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化學的應用：奈米新世界

91/11/22 5018

呂世源｜清華大學化學工程學系

奈米瘋

最近一、二年，全球科技界與學術界最熱門的名詞大概非「奈米」莫屬，奈米科技風潮席捲全球，較稍早的生物科技有過之而無不及，這個詞彙甚至已在高收視率的電視影集《Ｘ檔案》及《星際旅行》中使用。

近幾年，世界各主要科技先進國家或區域如美國、歐盟、日本等紛紛如火如荼地推動奈米科技，其中最具標竿意義的是，二○○○年一月美國前總統柯林頓在理工重鎮加州理工學院所宣布的「國家型奈米科技先導計畫」，以大幅增加政府的奈米科技研發經費至將近五億美金，來宣示美國要在二十一世紀初在此一重要領域保持或取得領先的決心。從此，國際間在奈米科技上的競爭進入白熱化階段。官方、學術界、研究單位全都動起來，各式整合型奈米研究計畫、奈米研究中心、奈米科技學程、研討會等，如雨後春筍般冒出來。我國也在今年推動跨部會的「奈米國家型科技計畫」，預計整合國科會、經濟部、教育部等的資源，以六年一百九十二億元新台幣的經費來推動，奈米科技榮景可期。

奈米科技是蝦米？

說了半天奈米科技，究竟它是什麼玩意兒呢？首先，nano是希臘字中「侏儒」的意思，這個字根與任何計量或計時單位合用時，即為十億分之一該單位的意思，這裡所講的奈米也就是十億分之一米的長度，略記為nm。「奈」是由「nano」的英文音譯而來，大陸則譯成「納米」。

一奈米差不多是十個氫原子並肩排在一起的長度，十奈米大約是人類頭髮直徑的三萬五千分之一，而目前最先進的積體電路其最窄線寬約為一百奈米。所謂的奈米科技，就是在奈米尺度下操控物質，以製作、了解與使用具奈米結構的材料、元件及系統。

這裡的奈米尺度，一般是以1～100奈米為範圍，當物質的結構尺寸小到奈米尺度時，其物理、化學及生物性質可能會與較大結構尺寸時大相逕庭。例如，起始燒結溫度與熔點可能大幅下降、反應性與觸媒特性可能大幅提升、不導電且易脆的陶瓷材料可能變得既導電又具延展性、導電金屬的導電度可能下降、油溶性的藥物可能變成水溶性、不透明的材料可能變得透明、半導體光電材料的吸光波長會往短波長偏移等。這些性質的改變，並非由於化學組成改變所致，純粹是由於結構尺寸的縮小所造成的。再加上由於元件與系統的奈米化，產品的體積微縮與功能提升可輕易達成。由此可以想像，由奈米科技製作出來的產品，其行為表現將顛覆世人的傳統認知，這將是一個嶄新的世界。

奈米又如何？

當物質奈米化時會有性質的改變，大體上是由於兩個因尺寸微縮而產生的效應–表面效應與體積效應所導致的。

先談表面效應。物質的表面原子，因所接觸的外在環境不同，其性質理當不同於內部原子。當物質的結構尺寸大時，排列在表面上的原子數目占所有組成原子的極微比例，因此其特性由內部原子主宰。但是，當結構尺寸小到奈米尺度時，表面原子所占的比例增加到不可忽略的程度，這時物質的特性自然逐漸偏離人們所熟悉的大尺度性質。以一個粒徑為10奈米的球形粒子為例，其表面原子約占全部組成原子的百分之二十。

再談體積效應。當物質結構尺寸大時，所含原子數可視為無窮，因此其總體電子能階形成一連續帶狀。當結構尺寸小至奈米尺度時，原子數大幅減少，其總體電子能階不再是連續帶狀，而是不連續跳躍式的分布。這種電子能階間隙隨結構尺寸大小而有些許改變的現象，造成某些性質，特別是光電性質，隨結構尺寸大小而變，是為體積效應。

鬧得好，費曼先生！

說到奈米科技的肇始，通常都會提到諾貝爾物理學獎得主費曼於一九五九年在加州理工學院所做的一場經典演講，講題是〈微小世界有很大的發展空間〉。在演講中，費曼以物理原理為基礎，倡言在原子層級操控物質的可能性，用以肯定回答他自己所提出的問題：「為什麼我們不能把二十四巨冊的大英百科全書寫在一個大頭針的針頭上？」。一九九○年，他的想法由科學家在國際商業機器公司（IBM）以35個氙原子排出IBM三個字母後得到證實。

使得這個可能性成真的是借重於有奈米科技「眼睛」跟「手指」之稱的，一九八一年由IBM公司的科學家所發明的，掃描穿隧式電子顯微鏡。有了這項利器，在奈米尺度下操控物質的可行性大幅提升，使得由下而上地製作材料、元件與系統的方式受到鼓舞與支援。所謂由下而上的製作方式，乃是從原子、分子出發，製備出奈米級結構，再由奈米級結構建構出微米級結構，再往上延伸為毫米甚至米結構，這與傳統的由上而下的方式相反。

人類初始只能操控及製作大結構的材料與工具，而後隨著工匠技藝的發展，逐漸能製作出微細工具，以生產精密產品如鐘表，最後隨著科技的進步，人類可藉由更精準的程序，製作出更微型化的高功能產品，如積體電路。這樣的操作方式幾乎已到達物理極限，要再往更細微的奈米尺度進展恐有其局限。事實上，由下而上的方式正符合了自然界的形成規律，任何生物體的形成都是由基礎分子形成細胞，再由細胞建構組織，由組織組成器官，由器官形成系統，最後成為一完整的高等生命體。科技終將回歸自然法則，似是早已註定的。

資料來源

《科學發展》2002年11月，359期，4 ~ 7頁

表面效應(3) 科發月刊(5210)

化學的應用：奈米新世界

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