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奈米科技

94/02/14 21949

高逢時｜道爾科技

資訊科技（information technology，IT；包括電腦與通訊）、生物科技（biotechnology，BT）及奈米科技（Nanotechnology，NT）三Ｔ，是二十一世紀最重要的三大科技。所謂的奈米科技，簡單地說，就是微小化的科技，利用微製程技術製造粒子極小的材料及微形器械為人類所用。如果說資訊科技縮短了時間與空間，生物科技改變了生物體的本質，那麼奈米技術可以說是提供兩大技術發展最精細的工具。　

一九八二年，IBM蘇黎世實驗室賓尼格（G. Binnig）與羅爾（H. Rohrer）博士共同開發了世界上第一具奈米表面分析儀：掃描穿隧式顯微鏡（scanning tunneling microscope，STM），利用探針與樣品間的隧道電流變化，人類第一次能夠進行原子層級的觀察，甚至還可以利用 STM 探針與樣品間的作用力，誘導原子或分子移動，兩人更因此獲得一九八六年的諾貝爾物理獎。隨著 STM 的發明，開啟了奈米研究的新時代。

奈米效應

表面效應　當材料粒子縮小到奈米等級，原材料的性質發生改變，或是出現原本沒有的性質，這個現象就是所謂的奈米效應。例如，當導電的銅粒子縮小到某一奈米尺度時就不再導電；原本惰性的金，在奈米尺度下可以當作非常好的催化劑等。

當粒子尺寸縮小，表面原子數與總原子數的比急速增加，使得表面能增加，讓奈米粒子具有很高的活性。如果以高倍電子顯微鏡觀察金的奈米粒子，會發現表面原子彷彿進入一種「沸騰」狀態，粒子並沒有固定的形態或結構，性質非常不穩定。由於這個原因，即使在平常狀態下呈現惰性的金，甚至可以用來當作催化劑使用，與原本的性質截然不同。當材料粒子變小，比表面積（表面積／體積）相對地增加，而比表面積增加會引發物質化學活性、光學、熱性質等的改變，這就是所謂奈米粒子的表面效應。

量子尺寸效應　由於奈米粒子顆粒很小，每個粒子內包含的原子數目有限，許多現象與擁有大量原子的一般粒子不同。六○年代，日本東京大學久保（Ryogo Kubo）教授提出著名的久保理論，認為金屬奈米粒子費米能階（Fermi level，絕對零度時電子占據的最高能階）附近的電子能階，會由連續狀態變為不連續的獨立能階。費米面附近的電子能階之間的距離，與金屬粒子直徑的三次方成反比。

宏觀物體可視為包含無限個原子；也就是說電子總數趨近無限大，這時能階間距為零，能階呈連續態。但在奈米粒子中，電子數有限，就會產生能階間距，能階呈不連續狀態。貝爾實驗室的科學家曾經觀察到，隨著硒化鎘（CdSe）粒子變小，能隙加寬，螢光顏色會有從紅轉綠、再轉為藍的藍位移現象。另外，金屬粒子隨著粒徑減小，能階間隔增大，甚至會使原本是導體的金屬變為絕緣體。

由於粒子顆粒小、體積小、包含原子少而產生的材料性質變化，我們稱作奈米粒子的體積效應。這時能階隨著粒徑變化、能隙或能帶改變，我們稱做量子尺寸效應（quantum size effect，QSE）。奈米粒子具有的特殊性質，會大為增加材料的利用性，這也是奈米材料吸引人的地方。

奈米材料

奈米材料的製造，可以說開始於一九八四年德國格萊特（H. Gleiter）教授。據說他有一次在沙漠中開車，在空曠寂靜的環境中，開始構思如何製造具有特殊性能的材料，經過不斷的試驗，最後，他利用金屬蒸氣沈積製造出奈米顆粒，再把奈米粒子以高壓壓製成緻密的奈米塊材。

九○年代，奈米材料開始被廣泛地研究，不斷有新的奈米材料合成出來。從已往的歷史來看，材料的開發與應用通常是人類文明進步的關鍵，文明史也有直接以材料的運用來劃分的，如石器時代與銅器時代。預料奈米材料會在人類文明發展中，寫下另一個「奈米時代」。

一九九○年七月，第一屆國際奈米科學與技術會議在巴爾的摩舉行，奈米科技正式成為一項新的研究學門，其中奈米材料的製作，是奈米研究中最重要的一環。所謂的奈米材料，至少必須在一個維度上符合小於一百奈米的條件。奈米材料的種類相當多，包含了金屬奈米材料、半導體奈米材料、結構奈米陶瓷、奈米高分子材料等「工程奈米材料」，以及應用在生物體的生物螢光體 ( biophosphor ) 等「生物奈米材料」。

這些奈米材料不但在基礎科學研究上開發了許多新領域，更因為具有異於尋常的性質及應用潛力，引起極大的重視。尤其是結合二十一世紀兩項重要技術，奈米與生物科技的生物奈米材料，更顯重要。其中一種生物螢光體，具有多種用途，相當受到化學家及材料學家、物理學家的注意。這類生物螢光體有以下的新穎應用。

標定式光動力療法　科學家把特殊設計的奈米生物螢光體（或螢光感光劑），塞入中間具有孔洞的籠狀分子（molecular cage，分子籠），然後接上具有「導航」能力的抗體蛋白質。利用抗體可以尋找抗原的特性，引導螢光感光劑到達病變細胞，再利用雷射光照射，誘發螢光體放光，藉此標定病變區域。一旦醫生發現病變細胞，再改用另一波長的雷射光照射，讓螢光感光劑發生光化學反應產生一種毒性分子，破壞細胞機能或殺死細胞。

與傳統光動力療法相比，這項技術最大的特點，是可以準確地標定病變區域、找出病灶，以及減少昂貴的螢光感光劑的用量。由於只有病變細胞會結合螢光感光劑，所以利用感光劑產生毒性分子只會殺死病變細胞，不會損害周圍正常組織。

目前科學家已經掌握螢光感光劑技術，未來將從合成粒徑均勻的奈米螢光感光劑、增進螢光體分子與分子籠和抗體的結合等方面著手，提高治療效果。雖然這項技術還在初期發展階段，但這項新穎療法可以大幅減低診治費用，並且可以選擇性地殺死病變細胞，將來可望造福大眾，為病患帶來新希望。

子宮頸癌整合式篩檢　傳統子宮頸癌抹片檢查，必須採取病變細胞。但是在癌症初期，病變細胞沒有脫落或是不會脫落，往往會造成偽陰性的健康假象，因而延誤就醫，失去早期治療的效果。美國聯邦食品藥物管理局（FDA）在一九九八年底核准一種新穎的螢光檢測法，先在子宮頸及周圍塗抹稀醋酸，再利用以化學發光原理製作成的螢光檢測棒檢查。由於病變細胞會與稀醋酸產生反應，因此病變區域在螢光的照射下會產生白斑，兩分鐘就可以完成檢查。

這項檢測可以大為提高癌症初期的檢出率，許多醫療院所都在大力推廣。螢光檢測最重要的部分，是檢測用的螢光棒，螢光棒內填充一種可以用化學反應產生的能量來激發的螢光物質。這類螢光物質相當昂貴，科學家們希望利用奈米技術，以目前已經開發成功的藍白光螢光體為基礎，合成具有高亮度、長發光時間的奈米螢光體顆粒，藉以減少螢光體的用量，降低成本及檢查費用，讓這項檢驗技術更普及，使更多的婦女受惠。

螢光生物晶片　生物晶片（這裏指DNA晶片）是把探針附著在基材上，利用探針與去氧核糖核酸（DNA）互補雜交的特性，來檢測特殊的DNA片段。它可以用來檢測疾病、縮短新藥開發時程等等，是一種功能強大的 DNA 分析工具。我們利用一種可以發光的有機金屬奈米螢光體（也就是所謂的螢光阻斷分子）當作探針（註：一般的DNA晶片探針是單股的DNA），與待測DNA反應，反應前後探針的螢光會發生變化，利用螢光的變化，就可以偵測出特殊的DNA片段。

碳奈米管

一九九一年日本電氣（NEC）公司飯島澄男（Sumio Iijima）無意間以電弧蒸發發現碳奈米管（carbon nanotube）。一九九三年，科學家發現在石墨電極中加入鈷等金屬，就能製造出單層碳奈米管。一九九六年理查‧司莫利（Richard E. Smalley）等人，則利用石墨雷射蒸發法製造出直徑一致的碳奈米管，司莫利特別把集結成束的碳奈米管稱為「奈米繩索」。

所謂碳奈米管（也有人把它叫做奈米碳管），就是把原本是平面結構的石墨捲成管狀，形成一種直徑小於數十奈米的圓筒形碳材料，不同的捲曲方式，會讓碳奈米管呈現金屬或半導體等不同的性質。碳奈米管最大的特色，在於它的性質穩定，具有高強度、高彈性、熱傳導性、導電性等等。例如碳奈米管的熱傳導性，幾乎與鑽石一樣，如果能夠拿來做為電路，可以在緊密的空間內，把產生的高熱量有效地排出。另外，碳奈米管的超強彈性，使得它彎曲90度都不會折斷。

碳奈米管可能的應用，包括製造顯示器（例如場發射式顯示器）、飛機或太空梭的複合材料、電池、超高速電腦晶片、超導材料等。碳奈米管的專業應用正大規模地成長，等到量產問題能夠克服，價格降低之後，碳奈米管極可能成為繼矽之後，尖端產業的骨幹材料。一九九六年諾貝爾化學獎得主理查‧司莫利，在頒獎典禮上，不是談讓他獲獎的碳60，而是大談碳奈米管。碳奈米管的魅力，由此可見一般。

目前全世界至少有超過二百個以上的學術單位或研究機構，正在從事碳奈米管的研究。以專利分布來分析，目前碳奈米管技術仍以美國及日本為主。我國進行碳奈米管研發，可以從碳奈米管應用著手，例如開發新穎碳奈米管場發射式顯示器等。我們設計了一種新穎的顯示器模組，以國內既有的螢光體材料技術為基礎，製作奈米級導電性螢光體，再將奈米螢光體粒子植入碳奈米管，從另一端通電流激發螢光體發光。

奈米製程

奈米材料依據材料型態可以分為奈米塊材、粉體及奈米薄膜，其中奈米粉體的製備發展較快、也較成熟。製備奈米材料的方法相當多，分為化學方法及物理方法兩類。顧名思義，化學方法是利用化學方法，物理方法則是利用物理原理來製造奈米材料。

水熱法 所謂的水熱法，就是利用水為介質，外加適當的溫度，在密閉的反應器內產生壓力，進行反應。利用水熱法製作化合物的步驟，是先把反應物與水放入反應器內，再把反應器旋緊、密閉後，放入加熱爐中反應。反應後過濾取出產物，再清洗烘乾即可。水熱法製造三元金屬氧化物的反應機制，至少有兩種，一種是酸鹼反應，另一種是利用凝膠原理。酸鹼反應的機制，是用有機金屬化合物做為起始物，先水解為帶負電荷的氫氧化物，再與另外的金屬陽離子中和、生成產物。凝膠法則是把有機金屬化合物水解，再與另一個金屬氫氧化物反應形成凝膠，最後排除水分子、生成產物。

有些物質對水敏感或是在水溶液中性質不穩定，不適合在水溶液中反應，這時可以改用其他有機溶劑當作介質，這就是所謂的溶劑熱合成法。例如可以用苯當溶劑合成出大約30奈米大小的氮化鎵（GaN）晶粒。利用有機溶劑當作介質，可以大為增加水熱法的應用範圍，有時候也可以依實驗需求，同時使用兩種有機溶劑或是改變溶劑的極性，來製備奈米材料。

微乳液法　所謂微乳液，是指一種液體藉由界面活性劑的作用，均勻分散在另一種液體內，形成熱力學穩定的澄清溶液。微乳液分散相的微滴直徑通常小於一百奈米，因此微乳液法可以用來合成奈米粒子。

機械研磨法　把材料粒子以機械研磨成奈米顆粒（物理法），這方法操作簡單、成本低，但容易有粒徑分布不均的問題產生，且並非所有奈米材料都能用機械研磨製得。

蒸發沈積法　在真空或惰性氣體環境中，把樣品蒸發後，再讓氣態粒子沈積，以得到奈米粒子。不同的蒸發方式（電子槍、直接加熱等）、溫度，或是使用氣體的種類及壓力，都可能影響奈米粒子的大小。格萊特教授當年就是用類似的方法製作出奈米粒子，目前也有法國科學家，利用電子槍蒸鍍製作光放大器薄膜。

共沈澱法　在含有各種產物離子的溶液中加入沈澱劑，使產物直接從溶液中析出、分離，例如可利用這方法製備鈦酸鋇、鈦酸鉛及氧化鋯等奈米粉體。

溶膠–凝膠法　把反應物（例如金屬鹽類、有機酸、多元醇）溶解在溶濟中，經溶膠、凝膠等過程，再以低溫熱處理，即可製備奈米粒子。

奈米在臺灣

過去幾年，國內半導體產業蓬勃發展，躋身世界大國，為臺灣帶來另一項經濟奇蹟。下一個臺灣的重點科技產業，則非奈米科技及生物科技莫屬。政府各單位相繼投入研發經費，選定奈米材料、奈米電子、奈米機械及奈米生技等四大應用領域發展，並且積極推動石化、鋼鐵等傳統產業奈米化的目標。

除此之外，為了倡導基礎研究，國科會也積極規劃、整合大型研究計劃，各大學院校也相繼成立奈米研究中心，從事相關研究。雖然國內的奈米研究起步較晚，仍在初期發展階段，基礎理論及實驗技術都有待建立，但是，國內微製程技術已有相當雄厚的基礎，加上物理、化學等人才不虞匱乏，發展奈米科技將有極大遠景。

中國大陸這幾年積極推動奈米研究，召開奈米學術會議，成立專門組織，在奈米技術的研究上已有相當程度的基礎。一九九三年，中國科學院北京真空物理實驗室已經可以成功地操縱原子，排列出「中國」兩個字以及中國地圖。目前，世界各國都已相繼投入大量資源，並且積極布建相關專利地圖，奈米科技競爭激烈可期。

我國奈米科技的發展方向，可以考慮與生物科技結合，針對生物科技的應用，採取重點式的發展。未來的發展方向包括：

奈米生技製藥　某些藥物人體不易吸收，奈米藥物可望提高藥物吸收率，減少用藥、增進療效。此外，可以結合中草藥開發，發展奈米新藥。

奈米醫療技術　利用奈米技術開發醫療器具、檢驗工具或療法，並可以針對國人易患疾病做深入的研發。

奈米生醫材料　開發生物應用奈米材料，例如可以用來做為生物晶片探針，或是光動力療法的生物螢光體等等。

奈米科技的出現，如同另一次的工業革命，將促使科技邁向另一個進程。雖然到目前為止，奈米科技還沒有劃時代的突破性進展，但是，隨著人類使用器械的微型化趨勢，以及奈米材料的特殊性能表現，我們可以預見奈米科技的蓬勃前景，可以確信奈米科技絕對是下一波科技產業的新潮流。

註：奈米（10^－9 m）也有人說「毫微米」，「毫」代表千分之一（10^－3 ），「微」代表百萬分之一（10^－6 ），「毫微米」就是十億分之一公尺（10^－9 m）。至於「奈米」，單純是原文「nanometer」的音譯。另外，中國大陸喜歡叫「納米」，臺灣則用「奈米」比較多。

資料來源

《科學發展》2005年2月，386期，66 ~ 71頁

科發月刊(5221)

奈米科技

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