奈米科技與生活
「奈米」是長度的單位,它是一公尺的十億分之一,也就是一公釐的百萬分之一。日常生活中,我們有越來越多的機會接觸「奈米」,為了避免被誤導,實有必要進一步了解奈米科技的發展。
 
 
 
何謂奈米

隨著「奈米科技」的發展,我們日常生活中有越來越多的機會接觸到「奈米」。初期有人會好奇,這種「奈米」與一般的「蓬萊米」或「在來米」有什麼不同,接著一連串的「奈米水」、「奈米啤酒」、「奈米馬桶」搞得大家不知所云,反正與「奈米」沾上邊的就是高科技吧!

事實上「奈米」只是一個長度的單位,它是一公尺的十億分之一,也就是一公釐的百萬分之一。為什麼人類到了21世紀才開始研究「奈米」呢?它是人類所能探討的最小尺寸嗎?其實不然。

我們都知道所有的物質是由原子與分子所構成,而一般原子的半徑大約1埃(1埃 = 0.1奈米),至於組成原子的質子、中子與電子就比奈米小得多了。既然如此,為什麼事到如今才開始發展「奈米科技」呢?這要歸功於掃描穿隧顯微術和原子力顯微術的發展,與各種化學合成技術的開發,到了近10年人類才對原子團的操控有所掌握。

對生活帶來的影響

當科學家第一次做出一條數十奈米寬的金導線時,就發現它的電性與一般熟知的安培定律不同,這就是奈米尺度下的量子效應。隨著奈米效應的陸續發現,如雨後春筍般發展出許多新的奈米產品,例如單電子電晶體、二維電子雲、量子計算元件、分子元件、巨磁阻現象、自旋電子元件、量子點、奈米線、奈米孔洞材料等無法盡數。

因此美國總統柯林頓在2000年向國會正式提出「奈米國家型計畫」,他以國會議員聽得懂的「目標」做為爭取預算的訴求,認為奈米科技將可提供下列功能:(1)增加單位面積的記憶容量1千倍,可以把整個國會圖書館的資料儲存到一顆方糖大小的體積內。(2)在原子與分子的領域由下往上建構元件材料,如此可以使密度更高、更省材料、而且減少污染。(3)發展只有鋼鐵十分之一重但強度是10倍的材料。(4)可以開發出較現有奔騰(P-III)快1百萬倍的電腦。(5)把奈米機械裝置應用在癌細胞偵測與基因分析上,且可藉由這種裝置把藥物傳送到目標器官中。(6)清除空氣與水中的污染物。(7)提升現有太陽電池的效率達2倍以上。

目前的發展

現在就以柯林頓總統當年的「奈米夢」逐一介紹分析。

增加單位面積的記憶容量 整個美國國會圖書館的資料可以儲存到一顆1立方公分大小的方糖內,把整個圖書館帶著走!這是多麼吸引人的夢想(柯林頓不愧是推銷高手!),尤其在資訊爆炸的時代,越來越多的資訊需要儲存整理,這個目標就更顯重要。

事實上這個夢想並不是那麼遙不可及,一般桌上型電腦的硬碟在幾年內從數十MByte(M代表百萬,Byte代表位元組),增加到上百GByte(G代表10億),光碟的容量也從傳統的700 MByte 增加到數位影音光碟的5 GByte。臺大物理系蔡定平教授所發展出來的超光學極限近場光學結構技術,更進一步把一張光碟的容量提升到500 GByte的目標,一張近場光碟等同於100張數位影音光碟或700張音樂光碟!

這種超級光碟和數位影音光碟幾乎一模一樣,唯一的差別只是多了一層15奈米的氧化銀或鉍奈米層。多了這層神奇的奈米層,竟然就可以突破光學繞射的極限,把光記憶點由數百奈米的光學極限縮小到100奈米以下,這大概是柯林頓總統當時作夢都沒有想到的。

由下而上建構元件材料 由下往上把分子選區、自組裝成特殊功能的元件,是奈米科技與傳統電子科技最大的不同。目前的半導體製程多是由上往下利用照光、蝕刻等技術,生產的元件結構會受限於光波的波長。近年來科學家在特殊分子合成、材料成長技術上有極大的進展,更高密度、特殊功能的元件、分子馬達等都成為研究發展的對象。因此柏克萊加州大學提出「分子代工」的構想,將來如果需要特殊功能的分子時,只要經過分子設計後上網下個訂單,訂製的分子就可在幾天內送達!就像臺灣的晶元代工一樣精確有效率。

輕而強度高的材料 許多奈米結構材料的各種特性超過傳統塊材,其中最熟知的就是奈米碳管。它的結構就像是把石墨層捲起來而成的管狀一維材料,在高解析度穿透式電子顯微鏡的透視下,呈現多層管或竹節狀結構。奈米碳管具有許多優異的特性,它的強度與熱傳導度超過鑽石,是最纖細耐用的探針,又是最好的場發射材料,也可以應用於氣體偵測與生醫辨識,是最具代表性的奈米材料。

奈米碳管的強度超過鋼鐵的10倍以上,但是它的重量(密度)卻不到鋼鐵的十分之一,因此奈米碳管已經達到柯林頓當年的夢想。當前最重要的課題就是如何有效生產奈米碳管,提升品質並降低價格,以達到實際應用的地步。

高速電腦 從2000年至今,電腦運算的速度已經提升將近10倍,但是仍然和柯林頓所說的1百萬倍相差甚遠,如果以當前的進展速度,到了2020年恐怕也無法達到所訂的目標。不過每天都有新概念與新突破,例如量子計算就提供了全新的方法,許多困難、繁雜的計算問題(如質數辨識等)已經證明可以利用量子計算迅速完成,而真正的關鍵在於如何建立一套切合實際的量子計算元件。因此如何利用奈米科技在半導體、超導體或核磁共振系統上建構可行的量子計算機,是當前一大課題。

奈米機械裝置 奈米科技與生物科技結合,可以在生物、醫學上提供重要的貢獻。尤其是微機電的發展,可以把診測、取樣、治療限制在患部進行,而不需作全身治療,這個目標已經逐步在臨床上實現。例如利用光纖等先進技術伸入體內,可以免去開刀的痛苦,手術後病人可以在24小時內恢復行動,解決了許多因開刀而來的困擾與併發症。

另外,內視鏡膠囊技術已發展到把光源、偵測器與無線電發報器裝在一顆小膠囊內,在吞下膠囊後可以把腸胃內的影像傳回,免除以往照胃鏡與腸鏡所帶來的痛苦。將來或許可以利用這種膠囊技術,把藥物直接送到潰瘍的傷口處,對療效與降低藥物劑量會有顯著幫助。未來,隨著生物科技的快速發展與微機電、奈米機電的發展,會有更多特殊功能的診測、治療方法問世。

除污觸媒 催化是奈米科技重要的一環,許多穩定的物質到了奈米大小後就變得具有催化作用。例如原本很穩定的金元素的奈米金顆粒可以把空氣中有毒的一氧化碳轉換成二氧化碳。二氧化鈦奈米粉體具有光觸媒特性,在陽光或日光燈照射下,對灰塵、細菌及水中的污染物都具有清潔作用,這或許就是「奈米馬桶」的由來吧。

事實上二氧化鈦的應用已經受到廣泛重視:加到農藥中可以控制有毒農藥分解的時程;塗布在醫院瓷磚上,可以有效抑制細菌的繁殖;塗在高速公路的燈罩或建築的帆布上,可以免去清掃灰塵的麻煩;塗在河川的石頭上,可以分解水中的污染物,看來我們未來的生活與奈米科技是分不開了。

太陽電池 柯林頓總統在太陽電池效率提升的預期上似乎有點客氣,只有2倍!其實不然,事實上這是因為太陽電池效率有它的極限。理論上太陽電池的轉換效率最高也不過45%左右,而目前一般家庭使用以矽為基材的太陽電池,效率僅達10%而已。提升目前太陽電池一倍的效率是相當可觀的,這可以打開太陽電池的市場,進而降低製造成本,讓更多民眾享用太陽電池的便利。

但是提升太陽電池轉換效率並非易事(因此柯林頓才那麼客氣,只略為提高一倍!),許多化學家正利用合成方法製造特殊功能的分子,人類也逐漸利用奈米科技,從學習大自然利用葉綠素轉換成能量的過程,把陽光轉換成我們需要的東西。期盼這種進展可以解決未來的能源問題,也可以因此免去許多為了爭奪能源而引發的殘酷戰爭。

奈米科技的確帶來許多新的現象與希望,今日看來,當年柯林頓總統的「奈米夢」未免顯得有點保守了,事實上有許多突破是他當年作夢都沒想到的!然而,就在全世界都一窩蜂作「奈米夢」之際,我們也不可無中生有,大搞「奈米噱頭」的玩意,許多「奈米水」、「奈米啤酒」、「奈米冰箱」之類的名詞,讓科學家「嘆為觀止」,更讓一般民眾覺得不知所云!除了這些噱頭之外,奈米科技是否會帶來負面的影響?這些奈米材料是否會對環境、生物造成料想不到的衝擊?也都是科學界應該重視的。

附錄
  1. 奈米生物科技-分子馬達:根據美國康乃爾大學奈米生物科技研究小組的研究,已成功地製造出與病毒大小(病毒尺寸17 nm至1,000 nm)差不多的分子馬達。這種生物分子馬達是以200 nm長、80 nm直徑寬的金屬鎳為軸,並以分子(F-1 adenosine triphosphate synthase 稱為F1-腺嘌呤核三磷酸合成酵素)做為馬達,而以長750 nm、直徑150 nm的鎳做為螺旋槳。據研究人員的觀察,這種分子馬達浸泡在ATP(adenosine triphosphate,三磷酸腺)溶液中後,利用生物分子細胞內的化學反應,以ATP 為能源,每秒轉速可達8圈,並可連續轉動2.5小時。研究人員相信,像這樣的微型分子馬達可當作其他奈米元件零件的一部分,它的潛在應用價值是非常大的。
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