奈米知識教學園地 奈米是什麼？ 「奈米」是英文 nanometer 的譯名，還有一種說法是源自拉丁文「 NANO 」，意思是 「矮小」。奈米是一種長度單位，數學符號為 nm ；一奈米為百萬分之一公釐，也就是 十億分之一公尺（ 10 -9 米），相當於 4 個原子的直徑，是 10 個氫原子並排起來的長度。

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1 奈米知識教學園地 奈米是什麼？ 「奈米」是英文 nanometer 的譯名，還有一種說法是源自拉丁文「 NANO 」，意思是 「矮小」。奈米是一種長度單位，數學符號為 nm ；一奈米為百萬分之一公釐，也就是 十億分之一公尺（ 10 -9 米），相當於 4 個原子的直徑，是 10 個氫原子並排起來的長度。 由奈米材料組成的物質，是看不到、摸不著的微細物質，如果用實物來比較：人的頭 髮一般直徑為 20 至 50 微米，約 2 萬至 5 萬奈米長；一個典型的病毒大約有 100 奈米長。 資料來源： http://k12mn.nano.edu.tw/pages/Communication/TeachProject/ 前言： 1996 年諾貝爾化學獎得主 Smalley 於 1999 年美國參議院奈米科技聽證會上強調：「奈 米科技對未來人類健康及生活福祉之貢獻，絕對不亞於本世紀為電子產品、醫學影像、 電腦輔助工程、人造高分子材料的總合貢獻」。隨科技發展日新月異，反應慢、笨重 的材料已日漸被淘汰，取而代之的是反應速度較快且體積微小的奈米材料。以長期的 眼光來看，Ｋ－１２之學生將是未來十至二十年台灣於各國奈米領域發展的競爭主力， 基於這樣的理念，相信向下紮根為人才培育工作首要之任務。 如果用一公尺來代表 地球 的直徑 那麼一奈米大約是一個 彈珠 的直徑大小！

2 大自然的奈米現象 當我們走過河邊或湖邊，偶爾可以看到鵝或鴨子在水中戲水 尋找食物，卻不見牠們羽毛被水弄溼，這是因為鵝毛、鴨毛是可 以防水的。牠們的羽毛排列非常整齊而緻密，毛與毛之間的縫隙 極細小，可以小到奈米尺寸，使得鵝或鴨子得以在水中保持身體 的乾燥。 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。鴨、鵝羽毛排列非常緊密, 毛和毛之間的空隙有奈 米尺寸那麼小, 因此, 水分子沒有辦法穿過牠們身上的羽毛而沾附 在身上。當然, 在寒冷的冬天裡, 因為有不透氣的羽毛保暖, 鴨子和 鵝快快樂樂的戲水玩耍, 也不會冷呢！

3 大自然的奈米現象 蓮花效應是指蓮葉表面具有超疏水 (superhydrophobicity) 及自潔 (self-cleaning) 的特性。由於蓮葉具有疏水、不吸 水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的作用形成 水珠，換言之，水與葉面的接觸角 (contact angle) 會大於 140 度，水珠與葉面接觸面積大約只佔總面積的 2 ~ 3% ， 只要將葉面傾斜，則滾動的水珠會吸附起葉面上的污泥 顆粒，一同滾出葉面，達到清潔的效果，達到自我潔淨 的效果，這就是蓮花總是能一塵不染的原因。 在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約 5~15 微米 細微突起的表皮細胞 (epidermal cell) ，表皮細胞上又覆蓋 著一層直徑約 1 奈米的蠟質結晶 (wax crystal) 。蠟質結晶本 身的化學結構具有疏水性，當水與這類表面接觸時，會 因表面張力而形成水珠，再加上葉表的細微結構，使水 與葉面的接觸面積更小而接觸角變大，因此加強了疏水 性，同時也降低污染顆粒對葉面的附著力。 世人對蓮葉的這些特性並不陌生，但真正有系統地 研究與分析卻是最近幾年的事。 1997 年，德國波昂大學 的植物學家 Wilhelm Barthlott 針對這個特殊現象進行了一 系列的實驗，發現了上述蓮花的疏水性與自我潔淨的關 係，因此創造了「蓮花效應」 (Lotus effect) 一詞，從此以 後，蓮花效應就成了奈米科技最具代表性的名詞。 資料來源： http://nano.nchc.org.tw/dictionary/lotus_effect.html

4 大自然的奈米現象 美麗的蝴蝶表現在蝶翼的色彩斑斕絢麗，服飾工業再怎麼先進也望塵莫及。 人類漂亮的衣著通常用染料來成色，蝴蝶卻只用無色的蛋白質，就能產生吸引 眾人目光的色彩，令人不禁要讚嘆大自然的巧奪天工。蝴蝶到底是怎麼做到的 呢？ 科學家利用電子顯微鏡解開了這個謎，原來構成蝶翼的鱗片表面有許多類 似樹枝狀的奈米結構，其細枝之間的距離約在 70~100 奈米，對光線而言，看 到的是兩種物質，也就是空氣和蛋白質組成的結構。空氣和蛋白質的折射率不 同，再加上這些結構是有些規則但又不是很規則，可反射部分顏色的光，並讓 其餘顏色的光穿透過去。經由光照射後就產生了所謂的彩虹效應。不同的結構 組合可以造成不同的顏色及圖案，當光與鱗片結構夾角改變時，會使鱗片結構 反射不同頻率的光，所以翅膀顏色會隨觀看角度而改變，這說明蝴蝶的翅膀為 何看起來如此五彩繽紛，讓我們有機會欣賞到千百種不同的美麗蝴蝶。 但就材料組成而言，這些不過是蛋白質，本身是無色的。大自然神奇之處在 於，它不只是利用元素或分子的本質特性、個體功能而已，更重要的是能以原 子、分子，甚或奈米點、奈米線為構件，自組裝成各種結構，因此產生全新的 特性或功能。 資料來源： http://sa.ylib.com/forum/forumshow.asp?FDocNo=399&CL=16 http://nano.nsc.gov.tw/main/9/9_02.html ； http://k12mn.nano.edu.tw/pages/Communication/TeachProject/

5 大自然的奈米現象 ◎ 攀爬高手壁虎 ◎ 壁虎是最常見的小爬蟲，時常在牆壁爬上爬下。 用顯微鏡觀察壁虎腳底，發現有 650 萬根細毛 (tiny hairs) ，每根細毛分成數百根細尖端 (tips) ， 每根細尖端的大小約 200nm 。每根細尖端可支撐 200mg 的重量，一百萬根便可舉起 20 公斤，細毛 利用分子間彼此吸引的凡得瓦爾力與各種物體表 面黏著，每平方吋可支撐 200 磅的重量。所以壁 虎的腳能輕易黏上天花板，並支撐自己身體的重 量。當要移動時，只需以 30 度角的方式拔起或撕 起，就可以輕鬆做到。

6 奈米科技的特殊性 (1) 特殊的光學性質 當金屬被細顆粒大小達到奈米尺寸時，即失去了原 有的金屬光澤而呈黑色並且產生吸收峰等離子的共 振頻移，產生新的光學特性， 。尺寸越小，顏色越 黑。由此可知，金屬奈米微顆粒對光的反射率低於 1% ，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特 性可以提高將太陽能轉變為熱能、電能的效率，不 同顆粒大小的遮蔽力將隨光波長大小而有所不同。 (2) 特殊的熱學性質 固態物質在大尺寸時，熔點是固定的，超細微化後 卻發現熔點有顯著降低，當顆粒小於 10 奈米量級時 特別顯著。例如，金的熔點為 1064 ℃ ，當顆粒尺寸 減小到 10 奈米尺寸時，則降低 27 ℃， 2 奈米尺寸時的 熔點僅為 327 ℃左右。隨著粒徑逐漸減小，表面原 子的比例也逐漸倍增，使得奈米材料的熔點降低。 奈米微粒在低溫時，具有熱阻小、熱導性極佳，因 此可做為低溫導熱材料。 (3) 特殊的磁學性質 人們發現鴿子、蜜蜂等生物體中存在奈米磁性顆粒， 這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的 本領。磁性奈米微顆粒實質上是一個生物磁羅盤， 透過電子顯微鏡的研究發現，在趨磁細菌體內通常 含有直徑約為 20 奈米的磁性氧化物顆粒。由於奈米 材料的小尺寸效應，使得磁有序態轉變成磁無序態， 因而產生新的磁學特性。當顆粒粒徑減小時，磁化 率隨之逐漸減少。 (4) 特殊的力學性質 陶瓷材料通常呈脆性，然而由奈米微顆粒壓製成的 奈米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為奈米材料具 有大的介面，而介面的原子排列是相當混亂的，原 子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚 佳的韌性與一定的延展性，因此產生新奇的力學性 質，再加上極強的凡得瓦力的作用下，使得奈米複 合材料的強度、耐磨性、韌性、耐壓性、抗老化性、 緻密性與防水性等特性大為增加和改善。

7 奈米科技生活產品

8 奈米未來生活 在西元 1966 年「驚異大奇航（ Fantastic Voyage ）」電影中描述人類以微小化機器 進入人體的奇妙旅程。想像日後這類生物 分子推進器載運醫療器材與藥品可望放進 人體，進行清理血管、抵抗病菌等醫療行 為，就如同奈米機器人進入體內做診療的 幻想得以實現。 http://nano.nsc.gov.tw/index.html 奈米碳管是一個非常強韌的物質，機械強 度非常好而且在反覆彎曲後也不容易斷裂， 它的強度約為鋼的 10-100 倍，但是重量卻 只有鋼的六分之一，是一種輕且機械強度 非常好的材料。在真空下奈米碳管可承受 約 2800 ℃，在一般大氣下，也可維持約在 750 ℃下，不被燃燒分解。 因此可以取代 現有的材料，建立太空天梯，實現人人都 可以去太空旅遊的夢想。 http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=345&zNotesD ocId=05D60F44E6DAC9B648257038003DD9D0 更多 奈米狂想