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奈米科技報告:奈米馬桶 四材三A 4980G035 洪瑄竣
奈米科技 • 是一門應用科學，其目的在於研究於奈米規模時，物質和設備的設計方法、組成、特性以及應用。奈米科技是許多如生物、物理、化學等科學領域在技術上的次級分類，美國的國家奈米科技啟動計劃（National Nanotechnology Initiative）將其定義為「1至100奈米尺寸尤其是現存科技在奈米規模時的延伸」。奈米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點和高分子集合，並且被表面效應所掌控，如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應等，而慣性和湍流等巨觀效應則小得可以被忽略掉。舉個例子，當表面積對體積的比例劇烈地增大時，開起了如催化學等以表面為主的科學新的可能性。 • 微小性的持續探究以使得新的工具誕生，如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。結合如電子束微影之類的精確程序，這些設備將使我們可以精密地運作並生成奈米結構。奈米材質，不論是由上至下製成(將塊材縮至奈米尺度，主要方法是從塊材開始通過切割、蝕刻、研磨等辦法得到儘可能小的形狀（比如超精度加工，難度在於得到的微小結構必須精確）。或由下至上製成(由一顆顆原子或分子來組成較大的結構，主要辦法有化學合成，自組裝（self assembly）和定點組裝（positional assembly）。難度在於宏觀上要達到高效穩定的質量，都不只是進一步的微小化而已。物體內電子的能量量子化也開始對材質的性質有影響，稱為量子尺度效應，描述物質內電子在尺度劇減後的物理性質。這一效應不是因為尺度由巨觀變成微觀而產生的，但它確實在奈米尺度時佔了很重要的地位。物質在奈米尺度時，會和它們在巨觀時有很大的不同，例如：不透明的物質會變成透明的（銅）、惰性的物質變成可以當催化劑（鉑）、穩定的物質變得易燃（鋁）、固體在室溫下變成了液體（金）、絕緣體變成了導體（矽）。 • 奈米科技的神奇來自於其在奈米尺度下所擁有的量子和表面現象，並因此可能可以有許多重要的應用和製造許多有趣的材質。
奈米馬桶及奈米鏡面，都是蓮葉效應的應用，其中以奈米馬桶最叫好，先進國家廁所的設備都很現代化，但不管怎麼先進，清理廁所時，還是要掩住口鼻暫停呼吸，正因如此，號稱不用刷子刷的奈米馬桶問世了。奈米馬桶及奈米鏡面，都是蓮葉效應的應用，其中以奈米馬桶最叫好，先進國家廁所的設備都很現代化，但不管怎麼先進，清理廁所時，還是要掩住口鼻暫停呼吸，正因如此，號稱不用刷子刷的奈米馬桶問世了。
一般的馬桶看起很光亮，摸起來很光滑，但實際上在高倍顯微鏡下，它是凹凹凸凸不平的，所以使用一段時間之後，很容易藏污納垢，因此如何保持馬桶乾淨是令人費心的事，奈米馬桶是蓮葉效應的應用，業者開發出來奈米級的釉料，在馬桶上塗上奈米材料，表面會形成一層完全不會附著髒污的保護層，只要用極少量的清水沖一沖馬桶，就可以使馬桶清潔溜溜了。 由於室內缺乏光線、水氣充足，容易滋生細菌，因此一些業者，也在衛浴設備中添加奈米銀來殺菌。 • 參考及資料來源引用於國立科學工藝博物館http://nano.nstm.gov.tw/03application/application02_07.asp
奈米衛浴設備的作用原理 奈米馬桶：有兩種奈米馬桶，一種是以蓮葉效應的方式，在馬桶表面塗上奈米疏水性材料。讓奈米馬桶具有低表面能的低污染特性，再加上疏水特性，可以在沖水時讓水珠滾動來移除髒污，一直保持馬桶乾淨。另一種奈米馬桶是在馬桶表面的陶瓷生胚上層塗佈一般陶瓷釉層粉體，大粒徑的釉料最上層塗上具有奈米原料的釉層超微細粉體。在高溫燒成後，釉面表面變得細緻光滑，表面粗糙結構僅有奈米級（<20奈米），而污染物的尺寸是大於100奈米，通常是在幾個微米之間。因此不會卡在馬桶表面，用水沖掉時就完全不會留痕跡。奈米鏡面除霧的原理：奈米鏡面除霧是以超親水的特性來解決霧氣所帶來光線散射問題。因此在鏡面表面塗上一層含有奈米級親水材料，如二氧化鈦等，同樣以蓮葉效應方法，增加水與鏡面接觸面積，讓親水性更向上提升。使水霧與鏡面接觸角小於10度以下，甚至接近0度。接觸角越小，代表親水效果越好，就越容易形成水膜。由於鏡面水膜比起霧氣沾附在鏡面一點一點的來得均勻，光線產生散射機會小了許多，所以鏡面看起來還是很清晰，達到除霧的功能。
蓮葉效應的原理 • 1997年，德國波昂大學的植物學家巴斯洛得（Bartholtt）教授進行了一系列的實驗，發現蓮葉物理結構、化學組成與表現出疏水、自潔性間的關係，因此創造了「蓮葉效應」（Lotus effect）一詞。以下就蓮葉的疏水性與自潔性分別討論。 • 疏水性：物質的疏水性主要由表面張力（或表面能）決定，楊格提出的方程式（Young’s equation），固－氣體表面張力越低，與水接觸角越高。而蓮葉表面的化學組成－蠟。水在一般石蠟上的接觸角約110度，但是，我們由接觸角的實驗結果發現，水在蓮葉上的接觸角高達160度的超高疏水性。這是因為蓮葉，除了含有化學的疏水組成－蠟外，在物理結構上含有尺寸大約5~15微米細微突起與100 ~ 200奈米纖毛結構，這些細微的結構使蓮葉表面變得粗糙。粗糙的結構讓接觸角上升原因有兩個，第一是由於起伏的結構中會包含了空氣成分，可以貢獻部份低表面張力與高接觸角功能。第二是粗糙結構增加了整個水與蓮葉接觸面積，因此表面張力變低，讓水在蓮葉上的接觸角變成約160度，這麼大的接觸角，可以讓雨水輕易的滾動。
自潔性：自潔性主要構成因素是超低表面能特性，所謂表面能即是蓮葉表面與外在物質如空氣、水、髒污等之間吸引力，表面能越低吸引能量小，外在的物質就好像輕輕的附在蓮葉上，很容易被移除，反之越高就越像膠水黏在一起，不容易去除，再加上蓮葉的超疏水特性，水珠容易在蓮葉上滾動，輕易的將輕輕附在蓮葉上的灰塵及污泥一起帶走，不需要人工清洗，就可達到表面淨潔，這就是蓮葉的自潔性。自潔性：自潔性主要構成因素是超低表面能特性，所謂表面能即是蓮葉表面與外在物質如空氣、水、髒污等之間吸引力，表面能越低吸引能量小，外在的物質就好像輕輕的附在蓮葉上，很容易被移除，反之越高就越像膠水黏在一起，不容易去除，再加上蓮葉的超疏水特性，水珠容易在蓮葉上滾動，輕易的將輕輕附在蓮葉上的灰塵及污泥一起帶走，不需要人工清洗，就可達到表面淨潔，這就是蓮葉的自潔性。 • 奈米粉體（nanoparticles）:奈米粉體是奈米材料中種類最繁多且應用最廣泛之一類。最常見的陶瓷奈米粉體（ceramic nanoparticles）可再分為二類：（一）金屬氧化物如TiO2, ZnO等（二）矽酸鹽類，通常為奈米尺度之黏土薄片。奈米粉體的製程，包括固相機械研磨法、液相沉澱法、溶膠－凝膠法、化學氣相沉積法等，不同之方法各有其優缺點及適用範圍。此外，奈米粉體之表面覆膜與修飾，亦常是對粉體後段應用必要的處理步驟。如高濃度CO淨化觸媒－Au/TiO2，即將～10nm的金均勻分佈在TiO2載體上，以發揮其淨化功能，其中TiO2載體為溶膠－凝膠法製得之奈米孔隙材料，以具備奈米尺寸空間容納金奈米顆粒。
（一）複合材料：奈米粉體最大之應用之一，在於奈米高分子複合材料之開發。由於無機分散相表面積與高分子間之作用力，使複合材料之剛性大幅提升，透氣性、熱膨脹性下降，耐化學腐蝕，及保有透明性等之優點，可廣泛應用於一般民生工業，如家電器材、汽車零組件、輸送導管等耐磨結構材料上；在包裝材料上之應用，如保鮮膜、飲料瓶，則可利用其耐熱性、高阻氣性及透明等優點。Caly/Nylon之複合材料，由於分散均勻，只要添加3～4％，即可將Nylon之熔點從70℃提升至150℃，且加工性非常良好[來源請求]。（二）塗佈：奈米粉體塗佈具增強表面硬度、抗磨、透明等特性，已應用於建材及太陽眼鏡鏡片上，Kodak正發展以奈米粉體塗佈製造防刮之x-ray底片。此外，亦有利用奈米粉體塗佈光學、耐腐蝕、絕熱特性之應用開發。磁性奈米粉體塗佈則可應用於資料儲存方面[來源請求]。（三）醫學與藥物：經表面修飾之奈米粉體可應用於藥物輸送、奈米銀微粒具有抗菌功效、氧化鋅則具殺黴作用。TiO2與ZnO對UV吸收有相當好之功效，可應用於防曬油等美容產品[來源請求]。（四）其他：奈米粉體之高表面積，可利用工業上之催化反應；用於燃料電池上，可增加其反應速率，提高效能。此外，奈米顏料的開發、使用金屬奈米粉體印製電子電路、及磁性奈米粉體於半導體與醫學核磁共振影像上之使用，均為奈米粉體之應用機會[來源請求]。（一）複合材料：奈米粉體最大之應用之一，在於奈米高分子複合材料之開發。由於無機分散相表面積與高分子間之作用力，使複合材料之剛性大幅提升，透氣性、熱膨脹性下降，耐化學腐蝕，及保有透明性等之優點，可廣泛應用於一般民生工業，如家電器材、汽車零組件、輸送導管等耐磨結構材料上；在包裝材料上之應用，如保鮮膜、飲料瓶，則可利用其耐熱性、高阻氣性及透明等優點。Caly/Nylon之複合材料，由於分散均勻，只要添加3～4％，即可將Nylon之熔點從70℃提升至150℃，且加工性非常良好[來源請求]。（二）塗佈：奈米粉體塗佈具增強表面硬度、抗磨、透明等特性，已應用於建材及太陽眼鏡鏡片上，Kodak正發展以奈米粉體塗佈製造防刮之x-ray底片。此外，亦有利用奈米粉體塗佈光學、耐腐蝕、絕熱特性之應用開發。磁性奈米粉體塗佈則可應用於資料儲存方面[來源請求]。（三）醫學與藥物：經表面修飾之奈米粉體可應用於藥物輸送、奈米銀微粒具有抗菌功效、氧化鋅則具殺黴作用。TiO2與ZnO對UV吸收有相當好之功效，可應用於防曬油等美容產品[來源請求]。（四）其他：奈米粉體之高表面積，可利用工業上之催化反應；用於燃料電池上，可增加其反應速率，提高效能。此外，奈米顏料的開發、使用金屬奈米粉體印製電子電路、及磁性奈米粉體於半導體與醫學核磁共振影像上之使用，均為奈米粉體之應用機會[來源請求]。
奈米馬桶有何神效呢? • 最新的奈米技術能抗污抗菌，和成(HCG)將奈米級微細釉藥覆蓋陶瓷表面，加入抗菌劑，讓陶瓷表面顆粒隙縫極小，污垢無法附著。奈米級處理後的表面顆粒和普通表面相差百倍以上，所以看起來普通的奈米馬桶、臉盆似乎改變不大，陶瓷表面卻有彷如平原與大峽谷之別。這個技術聽來簡單，實際研發卻不然，「控制不同窯燒溫度，去測試數種材料，再一一剔除，週而復始去找出最佳結果，光這過程就整整試了一年，」研發人員陳世傑說。當初他在英國的博士研究接觸過奈米材料，這個靈感發展出奈米釉藥，而解決衛浴表面易沾污的問題
結語: • 全世界都在提倡環保 有了奈米馬桶這個新奇的產品 就能減少使用一些容易汙染環境的清潔劑 也能抑制細菌及異味的產生 少量的水就能把馬桶沖得一乾二淨 真是便民又便利!!
