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開啟明日之窗–奈米材料

94/08/04 瀏覽次數 14663
奈米的意義

奈米是什麼?奈米的英文是nanometer,它是長度的單位,使用的符號是nm,字首nano在希臘文中的原意是「侏儒」的意思。一奈米是十億分之一米(1 nm = 10-9 m),相當於3~4個原子連結起來的長度。如果用1公尺代表地球的直徑,那麼1奈米大約是一個玻璃珠的直徑。

奈米科技是在1990年代以後,才逐漸被人們所重視的新領域。有人預測奈米科技是21世紀經濟的新希望,它會改變產業結構、生活型態,又有人稱它是第四次工業革命。現今,全球視奈米科技為下一次產業革命的關鍵技術,是下一階段製造工業的核心領域。因此,勢必會重新劃分將來高科技競爭的版圖,更可能對人類生活帶來不可避免的衝擊。

在這麼小的尺度下的元件,它的物理與化學性質與原來巨觀狀態下不同,經由這項尺寸的改變,電子與資訊工業可以發展出更輕薄短小、更節省能源的材料和元件,對資源有限的地球或許是永續發展的革命性科技。

在生物技術和醫學治療的未來應用方面,科學家夢想以奈米技術研發出奈米生物推進器(奈米生物機械人),在人體內治療各種疾病,修復有問題的去氧核醣核酸(DNA)分子鏈段,甚至可以針對癌細胞加以摧毀,而又不傷及鄰近的正常細胞。

在日常生活方面,抗菌的衣服、自身清潔的日用品、抗紫外線熱電轉換玻璃、有機太陽能電池、永不褪色的染料、使飛機隱形的油漆、超快速度的電腦等等,都說明奈米科技在現在及未來的可觀影響。因此,奈米科技也會全面介入人類文明的發展史。由於奈米技術涉及不同的研究領域,奈米科技的發展也將引領科學研究大邁進。

自然界的奈米現象

雖然奈米科技是尖端科技,卻並不是什麼新玩意,它老早就存在我們身旁。最著名的例子,就是出污泥而不染的蓮花。蓮花表面的細緻結構和粗糙度大小都在奈米尺度的範圍內,所以不易吸附污泥灰塵。蓮花的出污泥而不染是自然天成,這比人類的任何清潔技術還高明。這種蓮花表面奈米化結構,自我清潔的物理現象,就被稱作蓮花效應(lotus effect),這個效應給予科學家無限的想像空間與創意來源。

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。

我們也常在電視上,看到非洲原始的土著習慣以燃燒植物或木材後的碳黑塗抹在臉上,藉以驅除猛獸獵取動物。為什麼塗布在臉上的碳黑可以如此均勻平整呢?原來碳黑的顆粒大約在奈米尺寸,可以塗抹平整,而奈米碳黑附著力又特別好,能持久而不會褪色。這是人類利用奈米技術謀求生存的例子,當今,很多奈米化妝品的設計思考,也源自於此。

人體內也有奈米結構,例如生命訊息即是儲存在奈米尺寸的物質上,這種物質就是去氧核醣核酸(DNA)。DNA可以儲存和傳遞遺傳訊息,並指揮蛋白質的合成。一般所稱的基因就是DNA的一小段,是細胞製造蛋白質所依據的藍圖。DNA是一種長條雙螺旋狀的分子,由很多小單元組成,每一小單元又由一個磷酸根、一個五碳環狀醣和一個鹼基構成。DNA有4種不同的鹼基,分別是腺嘌呤、胸嘧啶、胞嘧啶、鳥嘌呤,每一個DNA長鏈分子上的鹼基,提供了不可思議的遺傳基因訊息。

遺傳基因訊息的傳遞,來自於DNA 分子中4種鹼基的排序。不同的排序造成不同的生物,和各式各樣的物種。大自然的奈米技術早已出現在生物物種的繁衍過程中。

由上面的實例可以知道,奈米現象早就存在,並非科學家設計製造才有的。但問題是,人類如何控制這麼微小的單元,使它具有特殊的功能,進而開發出能為我們所用的產品。

奈米技術進程

在1959年,正當美國大力發展太空科技時,諾貝爾物理獎得主費曼在加州理工學院的一場演講,就已經預測物理原理不否定操縱原子的可能性,在原子大小尺度下有新的力量、新的可能、新的效應,問題在於如何做出原子尺寸的材料,因為在原子的世界中,所有的事物會非常不一樣。

在演講中,他也提到如果有朝一日,能把整個大英百科全書儲存在一根如針頭大小的空間內,而且能操控原子,那麼會給科學界帶來什麼樣的影響?費曼已經幻想著,假若人類可以利用普通設備製造體積較小的儀器,而且一步一步逐次縮小,實現按照人類意志來排列、重組原子,如此將可為科技與生活創造出新的奇蹟。

1962年,日本東京大學的久保亮五教授提出了量子限制理論,用來解釋金屬奈米粒子的能階不連續。也就是說,當金屬奈米粒子的原子數目減少,使所對應的電子能階數也減少,電子原有的帶狀連續能階,會變成不連續能階。在這種情況下,奈米粒子會受到局限,而表現出不一樣的物理特性,這是很重要的里程碑,使得人們對奈米粒子的電子結構、型態和性質有了進一步的了解。

1982年瑞士IBM公司的科學家賓尼和勞爾,開發出掃描式穿隧顯微鏡,它主要是利用一根非常細的鎢金屬探針,針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流,同時,物體表面的高低會影響穿隧電流的大小,依此來觀測物體表面的形貌。

這種儀器可以觀察到物體表面的奈米結構,是顯微鏡技術的一大進展,也成為往後奈米技術中的主要分析工具,專門用來觀測金屬或半導體的表面。4年後,也就是1986年,這兩位科學家和發明穿透式電子顯微鏡的盧斯卡同時獲得諾貝爾物理獎。

到了1990年,美國IBM公司的艾格勒利用這種儀器,把35個氙原子(xenon,化學符號是Xe)排成IBM三個字母。這是人類歷史上首次操縱原子,用原子或分子製造機器,也不再是夢想。

另外值得一提的是在1985年,史丹福大學的奎特教授以及IBM的賓尼和格伯共同發明了原子力顯微鏡。它也是利用一根探針來掃描物體的表面,當探針靠近待測物體時,探針與物體之間產生作用力,這作用力可以是吸引力或排斥力,並可藉此分析物體表面的形貌。最重要的是,這種儀器可觀察的物體不僅是半導體或金屬,也可以是絕緣體。現在很多生物樣品的觀察,已經大量使用這種設備。

奈米材料的開發

奈米檢測技術提升以後,奈米材料便如雨後春筍般被開發出來。1984年德國葛萊特等人利用惰性氣體蒸發凝結法,製得鐵、銅、鉛及二氧化鈦的奈米粒子。其中,二氧化鈦的奈米顆粒具有良好的延展性,可以改善陶瓷材料的脆性。

到了1985年,史馬利、柯爾和柯洛托在石墨上利用雷射激光,讓它蒸發而成碳黑,純化後得到的碳簇置於質譜儀中分析,發現兩種不明物質,質量分別是碳的60倍與70倍,因此這兩種不明物質被稱作C60與C70

C60的形狀像一顆足球,有20個六邊形及12個五邊形的面,共32面的封閉球體。事實上,科學家在太空收集宇宙塵埃時,早就發現C60、C70等物質。所以上述三位科學家是最早在地球上製造C60及C70的人,他們也共同獲得了1996年的諾貝爾獎。

到了1991年,克雷需莫和霍夫曼發展出一次可以做出數公克重C60的方法。現在,科學家也嘗試利用C60的性質製成各種藥物。

在80年代,IBM的安貝旭等人做出多晶體的金環,金環直徑小於400奈米,線寬在數十奈米左右。當外加磁場時,金環產生震盪電阻,這種現象稱作磁阻效應,而這種效應明顯和環的小尺寸有關,主要是金環內的電子受到金環奈米尺寸的干擾,而在環內兩側震盪。一般塊狀金是電的良導體,電阻值很小,不受磁場的影響。但上述奈米金環的結果顯示,當金粒子小到奈米尺度時,其物理性質與大尺寸時不同,這個現象可以用來製作新的奈米電子元件。

凡是改變外加磁場而使電阻產生巨大的變化,就稱為巨磁阻效應。利用具有巨磁阻的材料,可以設計成磁性開關的電子元件,例如在不加磁場時,巨磁組電子元件電阻極大,就像斷路,當外加磁場時,巨磁阻電阻元件的電阻變得很小,如同通路。

在1988年,拜必序的研究團隊開發出鐵鉻(Fe/Cr)奈米多層膜,在低溫下改變磁場,電阻會隨著產生急遽的改變。相對來說,一般磁性金屬(或合金)的電阻是不容易隨磁場的改變而變化的。到目前為止,已經發現鐵銅(Fe/Cu)、鐵銀(Fe/Ag)、鐵鋁(Fe/Al)、鐵金(Fe/Au)、鈷銅(Co/Cu)、鈷銀(Co/Ag)、鈷金(Co/Au)等奈米多層膜都具有這種效應。

我們知道,石墨、鑽石及C60都是碳所構成的物質,由於結構的不同造成性質的不同。石墨軟而脆、導電性高,鑽石則不導電而且堅硬,C60穩定性及導電性都高,但不容易和其他物質產生反應。隨著C60的發現,隨即引起研究熱潮,許多C60的衍生物陸續被合成出來。1991年,日本電氣株式會社的飯島澄男博士試圖用碳電弧放電合成C60時,發現一些針狀物,由穿透式電子顯微鏡的觀察,得知這些針狀物是奈米尺度大小的多層壁奈米碳管。

奈米碳管可分為兩種,單層壁及多層壁的奈米碳管。單層壁的奈米碳管是由一層石墨層所構成,而多層壁的奈米碳管則是由二至數十層同心軸的石墨層所構成,其石墨層間距是0.34奈米。奈米碳管是目前最細的人造管子,具有良好的熱傳導性、電導性,強度高,化學穩定性佳,而且又具有韌性,可用來製作超小型的電晶體或電子元件。

2001年在日本筑波舉行的「奈米碳管發現10周年」研討會中,韓國三星公司展示用奈米碳管做成的場發射全彩色電視螢幕。這個電視的螢幕是由多層壁奈米碳管的前端,產生場發射電子做為電子源,而應用在平面顯示器上。至於醫療用小型X光產生裝置的電子源,也可以應用奈米碳管。

此外,在1996年霍伊兒也合成出二氧化鈦(TiO2)奈米管。二氧化鈦本身是一個極佳的光觸媒材料,廣泛應用在醫療保健,例如消滅細菌或是殺死病毒。開發出奈米管狀的二氧化鈦,應用範圍也會更多樣化。目前,科學家已嘗試把二氧化鈦奈米粒子或奈米管應用在光敏化有機太陽電池上,做為光電轉換材料,現在已經可以達到實用水準。

最後,值得一提的是導電高分子材料。它是一種經由共軛π電子共振,進而導電的有機高分子。化學家可以利用分子結構的設計調整它的導電度,合成類似金屬導電度的高分子材料。製作成奈米管狀材料,似乎是極有可能達成上述目標的一種方法。目前製作導電高分子奈米管有模板法和自身組裝法,後者可以獲取大量成品,是比較受歡迎的製法,科學家正積極把它應用在奈米光電元件上。

奈米材料和塊狀材料的性質,有相當大的差異。雖然,已經有很多材料是以奈米方式應用,但隨著科技的進步,近年來,奈米材料的研究也如火如荼地進行著。事實上,奈米性質介於微觀的原子和巨觀的大顆粒之間,兼具微觀和巨觀世界的性質,很多材料奈米化後的性質,目前真的難以捉摸。因此當奈米材料製作出來以後,如何廣泛地應用它,是基礎研究和應用領域共同努力的目標。
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