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奈米中的大千世界

市面上有各式各樣的奈米產品宣告著種種功能,奈米幾乎等於尖端科技的代名詞。其實奈米只是一個尺度單位,奈米科技代表的是在微小尺度上的操控與研究。
 
 
 
市面上有各式各樣的奈米產品宣告著種種令人歎為觀止的功能,奈米幾乎等於尖端科技的代名詞。其實奈米只是一個尺度單位,相當於十億分之一公尺,奈米科技代表的是在微小尺度上的操控與研究。

尺度縮小有甚麼特別嗎?最簡單來看,表面積會隨之增大,因此可以反應的接觸面積增加,就可提升反應的效能。而這種尺度的特殊排列,也會對光的傳導或反射等各種物理現象產生作用,因此也可以有很多獨特的應用。奈米世界還有許多神奇之處,等著科學家去研究發現。

奈米研究相當多元,本文從臺灣大學凝態中心的林麗瓊教授的先進材料實驗室,來看幾項最新的科學發展。

先進材料實驗室的研究焦點,在於採用先進的製作技術製備奈米材料,尤其重視物質界面的處理,創造出傳統方式不容易達到的材料、形貌與結構。這些技術包括了各種化學與物理氣相沉積技術,研究的材料多以矽、碳或氮為基材,研發出諸如矽奈米尖錐陣列、複合式奈米線—─奈米豆莢、氮化物奈米線、奈米碳管等。

例如在一個滲入氮的奈米碳管陣列結構中,由於奈米碳管可當作支撐與電極,因此可做為放置催化劑的載體支架。林教授發現在其中滲入氮之後,能有效地控制奈米金屬粒子(例如鉑與釕)成核與成長的過程,使金屬粒子分布非常均勻,且尺寸維持在 2 奈米而不會擴散長大。因為顆粒小,所以放上去的金屬顆顆都有功能,效果非常好。這對使用鉑與釕當催化物而言,發揮了最大的效果,也降低了使用這些貴重金屬的成本。這項技術若運用在燃料電池上,會大大降低成本、提升效能。

再如矽奈米尖錐陣列是林教授與合作的研究團隊,首創利用電子迴旋共振電漿在基板上產生奈米晶粒,同步進行自遮蔽式蝕刻,以形成超高密度奈米尖錐陣列,達到抗反射的效果。

傳統的奈米陣列式結構的發展已有四十多年,但林教授研究的突破,在於打破傳統陣列的規律所造成某些角度不能抗反射的限制,製作出一種亂中有序的結構,使抗反射的角度範圍達到 ±80°,這是各項技術中所得到角度最大的。另外,其適用於抗反射的波段,從紫外線、可見光到遠紅外線之外的兆赫波,這也是現今各種技術中波段範圍最廣的,同時是目前最大面積的抗反射結構。這項技術可用於分子檢測、太陽能電池、燃料電池、國防等產業,已經獲得專利,具有商品化的潛力。

林教授除了在自己的專長領域優遊之外,也很用心由這些科學知識發展出對人類社會更有幫助的,特別是有永續利用價值的產業。她很感謝過去在美國奇異公司的 5 年工作經驗,讓她能夠從應用面與產業發展的角度思考問題。不過她也承認目前從事的都是相當前瞻的研究,真正要在產業上發揮功用,還有很長的一段路要走。
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