神奇的奈米科學

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神奇的奈米科學

91/09/05 19450

王崇人｜中正大學化學系

奈米科技無疑是近十年來眾所矚目的新興領域。尤其近五年來，世界各國競相投入大筆經費，更說明了它的重要性。1999年6月22日諾貝爾化學獎得主思莫雷（Richard Smalley）教授在美國參議院奈米科技聽證會上強調：「奈米科技對於人類未來健康及生活福祉的貢獻，絕對不亞於本世紀電子產品、醫學影像、電腦輔助工程、人造高分子材料等的總和貢獻。」正如微米科技在廿世紀所扮演的關鍵性角色，奈米科技已被公認是廿一世紀最重要的科技產業。

目前國內產、學各界，正如火如荼地推展研究與應用具有奈米尺寸結構的材料。奈米科技的發展已為基礎與應用科學，如物理、化學、材料、光電、生物和醫藥等，帶來重大的影響。同時在產業界，從民生消費性產業至光電、資訊和生物等高科技領域，也積極地與奈米科技的各種技術緊密結合，以期有更廣闊的發展。

經由各種不同的管道，一般人或多或少都聽說過一些有關奈米科技或是奈米科學的報導。1959年12月29日，諾貝爾獎得主李察費曼（Richard P. Feynman）教授在美國物理學會的聚會裡發表演說，暢談沒有任何物理定律限制科學家在原子的微觀條件下改造、操控或組成物質，並大膽與精確地預言，科學家將從這些微小物質之中，發現許多新鮮及豐富的性質。

在介紹這一門科學之初，需要先清楚定義什麼是「奈米科學」。奈米的英文全名是nanometer，簡寫為nm，它與微米（μm）同樣是長度的單位。1微米等於10^－6公尺，在實際生活中，一粒質地很細的痱子粉，它的直徑就大約是1微米。而1個奈米就等於1微米的一千分之一，也就是10^－9公尺。你能想像將那麼細的一粒痱子粉再平分成一百份或一千份是什麼情況嗎？姑且不論如何使用這麼小的粉粒，人的視覺在這時已經無法看到它們，必須要藉助於先進的電子顯微鏡了！

把「奈米」與「科學」合併起來，乍看之下有一些突兀，怎麼會用那麼微小的長度單位來形容科學？事實是，這只是簡稱罷了。這是科學家近十幾年來為人類知識所開發出來的一項新領域，也就是探討與奈米材料有關的物理、生物與化學性質的學問，簡稱奈米科學。

奈米材料的基本定義

奈米材料和一般的材料又有什麼不同？我們知道，傳統的材料依性質與功能來分類，約可分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、複合材料、半導體材料、生醫材料……等。然而材料有大有小，傳統材料的大小都在微米以上。顧名思義，奈米材料專指奈米大小的材料。讓我們說得更仔細一些，任何材料的尺寸，三個維度之中，至少一個維度的長度是奈米級（也就是介於1～100 nm之間），就稱之為奈米材料。

除了尺寸的限制之外，奈米材料在結構上可以分為以下三種形式：顆粒狀（代表零維奈米材料，0D）、柱狀或線狀（代表一維奈米材料，1D）以及層狀（代表二維奈米材料，2D）。舉例來說，為何稱「一維」奈米材料？因為該材料在空間的三個維度中，有一個維度的長度並不一定局限於奈米尺度。同理，零維奈米材料代表其三維都受限於奈米大小。而二維奈米材料代表材料的三維尺度之中，有一維（也就是厚度）必須局限於奈米大小。因此，

奈米材料就是至少一個維度是屬於奈米大小的材料。

奈米材料與傳統材料在其他方面具有許多相似之處，例如它們基本的組成單元是原子或分子，同時這些組成單元在材料內空間的相互位置，有規則性的或是不規則的，前者稱為結晶型，而後者稱為非晶型。既然奈米材料的組成單元為原子，那麼常常有人會問：奈米材料到底具有少個原子？我們知道，一個原子的大小，大約是介於0.1至0.2 nm之間，那麼一個奈米材料粒子中所包含的總原子數到底為何？我們以球形的「金」奈米粒子為例，金的原子半徑為0.16 nm，一顆直徑為5 nm的球形金奈米粒子便包含大約3,800個金原子。

奈米材料的基本特徵

了解了奈米材料的基本定義之後，有人可能會問：難道奈米材料的特色就僅止於尺寸小嗎？為何就憑它「小」，這幾年來世界各國都投入巨資推展相關的科技呢？經過十幾年的研究，科學家非常確定地告訴世人，當材料尺度由巨觀到微米，再縮小到奈米時，它所代表的意義並不只是尺寸的縮小，許多嶄新而豐富的物質特性，如光學性質、磁性、電性、導熱性等，亦隨之出現，因此也就衍生了許多新的應用。

奈米材料的小尺寸，造就了表面原子數激增（也就是說表面積對體積的比例大增）與量子效應的出現兩個基本特徵。

我們首先看看表面原子數激增的現象。許多材料的性質與裸露在材料表面上的原子數有直接的關係。例如，非均相催化性質，要求反應物有效地吸附在催化劑的表面上，以利催化反應的進行，以及化學感測器的靈敏度經常與感測體的總表面積有關等。當奈米材料的表面積對體積的比例大增時，自然使奈米材料成為注目的焦點。我們用金和鈀為例，金與鈀的原子半徑分別為0.16 nm及0.12 nm。附表是估算所得的，在不同大小奈米粒子中的原子數和在表面上的原子所占的比率。從這個表中的數字可以看出，粒子越小，裡面的原子數越少，暴露在表面上的原子所占的比率就越高。當奈米粒子的粒徑小到1 nm時，其中的原子，幾乎全部是暴露在粒子的表面上！

奈米材料的另一基本特徵便是量子化效應的出現。量子化是微觀世界中一個普遍的現象，它敘述微觀世界的物質所可以具備的能量或是其他的參數，不會是任何一個值，而是量化的，也就是不連續的。這個量化的現象不同於巨觀世界中能量是連續的狀況。對奈米材料而言，當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時，其能量狀態的分布由連續轉變為量化的狀態，繼而明顯地影響奈米材料的許多性質。我們以著名的半導體奈米粒子的量子局限效應來說明。

半導體材料分為純元素半導體以及化合物半導體，純元素半導體以矽與鍺為主，而化合物半導體則有兩種形式：ⅢⅤ族半導體與ⅡⅥ族半導體。前者是由元素周期表中ⅢA及ⅤA族的元素所組成，例如氮化鎵等；後者是由元素周期表中ⅡB及ⅥA族的元素所組成，例如硒化鎘等。半導體材料具有一個很基本的電子結構特徵，那就是電子存在的價帶以及在室溫下並不存在著電子的導帶。二者之間的能量間隙，一方面不如導體的能量間隙那麼小，另一方面遠不如絕緣體的能量間隙那麼大。

也就是因為這項特徵，使半導體材料的電子傳導特性可以經由外加的驅動力而調整。例如，材料可以經由加溫或是照光的方式，使得在價帶的電子吸收能量而激發到能量較高的導帶，導帶中的電子就如同金屬的自由電子一般，具有導電的特性。這個可以經由人為操控的特徵，使得半導體材料衍生出非常多且有用的物理特性，更發展成為各種用途的元件及產品。

當半導體材料縮減成奈米粒子的時候，會有什麼量化的現象呢？科學家在研究不同粒徑的半導體奈米粒子的能隙特性時，發現一個現象，就是當粒徑減小時，粒子電子結構的能量分布出現逐漸分散的能階態，而非群聚式的能帶，也就是說在價帶與導帶之間的能隙越變越大。科學家發現要將不同粒徑的半導體奈米粒子的價電子以照光的方式激發至導帶，所需要光的波長就有所不同，也就是如前面的量化現象所述，粒徑越小的粒子，能隙越大，也就是需要的能量越大、波長越短的光。

當硒化鎘奈米粒子的價電子經由照光激發至能量狀態較高的傳導帶之後，會自發性地將能量釋放而回到較穩定的價帶，這能量的釋放是以光的形式進行的。前面說過，因為粒徑的不同而造成硒化鎘奈米粒子具有不同的能隙大小。相對地，亦會因為粒徑的增大，而釋放出波長較長的光。因此，我們經由製備不同粒徑的硒化鎘奈米粒子，便可僅僅因為粒徑大小的不同，而釋放不同顏色的光。由此可知，量子局限化效應造成半導體奈米粒子具有如此特殊的放光性質，實在非傳統材料所能達到。目前半導體奈米粒子的光學性質已應用於諸如奈米雷射、生物醫學檢測（經由與蛋白質或 DNA分子的吸附）等許多方面。

「小」就是美

再舉一個奈米粒子具光學特性的例子。「黃金」是非常受人喜愛的金屬，姑且不論它對於人類生活的價值與影響，黃金色澤本身在金屬材料中就深具代表性。如果將黃金研磨到超微細的程度（奈米粉體），這個黃金色澤便完全消失，紅色隨即呈現出來。金奈米粒子的「紅」，已經利用在很多方面，例如與生化分子結合而應用於檢測的技術。最被大眾熟知的例子便是提供驗孕片的呈色之用。

金奈米粒子的紅色，也是量子效應之一例。針對可見光與金奈米粒子的相互作用關係來看，當粒徑等於或是大於入射光的波長時，粒子會吸收及散射入射光；但是當粒徑遠小於入射光的波長時，吸收的效應就相對地大多了。我們知道，可見光的波長範圍大約在400 nm～700 nm，這些波長比金奈米粒子的直徑都長，但是金奈米粒子並不會吸收所有的可見光，它會特別與500 nm波長附近的光作用（正確地說，是發生「共振」！），吸收這些光的能量之後，金奈米粒子的自由電子雲會因而被極化，隨著光波的頻率震盪。因為吸收了較多的綠光以及藍光，所以分散在水溶液之中的金奈米小球會呈現清楚的紅色。

值得一提的是，金奈米球對於500 nm波長附近的光作用非常強，也就是吸收係數非常高。有趣的是，若是粒子的形狀不同於對稱的球形，例如圓柱形的金奈米粒子，也就是一維金奈米粒子，那麼這個共振的頻率會變得非常的不同。科學家發現，只要粒子長短軸長度的比值愈大，或是說粒子的長度愈長，便會吸收較長波長的光。只要能夠操控金奈米粒子的形狀，其所呈現的顏色就會有相當顯著的變化。

「奈米」指物質實體的尺寸，也代表被物質所局限的空間大小，兩者具有同樣的重要性。一個最近的奈米生物技術的例子：未來的人造胰臟，說明了運用後者的美妙成果。利用現今的微機電技術裡的光刻技術，製造一種穿透膜，其中布滿了微細的孔洞，其孔徑大小是均勻的18 nm。若是將胰腺細胞裝進布滿奈米孔的膜中，因為極微小孔徑的關係，使得埋在其中的胰腺細胞所分泌的胰島素以及其他的小分子如氧和葡萄糖得以順利穿透進出薄膜；但相對地，人體內免疫系統所分泌的較大抗體分子如免疫球蛋白G（immunoglobulin G）卻無法穿透而入，破壞胰腺細胞。這很可能是糖尿病患者的一大福音。

附錄

費曼教授於 1988 年去世，他除了非常不拘的個性與思考使世人印象深刻之外，在他逝世後辦公室的黑板上，還留有一些粉筆字，其中包括值得玩味的一句話：What I cannot create, I do not understand.（意即：我不能創造的東西，代表我並不了解它。）
其實對於原子或分子而言，其長度的單位是以「埃」為主。1 埃 = 0.1 nm。
我們以球形的奈米粒子為例，若是其半徑為 r，所含的原子總數為 n，那麼
- 奈米粒子的表面積為 S = 4π．r_o²．n^2/3，其中 r_o為其組成單元原子的半徑。
- 奈米粒子的表面原子數為 n_s = 4n^2/3
- 表面原子數占總原子數的比率（F）為 F = 4/n^1/3

資料來源

《科學發展》2002年6月，354期，48 ~ 51頁

奈米(47) 科發月刊(5221)

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