01 科技與材料 1-1 材料是人類文明的進化史 1-2 材料科學與工程 1-3 材料的分類 1-4 材料科技與生活

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1 01 科技與材料 1-1 材料是人類文明的進化史 1-2 材料科學與工程 1-3 材料的分類 1-4 材料科技與生活
CHAPTER 01 科技與材料 1-1　材料是人類文明的進化史 1-2　材料科學與工程 1-3　材料的分類 1-4　材料科技與生活 1-5　材料科學與奈米科技 1-6　材料科技與3D列印 1-7　當前新材料的發展方向 習題　參考文獻

2 1-1　材料是人類文明的進化史 人類的歷史曾以使用的主要材料來加以劃分，如圖1-1所示，從石器時代、陶器時代、青銅器時代、鐵器時代到現今的多元材料時代，人們的生活也由基本需要到安適，豐富了生活品質，也縮短了彼此的距離，世界就如同一座地球村，這都是材料科技的進展結果。

3 圖1-1

4 1.使用天然材料的初始階段 遠古人類剛開始使用材料是因為生活所需，從身邊可取得的原始天然材料，例如：竹、木、石與骨之類的原始天然材料，不經或稍微加工後製成工具或用具，這是材料發展的初始階段，特點是單純選用天然材料。

5 2.使用金屬材料的第二階段 銅、鐵和而後其他合金(Alloy)的發現及應用是材料發展的第二階段，在這階段，金屬確立了工業材料的絕對權威，這一階段持續非常長的時間，並發揮極其重要的作用，特點是人類從自然資源中提取有用的材料。

6 3.人工合成材料的第三階段 隨著科學技術和工業的發展，人類對材料提出質量輕、功能多與價格低等要求，在此同時，人類掌握了豐富的知識和生產技能，已能人為的製造出一些自然界不存在的材料，來滿足社會上各式各樣的需求，並在材料的研製上取得更大的自由度及主動性，這是材料發展的第三階段─人工合成時代。塑料、高分子材料(Polymer)、精密陶瓷(Ceramic)與新型複合材料(Composite Material)等材料是此階段的代表。

7 目前人類已進入資訊社會，材料、能源和資訊技術是當前國際公認新技術革命的三大支柱，一個國家對於新材料的發展能力是衡量該國科學技術、國民經濟水準和國防力量的重要指標。

8 1-2　材料科學與工程 1863年，光學顯微鏡(Optical Microscope)第一次用來研究金屬，導致「金相學」(Metallurgy)的出現，至此才使人們對於材料的觀察進入了微觀(Microscopy)領域。德國物理學家勞氏(Max von Laue)於1912年發現X光射線照射晶體時產生繞射現象，進而開始了對材料微觀結構的測定。同樣是德國的物理學家魯斯卡(Ernst Ruska)於1932年發明電子顯微鏡(Electron Microscope)，以及後來出現的各種能譜儀，把人們對微觀世界的認識帶到更為深入的層次。

9 以前我們只能利用肉眼來分辨巨觀(Macroscopy)結構，而現在可透過電子顯微鏡等分析儀器來分辨微觀(Microscopy)結構，許多研究顯示，結構間的各種層次與缺陷和材料性質有顯著的關聯。
勞氏及魯斯卡也因此分別獲得1914年及1986年的諾貝爾物理學獎(Nobel Prize in Physics)，勞氏於35歲就得獎，而魯斯卡直到80歲才得獎，諾貝爾獎有一個不成文的規定，原則上只能授予在世者，幸好魯斯卡夠長壽，他於1988年過世，圖1-2及1-3分別為他們兩人於諾貝爾獎辦公室網頁的照片。

10 圖1-2、3

11 材料科學(Materials Science)的重要研究領域是結構(Structure)、成分(Composition)與性能(Performance)的關係。以往在應用領域，特別是工業生產中，人們總是不太注意材料結構，這往往使材料研究工作走彎路。透過不斷地實驗，人們已經認識到，即使是同一種成分的材料，當它的結構不同時，性質(Property)可以有明顯的差別，如圖1-4的二氧化矽(SiO2)的結晶示意圖，雖然都是二氧化矽，但因原子排列方式有所不同，而有不同的結構與特性。

12 材料科學在其發展過程中揭示了一條基本物理原理─材料的性質取決於它的結構，這已是材料研究中一個重要依據。

13 圖1-4

14 1.材料結構 所謂的材料結構(Structure)是指材料組成單元及其排列和運動方式。包含形態(Morphology)、化學成分(Chemical Composition)、相組成(Phase)、原子結構(Atomic Structure)、結晶構造(Crystal Structure)與缺陷(Defect)等，其中「原子結構」和「結晶構造」是研究材料特性的兩個最基本的物質層次。

15 2.材料性質 材料的性質(Property)是指材料的性能(Performance)及功能(Function)，實際上在討論性能時也會把功能給考慮進去，「性能」是指材料對於外部的刺激（外力、熱、電、磁、化學藥品）的反應或抵抗；而「功能」是指材料對應於某種輸入信號時，所發生質或量的變化或其中某些變化會產生一定的輸出。顯然地，強度、電阻、耐熱性、透明度與耐化學性都屬於性能，而熱電效應、壓電效應、分離與吸附則屬於功能。

16 由於材料的獲得和品質的改進使材料成為人們可用的物件，而這些都離不開科技和製造技術以及工程知識，所以人們往往把「材料科學」與「工程」相提並論，而稱為「材料科學與工程」(Materials Science and Engineering)。所以「材料科學與工程」是關於材料的結構、性質與製程間相互關係的知識開發及應用的科學，如圖1-5所示。

17 圖1-5

18 1-3　材料的分類 工程上通常將材料分為金屬材料(Metal Materials)、高分子材料(Polymer)、陶瓷材料(Ceramic)與複合材料(Composite Material)四大類；按狀態可分為單晶(Single Crystal)、多晶(Polycrystal)、非晶質(Amorphous)、準晶(Quasi Crystal)和液晶(Liquid Crystal)；從化學角度，材料可分為無機材料(Inorganic Material)與有機材料(Organic Material)；

19 從應用來看，材料可分為建築材料、電子材料、航空材料、汽車材料、能源材料與生醫材料等。
目前常依據材料的用途，將材料分為結構材料(Structure Material)和功能材料(Functional Material)兩大類：

20 1. 結構材料 結構材料(Structure Material)是利用其力學特性，用於各種領域，例如工程建築、交通運輸、機械製造與航空太空等各種工業。

21 2. 功能材料 功能材料(Functional Material)是利用強度以外還有其他功能的材料，他們對外界環境具有靈敏的反應能力，即對於光、熱、電、磁等各種刺激，可以選擇性的做出反應，而有許多特定的用途，例如發光、能源、通訊與生物等許多科技的開發，都需要有相對的功能材料。

22 我們可以說沒有許多功能材料的出現就不會有現代科學技術的發展。
近年來又出現一種智慧材料(Intelligent Material)的概念，此類材料在功能材料的基礎上，另具有人類特有的辨知能力，即能感知外部刺激（感測功能）、判斷並適當處理（處理功能）且本身可致動（致動功能）的材料，圖1-6為智慧材料的特徵示意圖。

23 圖1-6

24 近來流行的變色鏡片就是一種智慧材料，當眼鏡照射到420nm以下波段的光時，眼鏡的透光率就下降，380nm以下的波段完全不穿透，顏色也變暗，當鏡片回到室內，不再有紫外光照射時，鏡片的顏色又恢復原來透明的顏色，可保護眼睛免受紫外光的影響，如圖1-7。

25 圖1-7

26 1-4　材料科技與生活 不斷開發新材料，才能滿足現代尖端科技的要求，故近來大量多功能材料的問世加速了工商業的進步且提高生活品質。常見的材料可分成金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、複合材料與電子材料等。 圖1-8為國內某知名飲料公司汽水瓶裝，早期是玻璃瓶，後來陸續有鋁罐及寶特瓶的使用。

27 圖1-8

28 （一）金屬材料(Metal Materials)
金屬材料是人類開發較早且也是最為普遍使用的材料，金屬材料具有優良的導電性、導熱性、延展性與金屬光澤等，金屬材料有時也包含兩種以上金屬所組成，此稱為合金(Alloy)。例如：黃銅(Brass)是銅與鋅的合金；青銅(Bronze)是銅與錫合金；鋼(Steel)是鐵與碳的合金。 金屬材料一般分為兩大類，一類是以鐵為主，稱為鐵金屬材料，另一類為不含鐵的非鐵金屬材料，例如：銅(Cu)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鎳(Ni)與鉻(Cr)。

29 1.鐵金屬材料：不鏽鋼 不鏽鋼是由英文「Stainless Steel」直接翻譯而來，它其實是一種耐蝕鋼(Corrosin Resistance Steel)，為鐵、鉻與碳的合金，部分不鏽鋼還含有鎳的成分。

30 鋼鐵材料具有價格便宜及機械性質良好的特色，而且產量多，是最有用的金屬材料，不過它有一個很大的缺點，就是容易生鏽或腐蝕，因為鐵易被空氣中的氧氣氧化，生成多孔性的氧化鐵或稱為鏽層，使得周遭的水氣與空氣繼續腐蝕穿透鏽層，甚至完全破壞整個結構。 為了克服這項缺點，在鋼中添加鉻來改良耐蝕性，就成了所謂的不鏽鋼。

31 將鉻加到鋼中，能夠在鋼材表面形成一層薄薄的緻密氧化膜—氧化鉻，其可保護鋼不被腐蝕，一般來說不鏽鋼的鉻金屬含量至少要有12wt%，雖然鎳也是不鏽鋼中提高抗蝕性的材料，但有許多研究發現鎳會造成人體過敏，因此醫療用的不鏽鋼不會含鎳。 不鏽鋼的種類非常繁多，依其成分可分成低鉻系、鉻系、鉻鎳系及鉻鎳錳系等四種型式不鏽鋼，依其晶相組織可分成沃斯田鐵、肥粒鐵、麻田散鐵及析出硬化不鏽鋼等型式，如圖1-9所示。

32 圖1-9

33 目前來說大約有200種不鏽鋼，新的種類仍在繼續開發，不鏽鋼因不易生鏽、使用年限長，且有一定的強度及硬度，是很常見的金屬材料，廣泛用於餐具、廚具、門、窗、機械零件與水塔等，圖1-10為不鏽鋼鍋具及水塔。也常用於外科醫療的器械或暫時性植入的骨釘、骨板。

34 圖1-10

35 2. 非鐵金屬材料：鈦金屬 鈦金屬是近來流行的非鐵金屬材料，它質輕，密度只有4.5 g/cm3，擁有非常高的比強度（強度／質量），因此為常見的航太材料。純鈦具有同素異形結構(Allotropy Structure)，在低溫時為α結構，高於882℃以上則轉為β結構。而且鈦很容易氧化，與氧接觸很快就會形成一層薄薄的TiO2膜，使它有優良的耐蝕性。

36 且鈦植入人體內也不會有排斥作用，有優良的生物相容性，常作為人工植體材料，圖1-11為牙科植體(Dental Implant)，圖1-12為人工髖關節(Artificial Hip Joint)。

37 圖

38 鈦金屬與鎳金屬以45wt%：55wt%比例組成的合金，具有形狀記憶功能，在某臨界溫度以上成型，然後降溫後受到外力作用變形，只要再回到臨界溫度以上即可恢復原來的形狀。此原理可以用來作為牙科矯正用材料，目前大宗使用在女性記憶型內衣。

39 3. 貴金屬材料 圖1-13為元素週期表，原子序44至47及76至79的釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、銀(Ag)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)及金(Au)等8種元素因化學穩定性好且耐酸鹼，被稱為貴金屬材料(Noble Metal)，其中金、鉑、銀為常見的飾品材料；鈀加到飾品金屬中可以強化飾品的強度，在工業上發現鈀有極大的吸氫能力，可作為儲氫材料，能應用到燃料電池。

40 圖1-13

41 （二）陶瓷材料(Ceramic Materials)
陶瓷材料是同時含有金屬元素與非金屬元素的複雜化合物，典型的陶瓷材料硬、脆且熔點很高，但導電度及導熱度低，有良好化學安定性及熱安定性，並且有極強的抗壓強度。 陶瓷材料用途很廣泛，從陶瓷器、磚、瓷磚、餐具、水泥、玻璃、耐高溫材料、磁體、電子元件與磨料等，極為可觀。而陶瓷在工程應用上可分為兩大類，一為傳統陶瓷，另一為精密陶瓷。

42 傳統陶瓷的基本原料有黏土、石英與長石，黏土是含結晶水的矽鋁酸鹽，與水混合時產生塑性，可成型。石英是二氧化矽結構的一種，在陶瓷中常作為胚體耐熔支架。長石分為鉀長石及鈉長石，主要是一種助熔劑，傳統陶瓷的用途以磚、瓦與工藝用品為大宗，金屬燒附陶瓷假牙的陶瓷材料成分和傳統陶瓷相似。

43 精密陶瓷的原料是高純度人工合成的，如氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、氮化矽(Si3N4)與碳化矽(SiC)等，通常是作為功能陶瓷（具有熱、電、聲、光、磁等功能相互轉換特性）和生物陶瓷等。

44 氧化鋁在自然界稱為剛玉，若含有金屬鉻，即所謂的紅寶石，若含有鈦或鐵，則為藍寶石。工業界是利用拜耳法，將鋁土礦提煉成氧化鋁，可用於各種耐火磚、耐火坩堝、耐高溫實驗儀器；還可作研磨劑、阻燃劑、填充料等；而高純度的α型氧化鋁還是製作人造剛玉、人造紅寶石和藍寶石的原料，可用於生產現代大型積體電路的基板。

45 氧化鋯有三種結晶構造，1170℃以下是單斜結構(monoclinic structure)，1170~2370℃是正方結構(tetragonal structure)，高於2370℃是立方結構(cubic structure)，以立方單晶體存在的氧化鋯在天然中極為罕有，但現今常以人工方法合成，被廣泛用作鑽石的代替品，也就是所謂的蘇聯鑽。氧化鋯具有高強度、高韌性，因此有「陶瓷鋼鐵」之稱，可作為研磨材料或耐磨材料。

46 此外其低熱傳導及與金屬材料較相近的熱膨脹係數的特性，常作為飛機引擎的熱障塗層(Thermal Barrier Coating)，在耐高溫的超合金(superalloy)表層噴塗氧化鋯，可提高運轉溫度及耐高溫腐蝕性，也可增加引擎運轉效率，為目前重要的航太陶瓷材料。近來也發現其具生物惰性，置於生物體中並無害，因而發展出全陶瓷冠假牙，圖1-14為氧化鋯全瓷牙冠。

47 圖1-14

48 氫氧基磷灰石(Hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2)為人類天然骨頭的礦物質成分，人工已合成製造出此生醫陶瓷材料，用於骨粉或人工植體表層的生物活性塗層。

49 （三）高分子材料(Polymeric Materials)
高分子材料，從字面上就知道，是一種分子量很高的材料，又稱為聚合物，以碳、氫及其他非金屬元素為基礎所組成。高分子材料質輕，對腐蝕的抵抗力與電性絕緣性均佳，但抗拉強度相對低，並且不適合在高溫下使用。高分子材料的應用範圍極廣，包含玩具、服飾與裝飾材料、油漆、輪胎及塑膠袋等。高分子材料的分類有很多種，以下二種最為常見：

50 1. 聚合機制 分為加成聚合物(Addition Polymers)及縮合聚合物(Condensation Polymers)。加成聚合物是聚合的分子重覆出現，它的鏈長可達好幾千個分子的長度，而縮合聚合物是利用兩種或兩種以上的分子，經過一個會釋出副產物的化學反應而產生。

51 2. 聚合物性質 常見的性質區分方式是以它們的受熱行為分為熱塑性高分子(Thermoplastic Polymers)及熱固性高分子(Thermosetting Polymers)兩類。熱塑性顧名思義，加熱後呈現可塑性，而溫度下降至室溫即可定型，若將其再次加熱，便可再塑型。而熱固性則是加熱固化後就成型完畢，無法再次塑型。常見熱塑性及熱固性高分子材料的性質及用途如表1-1及表1-2所示。

52 表1-1

53 表1-2

54 大多數的高分子材料都含有添加劑(Additives)，因為添加劑可使高分子材料增加特殊功能，常見的添加劑如下：
1.色素(Pigments)：可使高分子材料呈現各種顏色。 2.安定劑(Stabilizers)：可防止高分子材料因環境的影響而變質。

55 3. 去靜電劑(Antistatic Agents)：由於高分子材料大都是電的不良導體，因此常會帶有靜電荷，而去靜電劑可從空氣中吸收水分到高分子表面，因而改善高分子的導電度及降低發生火花或放電的可能性。 4. 火燄延遲劑(Flame Resistance)：由於高分子是有機材料，大多數的高分子都會起火燃燒，含有氯、溴、磷或金屬鹽類的火燄延遲劑可以降低燃燒發生。

56 5. 潤滑劑(Lubricants)：例如蠟(Wax)或硬脂酸鈣(Calcium Stearate)可降低熔融態高分子的黏度及改善它們的成形性。
6. 塑化劑(Plasticizers)：是分子量低的分子或鏈，可以降低高分子的玻璃轉移溫度，改善聚合物的性質與成型性。磷苯酸鹽系列是最常見的塑化劑，但有生物毒性，醋酸鹽系列尚無報告指出有嚴重毒性發生。

57 7. 填料(Fillers)：加入無機填料可改善高分子的機械性質，增加強度及耐磨耗性。
8. 耦合劑(Coupling Agents)：可改善無機填料與高分子間的鍵結性，其中以矽烷(Silanes)最常見。 高分子材料因製造容易、成本低廉，並且具有防水、質輕、絕緣與顏色調配容易等特性，廣受大家喜愛，用途甚廣，包含日常生活中的包裝、用具與器皿，亦應用在工業上，如機械配件、黏著劑等，在醫療方面則用於假牙、人工關節與藥物載體等。

58 （四）複合材料(Composite Materials)
當兩種材料結合而得到一種原來的任一材料所未有的性質組合時，就產生所謂的複合材料。經由適當的選配，複合材料可以有優異的強度、重量、高溫性能、耐蝕能力、硬度或導電度。複合材料的組成可以是金屬—金屬、金屬—陶瓷、金屬—高分子、陶瓷—高分子、陶瓷—陶瓷或高分子—高分子，常見的金屬—陶瓷複合材料是燒結碳化物，為機械加工產業常用的切削工具。複合材料可分為三類：顆粒複合材料、纖維複合材料與層狀複合材料。

59 圖1-15為工業研磨拋光用的磨輪，它是一種顆粒複合材料，由氧化鋁、碳化矽、氮化硼或鑽石構成。

60 玻璃纖維強化塑膠(Fiberglass Reinforced Plastics, FRP)是一種纖維強化複合材料，圖1-16是玻璃纖維強化塑膠桶槽、具有優越的耐腐蝕性且比強度高，FRP比重為鐵的五分之一、鋁的二分之一，所以單位重量的強度比鐵與鋁大。FRP所使用的是熱固化性樹脂，不像PVC或PE等使用熱塑性樹脂，因此高溫不軟化，低溫不脆化。且FRP之熱傳導率很低（約鈦的1/180），故斷熱效果好，不須保溫與保冷。

61 圖1-16

62 耐蝕性FRP桶槽在國內之供應廠以纏繞成型設備者為主，應用領域包含：食品醬油、造紙、色料、製藥、石化、紡織、電子、金屬處理與塑膠等工廠。
圖1-17是美金紀念幣，為一種層狀複合材料，它是一層Cu-20%Ni的合金，兩面都黏結一層Cu-80%Ni合金，各層厚度之比約為(1/6):(2/3):(1/6)。外層Ni含量較高，因此使紀念幣的外觀呈現銀色，而核心部分則是含銅量較高的合金，此構造使銀幣成本較低。

63 圖1-17

64 （五）電子材料(Electronic Materials)
電子材料其涵蓋範圍非常廣泛，若從應用產業或領域區分，可歸納為半導體材料、顯示器材料、印刷電路板材料、電池材料、記錄媒體材料、被動元件材料與光纖光纜材料等。單一元素來說，原子序14、31及32的矽(Si)、鎵(Ga)與鍺(Ge)為電子材料的代表。

65 談到電子材料，一定要介紹半導體(Semiconductor)，半導體可分為本質半導體(Intrinsic Semiconductor)及外稟半導體(Extrinsic Semiconductor)。圖1-18為本質半導體能帶理論說明示意圖，矽(Si)與鍺(Ge)兩元素的傳導帶(Conduction Band)和價帶(Valence Band)是分開的，兩者間存在著能隙(Energy gap)，當價帶的電子獲得能量，被激發到傳導帶而有導電現象，此為本質半導體。若能隙太大，價帶的電子(Electron)無法被激發到傳導帶，則為絕緣體。

66 圖1-18

67 圖1-19為外稟半導體能帶理論說明示意圖，如果我們在矽(Si)與鍺(Ge)兩元素中加入五價的雜質原子例如銻(Sb)，則銻原子的四個電子將參與共價鍵結合作用，而多餘的一個電子將進入一個稍低於傳導帶的施體能帶(Donor Band)，如圖1-19中的(a)所示，因多餘的原子未被原子所束縛，所以只要小量的能量Ed就能使電子進入傳導帶內而導電，此為n型半導體。

68 如果我們在矽(Si)和鍺(Ge)兩元素中加入三價的雜質原子例如鎵(Ga)，則造成電子數目不敷共價鍵結合之所需，因此價帶內將產生一個電洞(Hole)，而該電洞可以由價帶內其他位置的電子來填充。電洞的位置具有比一般電子略高的能量，因而有一個受體能階(Acceptor Level)產生，如圖1-14中的(b)所示。為了讓價電內產生一個電洞，必須讓一個電子獲得Ea的能量，然後電洞就能夠運動並傳導電荷，此為p型半導體。

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70 半導體元件的性質取決於n型和p型半導體間的界面性質，常見的有pn型、pnp型及npn型，可用於交流電整流成直流電或電流放大等等。

71 1-5　材料科學與奈米科技 「奈米」(Nanometer)是新的科技名詞，並非食用的米，「奈米」中的「米」是長度單位，即公尺(Meter)的譯名，1米就是1公尺。「奈米」的「奈」字是一個單位尺度，是英文Nano的譯名，表示10-9的意思，亦即十億分之一。而「奈」(Nano)與「米」(Meter)合在一起成為「奈米」(Nanometer)，代表十億分之一公尺的尺寸大小，也就是1nm = 10-9 m。 一個奈米到底多小？小到人類眼睛看不見，人類頭髮平均直徑為80微米(m)，把頭髮的直徑分割為8萬份，而其中的1份就是1奈米，可見其相當細小。

72 奈米科技是近年來才開始發展的新科技，許多科學家都在實驗室努力開發新奈米材料。在自然界的環境中，有許多生物體內均含有奈米粒子或具備奈米結構，使其展現特殊的功能或形態。當我們追求奈米科技發展時，「師法自然」或許能提供另一種思考的模式。

73 一、自然界的奈米現象 你或許看過荷葉上的水珠總是一顆顆圓滾滾的（圖1-20所示），而其他植物葉片上的水珠則不然。德國波昂大學植物學教授威廉‧巴斯洛特(William Barthlott, 1946~)研究各種葉片，發現荷葉就是一種奈米結構，葉片表面有許多突起狀的表皮細胞，上面覆蓋著長度約100奈米的疏水性含蠟絨毛。由於空氣分布在突起狀的表皮細胞間隙，使水珠無法與葉面完全接觸，再加上顯微絨毛結構，造成荷葉具有疏水能力。

74 圖1-20

75 由於此種疏水效應，物體表面與水珠的吸附力量降低，水珠在物體表面可快速移動，在有足夠動能的條件下，可將物體表面的灰塵清除，此效應可應用於大樓外牆及汽機車烤漆防汙上。圖1-21為某機車大廠於2003年底首推的奈米級烤漆機車，之後此項技術更形普及，民間一般汽車美容的店家即可提供相關服務。

76 圖1-21

77 圖1-22是海洋世界的海豚表演，不知你是否曾感到好奇：為什麼海豚終其一生在海中生活，皮膚仍然常保平滑乾淨，而船艦下水後船殼即開始鏽蝕，甚至附著微生物呢？如此不但會增加行船的摩擦阻力，也會消耗更多的能源。

78 圖1-22

79 曾有研究人員觀察海豚的皮膚，發現儘管肉眼看起來極光滑，但其實布滿了奈米尺寸的微小凸起。這些微小凸起物的大小不至於對海豚的游動構成摩擦力，但小到足以讓海中微生物無法附著其上，海豚的皮膚因此具有自潔功能。2004年國內已有塗料廠商提出開發船艦專用的奈米塗料計畫，之後數年亦持續蓬勃發展。

80 許多昆蟲及動物都具有辨識方向的能力，即使離家千里，終能找到回家的路，例如：螞蟻、蜜蜂、海龜與鴿子等。科學家發現這些生物體內都存有奈米級的磁性粒子，在地球磁場的作用下具有導航功能，因此可辨識方向找到回家的路，如民間的賽鴿競賽，將鴿子帶離家數百公里，牠仍然可以找到回家的路。

81 二、材料奈米化後的特性 （一）量子尺寸效應 材料奈米化後，有許多特性和平常巨觀可見的特性有很大的差異，舉三個例子說明：
在巨觀下一般金屬材料的電子能階是連續的，根據久保(Kubo)理論：

82 巨觀物體包含無限多個電子(N→∞)，由式(Eq. 1
巨觀物體包含無限多個電子(N→∞)，由式(Eq.1.1)，可得到δ→0，即對於大粒子或巨觀物體的能階間距幾乎為零；而對於奈米粒子，因所包含的電子數目有限，N值很小，這就導致δ有一定的值，使能階不再連續，也就是說奈米顆粒的金屬材料會產生不導電現象，與一般巨觀時的特性有很大的差異。

83 （二）小尺寸效應 當超微顆粒的尺寸與光的波長或德布羅意波長(De Broglie Wave Length)等物理特徵，尺寸相當或更小時，晶體週期性的邊界條件將被破壞，奈米微粒的表面層附近原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱與力學等特性呈現與巨觀特性的不同。

84 例如，隨著顆粒尺寸的變小，強磁性顆粒的磁區(Magnetic Domain)將會由多區(Domain)狀態變為單區狀態，使反轉磁化模式從磁區壁位移轉變為磁區轉動，進而使矯頑力(Coercive Force)顯著增長，這一規律已成為製備永磁微粉的通則。單區臨界尺寸隨材料而異，例如：鋇鐵氧體(BaFeOx)中，單區約為1m，而鐵的微顆粒中的單區僅為17nm左右。對於16nm的超微顆粒，矯頑力可高達80000A/m，可作為金屬型磁帶(Magnetic Tape)、信用卡(Credit Card)或磁卡中的記錄介質。

85 超微顆粒的熔點隨顆粒尺寸減小而降低，如塊狀金(Au)熔點為1064℃，但顆粒降到2nm，熔點為327℃。此特性讓粉末冶金工業可以降低燒結溫度，有效減少燒結時能源的消耗。

86 （三）表面效應 表面積與體積的比定義為比表面積，它與顆粒尺寸成反比，如原子間距為0.3nm，表面原子僅占一層，粗略地估計表面原子所占的原子數比例列於表1-3：

87 表1-3

88 由此可見，對於大於100nm的顆粒，表面原子比例很小，表面效應可忽略不計；當尺寸小於10nm，表面原子比例急遽增加，表面效應將不可忽視。表面原子數目增多、原子配位不足及高的表面能，使得這些表面原子具有高的活性，極不穩定，很容易與其他原子結合，例如：金屬的奈米粒子在空氣中會燃燒，無機奈米粒子曝露在空氣中會吸附氣體，並與氣體進行反應。

89 三、奈米光觸媒 隨著環保意識的抬頭，生產對環境友善的「綠色產品」成為世界潮流的新趨勢。「光觸媒」正是目前備受矚目的一種「奈米級綠色產品」，在「抗菌」、「防汙」、「除霧」、「脫臭」與「淨水」等領域帶來極大的商機。

90 「觸媒」(Catalyst)是一種促進或催化化學反應進行，但反應前後不會消耗的特定化學物質。而「光觸媒」(Photocatalyst)是要在光照的環境下吸收足夠的能量，才會產生催化作用，以刺激化學反應進行，基本上黑暗中光觸媒是不會作用的。

91 對於目前常見的光觸媒材料二氧化鈦(TiO2)而言，它需要的光是紫外光，其能量必須大於3
對於目前常見的光觸媒材料二氧化鈦(TiO2)而言，它需要的光是紫外光，其能量必須大於3.2個電子伏特(eV)，因為光能和波長成反比，也就是波長要小於可見光的範圍，才能刺激光觸媒進行光化學反應。光觸媒的反應機制如圖1-23所示：

92

93 光觸媒照光後形成電子與電洞對，電子和氧分子產生氧負離子自由基(‧O2－)，電洞與水分子產生氫氧自由基(‧OH)，氧負離子自由基(‧O2－)具有極強的還原能力，而氫氧自由基(‧OH)有極強的氧化能力，光觸媒反應就是利用這些自由基進行其他氧化還原反應，促進其他化合物的分解，而且分解出來的產物對環境無害，所以是一種綠色商品。 將光觸媒的粉體奈米化後和一般粗大的粉體有何差異？可以下列幾個方向來思考：

94 1. 比表面積效應 光觸媒顆粒變小時，比表面積會隨之增加，5nm的二氧化鈦與53nm粉體相較，比表面積約大了40倍。而光觸媒須靠表面來接受光照射，以產生電子電洞對，當比表面積增大時，光觸媒接受光照的機會隨之增加，可提高光觸媒反應效率。

95 2. 有效電子與電洞產生量 光觸媒受光照射後產生的電子及電洞對，若無法有效分離，二者會再度結合，便無法與水和氧產生自由基。當光觸媒粉體奈米化後，所產生的電子與電洞移到粉體表面的距離及速度都優於一般顆粒，因此易於與水和氧產生自由基，故可增加有效電子與電洞產生量。

96 3. 材料透明度 當二氧化鈦光觸媒為奈米級時，因其高能隙且不吸收可見光特性，分散在液體中將呈無色透明的狀態。因此當採用此材料塗覆於基材時，將不會遮蔽原有材料的顏色。

97 4. 材料加工性 光觸媒材料奈米化後，經過適當加工處理，可穩定懸浮及分散於溶液中，避免光觸媒沉降或凝固現象，可提高加工的方便性，改善被加工成品的均勻性及穩定度。 因此，由光觸媒本身特性、應用效能及作業性來考量，奈米化光觸媒成了必然趨勢。

98 四、光觸媒的應用 2004年SARS風暴後，人們對衛生安全觀念的提升讓奈米光觸媒受到極大的矚目，它到底有何神奇之處呢？下列介紹幾種用途：

99 （一）抗菌 光觸媒磁磚抗菌建材是由日本東陶(TOTO)公司最早實用化，先將磁磚上釉料後，把含二氧化鈦微粉的漿料噴塗於磁磚上再加熱燒結，使光觸媒固定於磁磚表面，實驗發現經1000流明的紫外光照射1小時後，對於大腸桿菌、綠膿桿菌的滅菌效果達99.9%，且不僅是磁磚上的細菌減少，連空氣中的細菌也明顯變少，可用於醫院或浴廁。

100 （二）空氣清淨 圖1-24為國內某大家電品牌所推出的光觸媒冷氣機，將光觸媒燒附於不鏽鋼網上，再經紫外燈的照射，濾網就具有光觸媒效果，能除去揮發性有機物，也可分解一些帶臭味的氣體，例如：氨、硫化氫、乙醛與苯乙烯等。

101 1-24

102 日本神奈川縣、千葉縣等地方將光觸媒塗鋪在道路上，利用陽光照射，產生光觸媒反應，可將汽機車所排的氮氧化物(NOx)及硫氧化物(SOx)分解成硝酸根及硫酸根，當下雨時這些離子就被水沖走，可淨化空氣、降低空氣汙染。

103 （三）水質淨化 光觸媒在水質淨化方面的最初應用是汙水排放處理，汙水中若含有機氧化物又未經處理就排放，將會汙染地下水源，北美及歐洲地區的飲用水源大多來自於地下水，若地下水遭汙染，將造成極大的問題。三氯乙烯及四氯乙烯是地下水中常見的有機氧化物，是屬於難分解的有機物質，將塗布了光觸媒的陶瓷塊置於水中，經太陽光或紫外光照射後產生光觸媒反應，能分解三氯乙烯及四氯乙烯。

104 現也有許多研究團隊及業者發表光觸媒應用於飲水機上的研究，一般家用飲水機是利用過濾原理，以濾布、矽藻土、陶瓷、活性碳等可將較大物質過濾掉，但濾材沒有抗菌效果，易孳生細菌，反而成為細菌溫床。至於逆滲透型的濾水器，不但有淨水速度慢及廢水排放問題，且一樣無法抑菌。反觀含有光觸媒的淨水器，則具抗菌效果。

105 （四）自我清潔及防霧 塗布光觸媒的物品在天然或人工的紫外光照射下，除了有分解油汙的效果外，尚會產生特殊親水性功能。當建築物外牆或玻璃塗布光觸媒後，經過自然日曬，外牆或玻璃會產生親水性。當有灰塵或油汙沾附時，會沾附在水膜上，下雨時便可藉由雨水的力量沖去原先沾附於外牆及玻璃表面的灰塵或油汙，而達到自潔的效果，如此即省去委託清潔公司清潔的費用。

106 光觸媒若塗布於汽車兩旁的側視鏡上，可形成親水性水膜，使光線不會不規則散射，增加雨中行車的安全性，若塗布在浴室的盥洗鏡上也一樣可形成親水性水膜，使人可清楚看見鏡中影像，如果能善加利用，將帶給人類生活更多便利。

107 五、奈米科技的應用 「奈米科技」激發人類對於微小物質的好奇心外，也造成一股「至善盡小」的追求風潮。奈米科技由製作奈米材料開始，然而如何將奈米材料組合及排列於奈米元件上，以發揮既往元件無法比擬的特色，是奈米科技研發的目標。下列介紹一些奈米科技在日常生活的應用：

108 1.包裝材料 塑膠袋是我們生活上常用的物品，但因緻密性不足，空氣會流通，若將奈米黏土顆粒混在塑料中，成型後的塑膠袋孔隙將被奈米黏土堵塞，提高塑膠袋的密封性，可隔絕水氣及氧氣，作為保鮮袋。

109 2.金屬觸媒 過去「金」一致被認為是活性低的鈍性物質，不易參與反應，但奈米化後的金卻對一氧化碳、氫氣與臭氧等氣體有高度活性，在室溫中即可與上述氣體產生反應，快速將一氧化碳轉換成二氧化碳，故可將奈米金作為防毒面具及空氣清淨濾網材料。

110 3.奈米纖維 纖維是常見的製衣材料，若在纖維中添加二氧化鈦光觸媒顆粒，將其製成衣服，則具有抗菌與除臭功能，且光觸媒須吸收紫外線才能反應，因此具有紫外線遮蔽作用，是良好的夏日防曬織物材料。

111 4.奈米化妝品與保養品 日本的化妝品公司在雲母粉表面包覆一層厚約90~100nm的二氧化鈦，形成珠光粉體，添加於粉底霜內（如圖1-25），在陽光照射下，會反射出帶有紅色效果的漫射光，使皮膚看起來透明有光澤。

112 皮膚的結構由外至內可分為三層：表皮層、真皮層與皮下組織。表皮最外層是角質細胞，還有一層不透水的油脂膜，所以皮膚基本上是不透水的。由於皮膚是疏水性，且角質細胞間隙不到100nm，所以外界物質不易進入皮膚內，像膠原蛋白或玻尿酸等大分子是無法滲透到皮膚裡層的，充其量只能提高角質的含水量，達到保濕效果。真皮層的狀態決定了皮膚的彈性與張力，如果其結構因老化而日趨鬆散，肌膚便會出現皺紋。所以凡是號稱有抗老化和除皺的成分，都必須進入真皮層才能發揮作用。

113 目前已有多家化妝品公司以微脂粒(Liposome)作為載體，微脂粒結構如圖1-26所示，是由磷脂質(Phospholipid)或卵磷脂(Lecithin)聚集合成的微膠囊空心球，其雙層膜結構與細胞膜接近，內層包覆親水性(Hydrophilic)物質，外層包覆脂溶性(Hydrophobic)物質，可運送水溶性及脂溶性物質。目前技術能製造出20~100nm的粒徑，微脂粒的包覆作用不但可防止易被氧化的保養品成分如維他命C及E遭到破壞，還可輕易的穿過表皮細胞間隙、毛囊或汗腺，將養分帶到肌膚裡層。

114 圖

115 1-6　材料科技與3D列印 3D列印(3D Printing)是近來很夯的名詞，因為2012年美國歐巴馬總統宣布將3D列印技術列為美國製造業未來重要的發展方向之一，使得全球各地開始關切3D列印，其實美國材料和試驗協會(ASTM)已於2009年將3D列印正名為積層製造(Additive Manufacturing, AM)；傳統材料加工是一種去除的方式，如車床的車削技術，將大件塊材切除掉不要的部分、留下所要的部分，即為成品。

116 而3D列印則是與去除加工的方法相反，基於三維數位模型，採用逐層製造的方式將材料結合起來，早期3D列印稱為快速原型法(Rapid Prototyping, RP)，是在產品開發時，先製造出一個塑膠模型樣品，讓業主先觀看，當業主同意後，才進入生產，後來發展出製造限量公仔，才正式導入生產用途，目前透過積層製造技術生產產品的量仍然不多。 積層製造的流程是先透過電腦輔助設計（CAD）或電腦動畫建模軟體建模，再將建成的三維模型「分割」成逐層的截面，進而指導印表機逐層列印。

117 目前常見列印的方式有下列三種： 1. 熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling, FDM)：透過加熱擠壓方式成型，將熱塑性高分子升溫到高於玻璃轉移溫度後擠壓成型，再降溫後固化成型。 2. 光固化(Stereolithograpgy, SLA)：透過移動紫外光源來控制照光的位置，光聚合樹脂經照光後產生聚合作用而硬化，此技術是最早註冊專利和商業化的技術。

118 3. 選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS)：先鋪設粉末再透過雷射光的照射，可將材料燒結成塊，除傳統高分子材料外，也可用於金屬材料及陶瓷材料。

119 目前市售的積層製造機臺是以高分子材料的積層製造技術為主流，機臺價格在50萬到數百萬之間即可量產產品，如果同學有創新、創意的設計，也可透過印酷網( Laser Sintering, SLS)進行加工，但受限於金屬粉末顆粒的大小、機臺噴嘴大小與雷射光的能量，目前機臺價格不斐，需千萬到上億臺幣，不是一般企業所能負擔的，這也是目前積層製造技術仍無法成為製造業主流加工方式的原因。

120 而陶瓷材料的積層製造技術則是目前學研界所努力研發的方向，主因是陶瓷的熔點很高，無法快速固化，現行方法是將陶瓷顆粒和高分子材料結合，高分子材料作為黏著劑，可將陶瓷材料先定型，再透過高溫燒結而成型。

121 圖1-27為SLA技術所製之落葉項鍊，除可直接當成成品配戴外，也可將其透過包埋及鑄造的技術製成金飾項鍊。

122 1-7　當前新材料的發展方向 材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，人類的進步對材料不斷提出新的要求，而現今人類正面臨一場新科技革命，需要愈來愈多的品種及性能獨特的新材料，下面簡要介紹當今社會對開發新材料的要求方向：

123 1. 結構與功能相結合：要求新材料不僅能作為結構材料使用，而且具有特殊或多種功能，例如開發中的梯度功能材料(Functionally Gradient Material, FGM)及仿生(Mimetics)材料。 2. 智慧化：要求材料本身具有感測(Sense)、自我調節與反饋(Feedback)的能力，即具有敏感和驅動的雙重功能。

124 3. 減少汙染：當前國際上在開發、研究新材料時，除考慮材料的性能外，同時也注意到環境保護(Environment Protection)。近年來提出生態材料(Ecomaterial)的概念，生態材料是一種指導性原則，指導人類在開發那些具有良好性能及功能的新材料時，要能與生態協調，也就是在研究材料時須有環境保護概念。 4. 可再生：是指一方面可保護和充分利用自然資源，另一方面又不為地球積存太多的廢物，而且能再次利用。

125 5. 節省能源：製造材料時耗能盡可能少，同時又可利用新開發的能源。
6. 長壽命：要求材料能長期保持其基本特性、穩定可靠，用來製造的設備和元件能少維修或不維修。 以上是對於新材料開發或研製時的總體要求，實際上要同時滿足以上的要求是很難的，一般總是以盡可能滿足這些要求為原則。