學研究帶來了方便，也可能帶來了隱患。如某些化妝品中的奈米顆粒是否會在使用時進入人體皮膚細胞，甚至人體內部而產生危害？目前也沒有人知道。 我們對“奈米”的認識才不過二、三十年的時間，對於奈米科技與材料的研究仍然處於探索階段，還需要進行長期的基礎研究。

我的報告結束了 謝謝您