奈米簡介 編輯製作：化學科教師 張鑽銘

1.「奈米」是啥米碗糕？ 它是一個長度單位。 「奈」是nano的譯名，表示10-9， 奈米即代表十億分之一米。

使用最精密的電子顯微鏡才能觀察到 奈米尺寸。 「病毒」的直徑約60～250 奈米， 「紅血球」的直徑約2,000奈米， 「頭髮」的直徑約30,000 ~50,000奈米。 一個奈米大概是3～4個原子相連的長度， 約等於人類頭髮直徑的十萬分之一。

「牛頓雜誌」曾經以地球作比喻： 如果地球的直徑只有一米， 一顆彈珠的直徑就相當於一個奈米 。 圖片來源：圖解奈米科技與光觸媒， 呂宗昕，商周出版社。

奈米科技已成為廿一世紀最重要的科技領域之一 ， 將引發人類社會的第四波工業革命。 化工、電子、光電、機電、生物及醫學等領域， 都將結合奈米科技的創新技術，開創出更快、更實用、 更輕薄短小、前所未有的革命性新產品。 圖片來源：圖解奈米科技與光觸媒， 呂宗昕，商周出版社。

2.自然界中的奈米結構 許多昆蟲的翅膀表面具有奈米構造， 即使有灰塵或小水滴落於翅膀上， 也能很輕易地將其抖落。 以免因重量不平均而造成問題 。

許多夜行性的飛蛾， 角膜表面具有奈米級甚至還小於光線波長 的細小突起，反光性極低， 而且似乎可以吸收來自四面八方的光線， 以避免被敵人發現 。

市面上已有具「蛾眼效應」 的不反光玻璃， 應用於鏡片、電視及 電腦螢幕。

「蓮花效應」 －出淤泥而不染 荷葉表面有許多突起高度5～15微米的表皮 細胞，表皮細胞上覆蓋有長度約100奈米疏水性 的含蠟絨毛。 「蓮花效應」 －出淤泥而不染 荷葉表面有許多突起高度5～15微米的表皮 細胞，表皮細胞上覆蓋有長度約100奈米疏水性 的含蠟絨毛。 表皮細胞將水珠頂起，水珠無法與葉面完全 接觸，含蠟絨毛再削弱水珠與葉面的吸附力量， 更加強荷葉的疏水能力。只要給予少許動能， 水珠就能在葉面上快速移動，將灰塵帶走。

市面上已有仿效荷葉 「自潔效應」的 奈米磁磚及奈米烤漆等產品。

方向感絕佳的動物，會自己找到 回家的路， 例如：螞蟻、蜜蜂、鴿子和鮭魚等。 這些生物體內，都具有奈米級 磁性粒子(生物磁羅盤) ， 能感應地球磁場的細微差異， 作為導航的依據。

甲蟲殼、魚鱗及蝴蝶翅膀含有各種色素，或具有特殊的週期性排列－「光子晶體（photonic crystals）」的顯微結構，其週期在數百奈米左右 ，可以選擇性地反射可見光，而讓其餘顏色的光穿透 。 當光與光子晶體所產生的夾角改變時，光子晶體會反射不同頻率的光，所以翅膀的顏色會隨觀看角度而改變。

3. 人體的奈米結構 小腸內壁所佈滿的絨毛 上覆蓋一層纖細的 微絨毛（直徑90~100 奈米，長度1.1微米）

細胞內外也有許多奈米尺寸的構造及元件 。 例如： 攜帶遺傳密碼的物質DNA （去氧核醣核酸）， 交纏的兩股之 直徑只有2奈米。

細胞膜的厚度則約為7~10奈米， 膜上的離子通道（ion channel）外徑在 10奈米以下，而內徑則僅有1~2奈米寬。 圖片來源：圖解奈米科技與光觸媒， 呂宗昕，商周出版社。

4.奈米材料 長、寬、高三個方向中， 至少有一個的長度在1~100nm間的材料。

(1)二維奈米材料： 三個方向中有一個方向的長度在奈米尺度內。 (2)一維奈米材料： 三個方向中有兩個方向的長度在奈米尺度內。 例：奈米碳管(石墨捲曲而成的中空 管狀結構， 管徑約1~數十nm， 長度可達數mm)。 (3)零維奈米材料： 三個方向的長度都在奈米尺度內。 例：芙樂烯－60(C60，直徑約0.7nm)。

5.奈米材料的特性 化學反應性更大， 表面原子比例(表面原子數/總原子數) 比塊材增大許多， 奈米粉體吸附能力較高，易參與化學反應。 表面原子比例(表面原子數/總原子數) 比塊材增大許多， 奈米粉體吸附能力較高，易參與化學反應。 粒俓(nm) 總原子數 表面原子比例 10 30,000 20 5 4,000 40 2 250 80 1 30 99

【問題】分別計算一個長、寬、高均為 (1)10個原子、(2)5個原子所組成的 立方體型粒子，其表面原子數占 總原子數之百分比？ 【問題】分別計算一個長、寬、高均為 (1)10個原子、(2)5個原子所組成的 立方體型粒子，其表面原子數占 總原子數之百分比？ 【答】(1)內部原子數：8×8×8=512， 總原子數：10×10×10=1000， 表面原子數占總原子數之百分比= (1000－512) ÷1000×100%=48.8% (2)內部原子數： 3×3×3=27， 總原子數：5×5×5=125， 表面原子數占總原子數之百分比= (125－27) ÷125×100%=78.4%

光學性質： 因尺度的不同而有所變化， 例如：金奈米粒子(nanoparticle)顏色 不再是金黃色而呈紅色。 藍移（blue shift）現象 奈米粒子對光及微波的吸收度顯著提高， 且因能階差變大，使激發光譜與發光光譜 趨向短波長，可作透明及隱身的材料。

超塑性及延展性 力學上， 縮小至一定臨界值的奈米晶粒， 硬度會隨粒徑變小而降低， 且有更多擴散途徑，超塑性及延展性更好。 力學上， 縮小至一定臨界值的奈米晶粒， 硬度會隨粒徑變小而降低， 且有更多擴散途徑，超塑性及延展性更好。 例：瓷器是「易碎品」， 奈米瓷器材料「可在室溫下任意彎曲」。

熱學方面， 奈米粒子的熔點明顯較低， 易於低溫燒結， 利於材料的緻密化。

電學方面， 奈米金屬的導電性會下降，由導體變成 絕緣體。 電學方面， 奈米金屬的導電性會下降，由導體變成 絕緣體。 例如：銅是「良導體」， 奈米銅是「絕緣體」； 絕緣層會有電子穿隧現象， 破壞電晶體閘極（Gate）絕緣功用 。

磁性方面， 奈米鐵、鈷、鎳合金具有強磁性，且 訊雜比(S/N)極高、粒子間磁性的互相 干擾極弱。 利用適當的表面活性劑， 分散於液體時可作強磁性的磁流體， 應用於鐵性雜質的連續分離。

6.奈米碳管 1991年日本NEC公司飯島澄男(Sumio Iijima) 教授利用電弧放電製備C60分子時首先發現。 分為單層結構 與多層結構

7.奈米碳管的特性 質量輕、彈性佳， 抗撓曲能力強(可承受很大的反覆彎曲力量 而不斷裂)，強度是「鋼的100倍」。 可承受高的電流強度， 抗撓曲能力強(可承受很大的反覆彎曲力量 而不斷裂)，強度是「鋼的100倍」。 可承受高的電流強度， 熱傳導能力極佳(約為鑽石的兩倍)， 化學性穩定(真空下熱穩定性可達2,800℃， 大氣下亦可達750℃)， 氣體吸附能力優異； 不同管徑及形態的奈米碳管可具有金屬導體 或半導體的特性。

8.奈米碳管的用途 場發射顯示器(FED)之尖端放電材料、 化學感測器、奈米溫度計 (可偵測微血管或電子電路 等微小元件溫度)、 燃料電池之儲氫材料、 高強度複合材料。 場發射顯示器基本結構

9.奈米光觸媒 以奈米級二氧化鈦為主要原料。 平均粒徑(nm) 210 0.5~20 單位質量 總表面積(m2/g) 8 200 塗料級(立可白、油漆) 光催化級 平均粒徑(nm) 210 0.5~20 單位質量 總表面積(m2/g) 8 200 密度(g/cm3) 4.2 3.9

【問題】若立可白修正液中所含的 二氧化鈦粒子平均直徑為 200nm，而市售的光觸媒 產品中之二氧化鈦粒子 平均直徑為25nm，則： 立可白修正液一顆二氧化鈦 粒子的體積約與幾顆二氧化鈦 光觸媒粒子相當？ 【答】(200/25)3= 512顆

10.奈米光觸媒使用原理 二氧化鈦光觸媒吸收紫外光 →內部電子激發至較高能態(活性增大) →與週遭H2O或O2分子進行氧化還原反應， 產生氫氧自由基·OH等活性物質： O2+e－→ ·O2－， ·O2－+H+→HO2 · 電洞+(被觸媒表面缺陷捕捉)+H2O → ·OH+H+ →引發其他氧化還原反應， 達成殺菌、除臭功效。

二氧化鈦照光後可催化水或氧氣

11.奈米光觸媒用途 淨化空氣、除臭殺菌、 污水處理； 因不沾附油污， 可開發自潔磁磚、 奈米塗料、防霧處理。

玻璃上塗布二氧化鈦膜，經過照光後， 半球形的水滴散開，平舖在薄膜表面，稱為 超親水性(superhydrophilicity)。 紫外光可以除去表面部分的氧離子， 面積在數百平方奈米的缺氧區域就是親水區； 而仍有氧離子的為疏水區， 兩者比鄰相間，水珠就無法維持表面張力 而散開，形成均勻的水膜。

如果二氧化鈦表面塗油，照光後水可以滲入油層下方，使得油污容易清除。 換句話說，二氧化鈦光觸媒塗覆的表面 有「自潔」的功能。