奈米簡介 編輯製作：化學科教師 張鑽銘.

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1 奈米簡介 編輯製作：化學科教師 張鑽銘

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 。
圖片來源：圖解奈米科技與光觸媒， 呂宗昕，商周出版社。

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。 圖片來源：圖解奈米科技與光觸媒， 呂宗昕，商周出版社。

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。
圖片來源：圖解奈米科技與光觸媒， 呂宗昕，商周出版社。

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。