是啥米

What is

       基礎了解 進階認識 與奈米的的對話 動手做做看 奈米小遊戲

     您曾聽過「奈米」這個名詞嗎?                          

  奈米(nm)不是一種米,也不是一種技術,奈米的英文全名是nanometer,「奈」是由「nano」的英文音譯而來,大陸則譯成     「納米」。nano是拉丁文中「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。

  它與微米(μm)公分(cm)、公尺(m)、公里(km),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(1μm)。而1個奈米就等於1微米的一千分之一,也就是10-9公尺,也就是十億分之一公尺,差不多是十個氫原子並肩排在一起的長度。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!

(上圖摘自 呂世源 奈米新世界 http://nr.stic.gov.tw/ejournal/NSCM/9111/9111-01.pdf)

 

劇 場  
 

 

  牛頓雜誌曾經以地球作比喻:「一米」與「一奈米」的大小相比較,相當於地球的直徑與地球上的一顆玻璃彈珠而已;或說人類頭髮的直徑大約是20~50微米,相當於2~5萬奈米;血液中紅血球的直徑是8微米,相當於8千奈米;「病毒」的直徑約60∼250 奈米;你的身高大約有16億奈米。

     自然界的奈米

  近二十年來,科學家們發現,當物質進入奈米(1-100nm)這個尺寸時,其物理與化學特性就會產生迥然不同的改變。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。

  而更令人驚奇的是這種現象其實一直存在於自然界中,只是因為肉眼無法看到、無法預測,未被發現。譬如,自然界中最有名例子荷葉效應(Lotus effect),荷葉能出淤泥而不染、水珠不會分散的原因是荷葉表面結構呈現自然的微小奈米級顆粒,讓污泥、水粒子不容易沾附表面。

  大自然為無機晶體在生物上的應用,提供了一個美妙的例證,那就是不起眼的磁感細菌(magnetotactic bacteria)。這種生物生活在水中以及水底爛泥裡,只在一定深度的水域或沉積物中才活得好。太淺了,氧的濃度太高,不為它們所喜;太深了,氧又不足。偏離了理想深度的細菌,就必須游回原來的位置。因此,如同它們的許多近親一樣,這種細菌會揮動鞭子般的尾部,向前推進。由於重力對這種浮游的細胞可以說沒什麼作用,那它們又如何分辨上下呢?

  答案是這些細菌體內固定有一串約20個磁性晶體形成的鏈狀構造,每個晶體大小在35~120奈米之間。這些晶體連在一起,就構成了一個微型羅盤。由於地球上大多數地區的磁場是傾斜的(在北半球,磁場不只是往北指,還向下指;在南半球則是向上指),磁感細菌可以根據磁場的上下方向,而到達它的目的地。

  這種羅盤是自然界奈米工程的奇觀。首先,它以完美的材質製造,不是磁鐵礦就是等軸磁硫鐵礦,都是高度帶磁性的鐵礦物質。會用上多個晶體,也絕非偶然;在那麼微小的尺度下,磁性顆粒愈大,磁性保持得也愈久。但如果顆粒變得太大,又自然而然地會形成兩個分離的磁區,各有相反的磁性;這種顆粒並沒有多少整體的磁性,無法成為有效的羅盤指針。藉由選擇大小剛好,具有穩定、單一磁區的晶體來當作羅盤,這些細菌對於所選用的每一分鐵質,都做了最佳應用。

      「小」就是美

  幾十年來技術的演進已經使微電子產品縮小到接近分子級的水準,但同時,這種由大至小的製造策略卻也已經接近物理學的極限。既然由大至小的路已逐漸走不通,那何不反過來思考——由小推展到大的方式來發展。因此,全球許多科學家便開始著手分子機械的開發。目前,所有元件的微小化過程,均由大尺寸往小尺寸的方向演進。對於原子或分子而言,其長度的單位是以「埃(或A)」為主。1A=0.1nm。運用我們對奈米系統的了解,將原子或分子設計組合成新的奈米結構,並以其為基本「建築磚塊」(building block),加以製作、組裝成新的材料、元件或系統。因此,在製程的觀念上,奈米科技屬於「由小作大」(bottom up),與半導體產業透過光罩、微影、蝕刻等「由大縮小」(top down)的製程相當不同。在產業方面,以電腦為例,中央處理器積體電路的線寬由從前的微米階級發展到現今0.13微米的次微米階段。因此奈米科技有別於傳統由大縮小的製程,奈米科技乃由小作大。而且被公認為21世紀最重要的產業之一。從民生消費性產業到尖端的高科技領域,都能找到與奈米科技相關的應用。

      產業界的奈米

  目前業界競相投入的,就是在於如何運用物質的奈米現象,讓傳統材料的效能變得更強,進而創造無數全新的可能。比方說已經產製出來的直徑1.2奈米的碳管,以同尺寸的不袗比較,奈米碳管是不袗的100倍,且具有很好的彈性,即使彎曲90。以上也不會折斷,一般預期奈米碳管將是非常好的填充材料,可用於製造既輕又強的複合材料(Composite Materials。,矽的特性易碎,奈米級的矽卻可以彎曲,未來電腦甚至可以捲起帶走;金是惰性金屬,不容易變化,奈米技術做成的金卻是防毒面具的絕佳活性劑。對傳統材料來說,奈米技術就像「味精」,添加奈米技術會讓物質材料有提味醒覺的全新效果,開啟非常龐大的運用空間。世界各國都投入奈米科技,聽起來像神話卻一一出現。德國研發奈米牙膏,利用微細黏膠顆粒能自動修補蛀牙裂縫;英國研發奈米氣喘警告手錶,透過奈米微量偵測技術提早警告有致喘物質;美國正發展間諜功能的智慧灰塵,灰塵中奈米偵測裝備可以收集資訊;日本的奈米玻璃照到太陽後,奈米微粒氧化會自動清洗窗戶髒污;韓國發展出奈米碳管顯示器,螢幕厚度不到一公分。國內的衛浴設備廠商和成公司推出的新系列產品,加上奈米級釉藥有防污抗菌功效,奈米技術並沒有創造一個飛天馬桶,但確實讓產品的功能提升,創造出附加價值。工研院副院長兼奈米科技研發中心主任楊日昌指出,「奈米材料的新特性,會讓傳統產業出現顛覆性的改變。」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。奈米技術最驚人的,是透過對物質極微細尺寸的操縱,技術上已經能直接移動原子。這層技術的可怕之處在於:如果你可以隨意操縱組成物質的原子,就能任意改變、創造物質。換句話說,當人類完全掌握奈米技術時,就如同找到點石成金的「仙女棒」。由此可以想像,由奈米科技製作出來的產品,其特性將與我們原有的認知大不相同。

  如果說奈米電子技術是高科技產業的維他命,奈米材料就是傳統材料、製造產業的強心針。楊日昌分析,奈米影響傳統產業以奈米材料為主,奈米材料從塗料、表面處理、粉體、複合材料、整體材料,從淺到深應用無窮。相對而言,奈米對傳統產業影響會遠大於高科技產業。
對傳統產業影響來自於原料素材特性的改變,陶瓷表面奈米處理可以防污抗菌、尼龍加入奈米微粒可以耐熱、紙張衣料加上奈米塗劑可以撥水撥油、金屬摻上奈米物質可以強度提升、玻璃經奈米觸媒可以自動清潔,改變之大、數量之多、用途之廣非常驚人。
永豐餘把可以防水、防油的奈米技術塗料使用在紙製容器,奈米技術紙容器可以當成塑膠容器使用,而且這層塗料也能自然分解,符合環保。長興化工研究所實驗室裡正進行防水布料測試,塗抹上奈米技術的衣服布料,放在水龍頭下沖水不但不濕,連水珠都不沾。


      生物科技的奈米


  對看電影的人來說,1966年的「聯合縮小軍」是奈米科技(nano-technology)在醫學應用上的一場饗宴,也是大膽的願景。片中一群無畏的醫生以及他們乘坐的高科技潛水艇,透過神秘的方式縮成微型大小,送進一位受傷病人的血液循環中航行,以除去威脅病人生命的腦中血塊。過去36年來,在愈來愈小的尺度上製造複雜器械的努力,已有大幅的進展,也讓不少人相信,類似該影片的醫學介入方法是可行的;不用多久,微型的機器人就可能在每個人的血管當中巡弋。所以奈米生技的發展,則是另一項市場新機會。
  最近美國密西根大學研發可摧毀病毒和癌細胞的奈米炸彈,尺寸僅20奈米,可以在人體內辨識病毒、癌細胞然後準確摧毀,也可以改變成攻擊大腸桿菌。德國法蘭克福化療中心在研究愛滋病治方,將裝有遺傳蛋白的奈米級膠囊,故意讓免疫系統吞噬,遇到潛藏於免疫系統的愛滋病毒時,會打開膠囊封鎖病毒基因蛋白而控制病毒。國內的工研院也研發出指甲大小的發燒晶片,能找出發燒原因,利用奈米微小量檢測技術,憑著一滴血滴在晶片上,可以檢測出25種導致發燒的病毒。

  總之,人類文明在歷經前兩個世紀的機械、電子乃至於資訊科技所帶來的工業革命,第四次工業革命的腳步儼然已隨著奈米科技的興起而到來,且由於其涵蓋領域甚廣,潛在的影響範圍遠超過半導體資訊產業,因此目前世界各國無不競相投注大量的人力與資金進行相關的研究開發。

 

  • [參考資料]
  • 奈米科學網 http://nano.nchc.gov.tw/
    王崇人 神奇的奈米科學 http://nr.stic.gov.tw/ejournal/NSCM/9106/9106-07.pdf
    呂世源 分子大小的機械 http://nr.stic.gov.tw/ejournal/NSCM/9107/9107-10.pdf
    呂世源 奈米新世界 http://nr.stic.gov.tw/ejournal/NSCM/9111/9111-01.pdf
    馬遠榮 施政宏 奈米碳管介紹 http://www.ee.ndhu.edu.tw/test/publications/publications3/pub1.htm
    陳延昇 小小奈米,讓世界大不同! http://www.bnext.com.tw/mag/2002_08_01/2002_08_01_133.html
    潘震澤 譯 奈米醫學大未來 http://www.sciam.com.tw/read/readshow.asp?FDocNo=121&DocNo=191