化學先進科技 奈米簡介.

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1 化學先進科技 奈米簡介

2 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。

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4 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。

5 「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 。

6 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。

7 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 。

8 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 。

9 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。

10 「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。

11 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。

12 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。

13 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。

14 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~ 奈米，長度1.1微米）

15 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。

16 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。

17 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。

18 (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)。

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20 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

21 【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%

22 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。

23 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」。

24 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。

25 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 。

26 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。

27 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

28 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。

29 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

30 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

31 【問題】若立可白修正液中所含的 二氧化鈦粒子平均直徑為 nm，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

32 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。

33 二氧化鈦照光後可催化水或氧氣

34 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。

35 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。

36 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。

37 化學先進科技 電子材料 －短小.輕薄的電子世界
　 化學先進科技 電子材料 －短小.輕薄的電子世界

38 材料 材料乃工業之母，各方面的工程科學，不論是電子、電機、機械、化工、 土木、航海造船、核工、航空等都以材料為基礎。每當材料上有重大突破時，各項工程科學亦隨之快速地發展，故尖端科技及工業發展，均需高性能材料配合。

39 材料的分類 金屬材料 電子材料 陶瓷材料 高分子材料 複合材料

40 電子材料涵蓋範圍（一） 從材料性質來區分 有機材料 無機材料
從功能特性來區分 半導體材料 光電子材料 電子陶瓷材料 磁性材料 儲能材料 敏感材料

41 電子材料涵蓋範圍（二） 從應用產業或領域分類 半導體用材料 顯示器用材料 印刷電路板用材料 電池材料 記錄媒體用材料 被動元件用材料 光纖光纜用材料

42 電子的發現 發現者： 1897年J.J.Tomson利用陰極射線的實驗測得電子電荷–質量比(e/m)而確認電子之存在
質量： ×10-4 a.m.u(即9.11×10-28g，電子質量約為質子質量的1/1840) 電荷： －1.602×10-19c(即一單位的負電荷)

43 物質的分類 一般物質是由原子所構成，這些原子的原子核是互相的分離。因為原子中的電子有部分是與原子核束縛在一起，有部分電子是具有活性與其他原子交換，因此我們通常將各種不同物質分成四大類： ‧導體（conductor） ‧絕緣體（insulator） ‧半導體（semiconductor） ‧超導體（superconductor）

44 半導體（semiconductor） 導電性介於導體跟絕緣體之間。半導體應用極多，且其體積小、耗電低、壽命長。

45 超導體（superconductor） 在很低很低的溫度下電阻等於零，因此材料內的電子移動時不會碰到任何障礙。

46 電子元件－電晶體 電晶體（transistor）是由transfer和resistor二字縮寫而來，意思就是轉換電阻，它可以利用一端的電壓來控制另外兩端之間的電阻，因而具有開關和放大信號的功能。

47 電子元件－有機場效應電晶體 利用有機半導體材料取代在傳統半導體MOS(Metal Oxide Semiconductor)中的無機半導體材料。具有可彎曲、便宜和可製作出大面積的光電元件等優點，所以在未來的主動式元件發展上是大有可為的。

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49 塑膠電子材料－－導電高分子 塑膠是一種聚合物，為了能導電，必須 仿效金屬，它的電子必須能夠自由移動 ，不能被束縛在原子。
塑膠是一種聚合物，為了能導電，必須 仿效金屬，它的電子必須能夠自由移動 ，不能被束縛在原子。 但這樣還不夠，還必須從塑膠移走電子 (氧化)或插入電子(還原)，這種過程稱 為添補(doping)。

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51 導電高分子應用 底片上的抗靜電物質 飛機、航太組件導線 衣物防靜電鍍層 電磁波防護網 半導體元件

52 TFT_LCD 兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層的玻璃基板是與彩色濾光片(Color Filter)、而下層的玻璃則有電晶體鑲嵌於上。當電流通過電晶體產生電場變化，造成液晶分子偏轉 ，藉以改變光線的偏極性，再利用偏光片決定畫素(Pixel)的明暗狀態。

53 OLED 有機發光顯示器(Organic Light Emitting Display)或稱有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode)。 在透明陽極與金屬陰極間蒸鍍有機薄膜，注入電子與電洞，並利用其在有機薄膜間複合，將能量轉成可見光。並且可搭配不同的有機材料，發出不同顏色的光，來達成全彩顯示器的需求。

54 "Everyone has Problems - Chemists have Solutions"

55 化學先進科技－醫藥 紫杉醇 主治卵巢癌及乳癌。                                                                           

56 奎寧(Quinine) － 金雞納生物鹼 Quinine

57 水噹噹的面容 tretinoin 蕾婷Retin-A 耐適康隱形痘痘貼 曼秀雷敦Acnes 藥用抗痘洗面乳 去暗瘡 印/疤
Piroctone Olamine tretinoin Isopropyl Methylphenol

58 抗老化面霜 -羥基酸

59 免日照仿曬劑 Dihydroxyacetone 二羥基丙酮

60 防曬劑 水楊酸鹽Salicylates 肉桂酸鹽Cinnamates 辛環烯烷Octylcrene 苯甲酮Benzophenone 鄰胺基苯甲酸鹽Amthranilate SPF：太陽防護因子(Sun Protection Factor)為美國系統的防曬係數。 防曬效果為SPF10(分鐘)，故SPF15為15  10=150分鐘。

61 烏溜溜的秀髮 古方新用 奈米硫化鉛使頭髮變黑 L'Oréal 4-羥基吲哚 2-甲基雷瑣辛 4-hydroxyindole
2-methylresorcinol 6-羥基吲哚 2-甲基-5-羥乙胺基苯酚 6-hydroxyindole 2-methyl-5-hydroxyethylaminophenol 甲苯-2, 5-二胺 Toluene-2,5-diamine

62 聰明藥Ampakines "Smart Drugs" & the Aging Brain

63 不眠藥Modafinil

64 吃了炸藥 亞硝酸異戊酯 血管擴張劑 硝化甘油 治療急性心絞痛 血管舒張因子

65 威而剛 Viagra 治療男性勃起功能障礙藥物

66 奈米新藥15秒止血 自組裝胜肽 (self-assembling peptide ) 促進血管新生與心肌再生

67 疫苗 Vaccine 抗原性的製劑 子宮頸癌疫苗 Gardasil

68 對抗白色瘟疫 異煙肼 利福平 干擾結核桿菌細胞壁的合成 阻止結核桿菌根據DNA製造蛋白質
世界衛生組織 2006 年 10 月 25 日發表報告說 全球人口的 1／3 都攜帶有結核病菌﹐都有可能成為結核病患者

69 皮膚藥貼 transdermal patch
「藥貼」的特色是具有緩釋作用，醫學中常使用的藥貼包括 癌症病人使用的嗎啡貼、戒煙貼或暈浪貼等；避孕貼亦是一種「藥貼」。