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奈米科技的展望

奈米是一種長度單位,等於10的-9次方公尺。所有小於一百奈米的物質,其物理和化學性質都變了,無法再以傳統的理論來解釋。奈米技術的研究應用,被認為是人類又一次的工業革命。
 
 
 
初期的奈米只能代表流行

值此奈米科技還未完全成熟的時代,市面上許多產品都已冠上奈米兩個字。現在的奈米產品,只能算是一種傳達「這是最流行的」意思,這與早期流行「原子」的時候很類似。

第二次世界大戰剛結束,原子彈使人印象深刻,緊接著原子時代來臨,原子物理學成為最熱門的學問,當時剛上市的鋼珠筆稱為原子筆,新布料做成的長褲稱為原子褲。總之,現在流行的奈米冰箱、奈米馬桶,多少也和原子筆一樣,在名稱上帶有很強的流行意味。

比可見光波長尺度小

奈米一詞源自拉丁文nano,是一個表示數量級的字首,英文將nano 加meter組成為nanometer這個字,是一種長度單位,並以縮寫nm表示10-9 公尺。一奈米是一公尺的十億分之一。如果材料在尺度上,至少有一維在一百奈米以下的,稱為奈米材料;在結構空間中,至少有一維尺度在一百奈米以下的,稱為奈米結構。若拿奈米尺寸和極細小的東西比較:一奈米相當於一微米(μm)的千分之一;一個病毒大約是一微米的十分之一;一個細菌大約是一微米;人類頭髮直徑,一般在20微米至50微米之間。

一微米大小的細菌是普通「光學顯微鏡」所能看到的最小東西。一般可見光波長大約在0.4~0.76微米之間,因此,比可見光波長尺度還小的物質,單靠普通光學顯微鏡是看不清楚的。由於一奈米只有一微米的千分之一,所以由奈米材料組成的物質,只有透過「穿隧電子顯微鏡」才看得到。

謝謝你 費曼先生

最早提出奈米想法的,是加州理工學院獲得諾貝爾物理學獎的理查‧費曼(Richard P. Feynman)。一九五九年,費曼先生在該校召開的美國物理學會年會中演講,他鼓勵年輕學者努力把東西做小,只要東西一直往下縮小,就有機會騰出很大的發展空間。由於當時許多預測的想法現在都已實現,人們便開始注意奈米材料與技術的應用,於是,一個使尺度不斷往下縮小的革命──奈米科技,就這麼開始了。

在人類文明發展史中,農業時代、銅器時代、鐵器時代都與技術提升有關。西元前兩千年,人類使用的器具以農具為主,關心的長度單位只到公分。一七五○年工業革命開始,機械、齒輪出現,大部分機械以公厘計算。一九六○年微電子時代來臨,電晶體、積體電路出現,人類進入微米時代。現在,新一代的人類想要掌握更小的奈米尺寸,亦渴望理解小尺寸世界的規則,以便擁有全新的技術能力,進而創造一個全新時代。

奈米技術的發展可從半導體看起。臺灣生產的積體電路體積一直在縮小中。世界上最早出現的電晶體體積很大,比真空管小不了多少,之後,開始慢慢往下縮小。英代爾公司在二○○○年十二月對外表示,已開發出迄今世界上最小最快的電晶體晶片,厚度僅30奈米,相當於三百個原子疊在一起的厚度。這項突破將使電腦晶片速度在今後的五到十年內,提高至二○○○年的十倍,英代爾宣稱,新處理器製造的產品將在二○○五年以後推出上市。

八○年代以後,人類開始發展原子操控技術,由於原子力顯微鏡、掃瞄式電子顯微鏡等高科技儀器發明,促使人類對微觀世界有了更進一步的認識。科學家對於這些極細小的東西,除了想要看到以外,還希望能操控它,這就把人類推向了奈米世界的研究領域。研究奈米技術需要物理、化學、工程及材料等多方面的豐富知識與經驗,加上跨領域的技術整合,終而促成奈米材料研發的趨勢。

超微材料 不再是原來的它

傳統上用來解釋材料性質的理論,只適用於一百奈米以上的物質,因此,比一百奈米小的物質,很難單從傳統理論中得到完美的解釋。通常材料尺寸在一奈米至百奈米之間的微粒稱為「超微粒材料」,當大塊物體變成超微粒時,無論是金屬或非金屬物質,其物理性質和化學性質,尤其是強度、韌性、比熱、電性、磁性等方面都發生變化,不再是原來我們所認識的它。

舉例來說,將一大塊黃澄澄人見人愛的金子,一直切小,到它不再像大尺度的黃金時,也就是達到奈米尺寸的時候,科學家最感興趣的是:它還具有金的性質嗎?顏色是金色的嗎?硬度與黃金一樣嗎?熔點一樣嗎?所有性質都與巨觀材料的性質一樣嗎?當然,一顆金原子鐵定不再是黃澄澄的金色,當金分散到奈米尺寸時,寬度是五個原子、六個原子、或八個原子時,各種性質都不一樣了,這就給製造材料者一個很大的發揮空間。

說來有趣,科學家積極研究的奈米技術,就曾在古代出現過。中國古書裡提到的道家煉丹術,以及文獻中描述的唐朝皇帝保養身體時所喝的紅色金液,可能就是含奈米金的水。又如,利用奈米金屬對光所具有的吸收與發色性質,中古歐洲工匠在為教堂繪製彩色玻璃或聖經畫像時,或許也曾採用含奈米材質的顏料。

新世紀的超級纖維–奈米碳管

東西變小以後有什麼好處呢?第一個好處是,它的表面積與體積的比值(即比表面積)變大了。一個球形顆粒的比表面積通常與直徑成反比,東西愈小,直徑愈小,比表面積就愈大,因此很適合用來做催化劑。第二個好處是具有量子力學上所謂的小尺寸效應,例如金、銀之類的導體,當中的電子通常呈現波動特性,導體尺寸變小以後,波動性質就更為顯著。此外,由於表面積增加,束縛能量下降,使得物質本身變軟。而東西變小以後,又可摻入其它物質中,成為一種更為堅硬的複合材料。

奈米碳管被稱為是二十一世紀的「超級纖維」,也是奈米材料中頗具代表性的物質之一。一根奈米碳管,直徑大約1.4奈米,可用來製造奈米級電子線路。

傳統電視機的映像管很笨重,在機器後端占了很大空間,只要其中一部分壞掉,就看不到電視畫面。高中課本中曾提到尖端放電原理──把導體頂端做得很尖,當有足夠電壓時,便從尖端放電。利用此方法,可先用化學沈積法把奈米碳管「長」在一片很薄的半導體表面上,然後釋放電流,進行尖端放電;當釋出的電子打到螢光幕時即出現光點。這樣的電視螢幕可以很薄,而且是由非常多的奈米碳管放電所組成,只要碳管受損比率在30%內,仍可看到電視畫面。

時髦的奈米材料成品–光觸媒

SARS疫情爆發後,奈米級二氧化鈦光觸媒成為相當暢銷的商品,它是奈米材料首次在國內研發成功並且商品化的實例。光觸媒必須先塗布在物體表面,並經紫外線照射後,才能使附著在上面的有機物、污染物或細菌變成二氧化碳和水,最後消失在空氣中。

光觸媒是七○年代發展出來的產品,當它被超愛乾淨的日本人發現後,日本即成為世界上投入這方面研究最多的國家。二氧化鈦俗稱鈦白粉,因為是白色的,會強烈反光,放在紙裡面,可製成反光度很強的紙張;也可用它來製造白色顏料、白色油漆。又因其可吸收紫外光,常用在化妝品或防曬油裡。若要製造光觸媒,須採用奈米級銳鈦礦二氧化鈦材料才有效;有時候,在材料裡添加一點奈米金或奈米銀顆粒,可幫助吸光,由於銀本身具有殺菌效果,縱使無紫外線照射,仍舊可以用來抑制細菌繁殖。

只是,要讓光觸媒發生作用需要時間。一位韓國教授針對常在食物裡出現的細菌做實驗後發現,若以奈米光觸媒處理並以紫外線照射,半小時後,附著的細菌只剩下40%,兩小時後,細菌幾乎全部死光。如果室內一片漆黑,或只有紫外線而沒有光觸媒時,細菌絲毫不受影響。雖然人們已證實,奈米光觸媒對許多種類細菌起殺菌效果,但是,尚未有文獻顯示其對病毒同樣有效。

奈米光觸媒的主要用途是做「超乾淨表面」。例如,建築物外牆要保持清潔必須經常清洗,尤其大樓的玻璃帷幕,在刷洗時不但麻煩,也很危險。如果能讓牆壁具備超級沾水或超級不沾水特性,就可保持乾淨。

超級沾水性是指水一上去以後,就散布成很薄的一層薄膜,我們稱它為親水性。在實驗室裡清洗燒杯時,經常讓人覺得,剛洗淨的玻璃表面顯得較為光滑,主要因為燒杯的玻璃是高度親水性材料,水上去以後會攤平。倘若以奈米光觸媒二氧化鈦在玻璃表面鍍上一層薄膜,雖然機制與前述不盡相同,但是同樣會產生親水性表面;在陽光下或紫外線照射下,它還可分解有機物,具備了自清及殺菌功用,這正合乎日本人的超愛乾淨需要。

自然界的奈米結構

「荷花效應」是超級乾淨、超級不沾水的代表。荷葉表面看起來很平滑,但從奈米尺度看,它是凹凸不平的,這種表面特性,讓水滴不易散布在荷葉表面上,僅能形成圓球狀後滾落葉面中心。原來,荷花水分需求量大,但老天無法每天下雨,於是,當霧水、露珠變成圓球滾到荷葉中心時,再由葉莖吸收,這是荷花的維生策略之一。又因為水無法停留在荷葉表面,污垢自然也無法沾附,無怪乎古人讚美荷花是「出淤泥而不染」。

植物之外,體內具有奈米級結構的生物亦不在少數。舉例來說,現代科學家希望做出具有奈米結構、可靈敏偵測紅外線(熱能)的天線,以用於軍事及醫療上;而半夜出來覓食的蛇,它之所以有能力在一片漆黑中捕獲獵物,靠的就是長在牠頭部,功能類似奈米級陣列紅外線天線的感應器官來感知獵物體溫。又如,蜜蜂、鴿子、蝴蝶、海豚等生物體內的奈米級磁性超微粒,因其具有生物羅盤作用,可在地球磁場導航下辨別方向,即使路途遙遠,仍可找到回家的路。

幾乎所有物質一旦縮小到奈米級以後,許多性質都會改變。例如黃金的化學性質穩定,一向被人們用來作為財產保值。但是,奈米金卻是不太安定的催化劑,現在已知的一項可貴之處,是它可將非常穩定且具劇毒的一氧化碳轉化為無毒的二氧化碳。如果轉化效率達到百分百,便可用來製造防毒面具濾毒罐,提供于消防員使用。

要奈米技術成熟 仍有得等

奈米科技是實驗室中的新興科技,也是目前全世界公認最具經濟潛力的技術之一。例如,核能工業中的耐輻射和耐腐蝕材料,若以奈米材料取代,可倍增其效能。電子元件採用奈米技術後,可使其在純度、薄度等方面較現今材料更勝一籌,且非常纖細、均勻。太陽能收集器表面上若塗上奈米材料,將使光和熱的吸收效率提高,促進能量的轉換。在未來,應用奈米技術或奈米材料改造的農產品、藥品、超級晶片、智能電腦等,均將成為消費市場的主流商品。

美國科學技術委員會在二○○○年三月提出報告時指出,奈米技術將成為二十一世紀前二十年的主流技術,也是下一次工業革命的核心。歐盟的一項研究報告亦指稱,未來十年內,奈米技術的開發將成為僅次於晶片製造的世界第二大製造業。

上述報告使得奈米科技沸沸揚揚,在科學界熱得不得了。研究奈米技術的專家更預期,未來可能出現強度十倍於鋼的奈米材料,而其重量僅只紙張的十分之一,不但是透明的,且具有順磁性、超導電性、高熔點等特性。至於未來使用的奈米碳管,其尺寸將不到人類頭髮直徑的萬分之一,可用來製作極細的導線,或用於製造微型電子零件。

然而,奈米科技從基礎研究到產品問世,中間必須經過應用研究、製程開發、技術轉移等過程;依照目前的學術成果,少說還需好幾年才能商品化。如臺積電發表的九十奈米產品在媒體上曝光後,一般民眾都以為此技術已經商品化,事實上,若要做到報紙報導程度,可能要等到二○○九年。這與美國半導體工業協會的評估相去不遠,該會表示,要把奈米科技推展成為商業上的可行技術,估計要到二○一○年至二○一五年才臻成熟。

科學是一種生活的態度,是一種運用邏輯思考的方法和追根究柢的精神,去解決在日常生活上和宇宙探索中所遇見的問題的態度。為了讓社會大眾了解科技發展的趨勢,由國科會主辦,中央大學理學院科學教育中心承辦的「2003展望系列演講」於焉誕生,本篇為春季「生活科技」系列六月十三日講座的演講實錄。
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