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奈米科技概念介紹. 報告大綱. 奈米的意義與特性 奈米科技的意義與應用範圍 奈米產品應用範例 奈米複合材料的定義 奈米複合材料的製作 奈米複合材料的應用現況 奈米複合材料的訴求重點 奈米科技的迷思與環保疑慮. 奈米的意義. Nano 在希臘文是侏儒的意思,所以 nanometer 在字面上隱含極小之意, 『 奈米 』 做為長度的度量單位, 1nm=10-9m ,一奈米為十億分之一公尺(表 3-1 ),相對於 3 到 4 個原子串連的長度,而人體的紅血球細胞大約是 8000nm 。用更簡單的相對性來看的話,一奈米若是一個玻璃彈珠直徑,那一公尺就是地球的直徑。

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Presentation Transcript
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報告大綱
  • 奈米的意義與特性
  • 奈米科技的意義與應用範圍
  • 奈米產品應用範例
  • 奈米複合材料的定義
  • 奈米複合材料的製作
  • 奈米複合材料的應用現況
  • 奈米複合材料的訴求重點
  • 奈米科技的迷思與環保疑慮
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奈米的意義

Nano 在希臘文是侏儒的意思,所以nanometer 在字面上隱含極小之意,『奈米』做為長度的度量單位,1nm=10-9m,一奈米為十億分之一公尺(表3-1),相對於3 到4 個原子串連的長度,而人體的紅血球細胞大約是8000nm。用更簡單的相對性來看的話,一奈米若是一個玻璃彈珠直徑,那一公尺就是地球的直徑。

如果一奈米像電話機那樣的大小,那我們食指的一個指節就有5000 公里那麼長。在半導體業常用微米(µm,10-6m)來作為尺寸衡量的標準,而一微米為百萬分一公尺,也就是說一微米是一奈米的一千倍。

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奈米特性
  • 爲什麽縮小尺寸後,對材料特性會出現如此重大的變化?當材料縮小到奈米尺寸時,在此階段會由於其材料本身的獨特的結構狀態,產生出小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道等特殊效應,以下簡單說明如下:
    • 小尺寸效應:當奈米材料尺寸等於或小於物理特徵尺寸時,其聲、光、電磁、熱力學等均會呈現新的尺寸效應。
    • 表面與界面效應:當奈米材料表面積急遽變大,相對地表面原子數迅速增加而使其原有的表面活性大幅提昇,而產生會自燃或易與氣體進行反應等新的效應。
    • 量子尺寸效應:當材料隨奈米化尺寸減小,價帶和導帶之間的能隙有增大的趨勢,因此可產生諸如吸收或發射特定波長之光、或因超導現象而產生遷移(shift)呈現稱為量子尺寸效應。
    • 宏觀量子隧道效應:當材料隨奈米化尺寸減小,微觀粒子具有貫穿能階的能力稱為隧道效應(如超磁通量)。
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工研院對奈米科技的定義與產業的應用

「用各種方式將材料、成分、介面結構等控制在1-20 奈米的大小,並能改變操控,觀測其物理、化學與生物性質隨之而來的變化,並能應用於產業。」而奈米技術就是要在材料的介觀性質當中找出新的材料,利用新材料的新特性,找出新機會,新的產業應用,奈米產業的應用如圖。

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奈米電子材料
  • 奈米電子材料:「矽」是製造積體電路晶片的材料,但如今這個情形卻有可能被下面三種材料所取代,分別是超導材料、砷化鎵、半導體超晶格材料。
    • 什麼是超導材料呢?首先,「超導」是指有些物質在接近絕對零度時,電流流動是沒有阻力的。1962年英國物理學家約瑟夫遜提出了超導隧道效應理論,就是當元件是由「超導體+絕緣體+超導體」組成、即兩個超導體材料靠得很緊、離得非常近時,若兩端加電壓的話,即使它們之間的是絕緣物質,電子仍會像通過隧道一樣,無阻擋地從絕緣介質中「穿過去」而形成微小電流,我們只要控制中間絕緣體的厚薄,就可使得兩端電壓到達一定大小時,才會有電流通過,這就和半導體二極體運作的方式類似;因為這個理論,約瑟夫遜後來獲得了諾貝爾獎。約瑟夫遜元件的運算速度是矽原件的10到100倍,但所耗功率卻只有矽元件的千分之一以下,且產生的熱量極小,而這個利用超導材料所製造的約瑟夫遜元件,正是利用奈米技術開發出來的產物。
    • 砷化鎵材料的出現,則代表了化合物半導體材料的重要進展,利用砷化鎵所製造的電子元件,不但工作速度比矽元件快5到6倍,而且還具有發光、吸光的性質,因此目前在電子技術應用上頗受到矚目及重視。
    • 另外所謂的半導體超晶格材料,是指將兩種以上的半導體分解成原子或分子狀態,再按造設計以一個原子層的方式一層層生長而成,這種材料也因其高性能的特性,亦可能取代目前廣泛使用的矽材料。由於這三種材料的出現與相互競爭,將可能使得電子材料的性能大幅提昇,同時價格相當低廉。
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奈米塑膠
  • 奈米塑膠:奈米塑膠又有人稱為「工程塑膠」,是一種強度、硬度都相當高的材料,它的硬度是碳鋼的4到6倍,然而重量卻只有其四分之一,某些奈米塑膠還具有極佳的耐磨性,程度甚至達鋼鐵的七倍以上,因此它可以說是相當理想的工程材料。不論是應用於航太、交通工具的製作,或是建築、機械工業甚至作為微電子元件的封裝材料,它都可以大量地替代原有的鋼、鋁、銅等金屬材料。另外奈米塑膠結構緊密、透氣率低的特性,使得有些塑膠具有防止燃燒、自動熄滅的性能,進而適合開發為防火材料,像國內石化工業兩大龍頭之一的長春集團,就積極地從事防火奈米塑膠的開發。
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奈米陶瓷
  • 奈米陶瓷:什麼是奈米陶瓷呢?它指的是在顯微儀器觀察下,其內部晶粒尺寸為1到100奈米的陶瓷材料,像這樣的結構比起目前絕大部分晶粒大小為1至10微米的陶瓷材料,相對來說就細小的多。這樣的特別結構又會產生什麼樣的特性呢?比如它微細的晶粒,有助於晶粒與晶粒間的滑動,因而增加了陶瓷的可塑性;此外晶粒越細的話,相對地材料中的孔洞和缺陷部分就越少,陶瓷的力學性能也就因而提高。再加上有些奈米陶瓷材料不但可以耐高溫、打不破、可透光、可塑形,同時還具有極高的耐磨性,這些都使得陶瓷材料的可應用性大為提升。舉凡陶瓷滾動軸承、陶瓷刀具、人工關節等等,都是不同領域中應用新一代奈米陶瓷材料的例子。
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奈米金屬
  • 奈米金屬:看了前面這麼多種材料,想必讀者一定也猜得到,奈米金屬同樣也是一種100奈米以下的細小金屬。當這種粉末金屬微粒越小時,整個微粒所有的原子,分佈在微粒表面的比例就越大,以一個10奈米大小的金屬微粒來說,總原子數為三萬個,表面原子的比例約占其中20%,但是當微粒尺寸縮小到1奈米時,所有的原子就全都分佈在微粒的表面了。這樣的結果,會導致10奈米以下的金屬微粒活性很高,進而可作為高效能的催化劑,用以促進化學工廠的生產效率。另外科學家也發現,即使是同一種材料,只要是以奈米尺寸大小出現,其熔點、磁性、光學等性質都會有所不同,像是利用奈米粉末製成的磁記錄材料,將可使磁帶和軟硬磁碟的記錄密度提高數十倍,而且能大幅度改善其保真性能;或像利用奈米金屬及合金粉末生產的磁流體,其優越的性能可廣泛應用於密封減震、調節聲音、光顯示、醫療器材等領域。更酷的是,奈米金屬粉末對電磁波具有特殊的吸收作用,因此可發展為吸波材料,用於軍事武器像是隱形飛機、隱形軍艦的塗裝上,如果要問說除了軍事目的之外,有沒有較為平易近人的用途的話,其實它也可以作為吸收手機輻射的遮罩材料啦!
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傳統產業的奈米應用
  • 一般傳統產業有沒有可能會應用到奈米材料呢?其實像我們平常所穿的衣服,往後的製造可能會使用具有自潔、抗紫外線、超疏水功能的奈米布料所製成,即使沾上了油污或灰塵,只要用水沖洗而不需使用大量的清潔劑,而且這種衣服在抗紫外線、抗菌、防水外還非常地通風透氣。或是像粉刷時所使用的油漆,這些顏料在過去不但不耐事後的刷洗,而且經過一段時間,漆可能就會剝落或顏色變淡,使得牆壁變斑駁而不甚美觀,在粉刷時我們還要小心避免吸入有機揮發物,然而應用奈米技術開發的新型油漆,不但耐刷洗、耐酸鹼、日曬,而且無毒無害無異味,這對於居住在封閉建物中居民的健康來說絕對是一大福音。
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自然界的奈米現象
  • 蓮花效應
  • 荷葉表面具有絨毛結構,加強其疏水能力。
  • 疏水作用:物體表面與水分子作用力微弱不易吸附水分子。
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自然界的奈米現象
  • 昆蟲的自潔作用
  • 昆蟲飛行需保持平衡,若因翅膀重量不平衡易造成飛行上的困擾,如大型翅膀的昆蟲類因腿部無法進行局部清潔翅膀,故昆蟲翅膀表面具有奈米構造,以達到自潔的功用。
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殺菌也除臭的光觸媒
  • 三洋紡織纖維公司,在抽絲紡紗的製程中,添加具有光觸媒效果的奈米級二氧化鈦色母粒,將織出來具光觸媒效果的布料做成內衣褲,即使在潮濕海島型氣候的台灣,只要曬曬陽光,紫外線會激發布料中的二氧化鈦產生催化效果,使其主動分解有機物及細菌,達到殺菌除臭的效果。
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光觸媒環保涼風扇
  • 台灣日光燈公司利用奈米化的二氧化鈦微粒,做成光觸媒奈米纖維,並將它包裹在紫外線燈管外,藉著紫外線照射在光觸媒奈米纖維上,以氧化分解有機物,還原無機物,並達到殺菌效果,而且還結合電扇,產生出便宜又實用的「光觸媒環保涼風扇」。
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生活中的應用
  • 光觸媒空氣清淨燈管
    • 光觸媒鍍膜玻纖套管紫外光燈
    • 分解有機物、抑制細菌生長
  • 可見光適用型光觸媒
    • 太陽光中只含有4~5%的紫外光,所以研發出“氧原子缺陷型光觸媒二氧化鈦”,只需要可見光區域中400~530nm,即有強烈的吸收現象。
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生活中的應用
  • 二氧化鈦瓷磚

二氧化鈦的微粉漿料噴塗於瓷磚上面,再加熱800oC以上,使二氧化鈦燒結固定於磁磚表面。對瓷磚照光後,即可發現細菌的減少。

  • 奈米光觸媒馬桶
  • 想一想?二氧化鈦瓷磚當成建材後,有何好處??
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生活中的應用
  • 空氣清淨機
    • 病態大廈症候群。
    • 分解NOX、H2S、CH3SH、(CH3)2S2等,降低空氣惡臭。
    • 光觸媒濾網吸附有機氣體及細菌。
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生活中的應用
  • 水質淨化處理技術
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生活中的應用
  • 玻璃防霧
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生活中的應用
  • 人造觀賞植物
    • 聚酯類高分子仿製
    • 塗抹一層光觸媒二氧化鈦
    • 分解臭味
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生活中的應用
  • 抗癌醫療
    • 注射含二氧化鈦的微粒的溶液,2~3天後割開皮膚露出腫瘤,照光一小時。
    • 未來則應用於“內視鏡"
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奈米化妝品
  • 一般化妝品有皮膚不易吸收之問題奈米應用在化妝品與保養品上﹐是將保養品包裹在奈米中﹐混合人體既有的膠原蛋白、玻尿酸等﹐約有八、九成可被皮膚吸收。
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具有遠紅外線功能的服裝
  • 「奈米複合材料」指的是將既有的材料,運用微粒化的技術加以研磨淬取,製造出完全不同於傳統塊材性質的奈米等級微粒。
  • 奈米複合材料的研發成功,讓產業界找到了打開新世界之門的鑰匙。例如中華綠纖維公司,便利用具有「遠紅外線」功能的「奈米黏土」,製造出具遠紅外線輻射的機能纖維,可以做成促進血液循環,又極具保暖功能的內衣及禦寒外套。
  • 台灣元紅公司也在纖維抽絲過程中,加入能放射「遠紅外線」的「奈米級天然礦石微粒」,製成保暖泳衣及韻律服。穿上具遠紅外線輻射機能的韻律服,冬天游泳或運動時就不怕肌肉痙攣造成運動傷害。
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奈米口罩
  • 台灣元台山公司利用奈米級二氧化鈦材料,做成奈米口罩,能夠分解空氣中有害的一氧化碳,讓機車騎士不再受空氣污染之苦,而且洗後放在太陽下曝曬,還能加倍潔淨。
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終結空氣污染的奈米塗料
  • 台灣永光化學正在研發出可塗在玻璃上的「奈米塗料」,將窗戶玻璃塗上薄薄一層二氧化鈦奈米塗料,除了具備自我清潔的功能之外,經陽光照射後,還能殺死附著在玻璃表面的細菌,產生殺菌除臭的效果。
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奈米冰箱可長期保鮮
  • 東元公司已推出奈米冰箱,是從日本超市將放射遠紅外線輻射的織布做成「生魚片包裝盒」得到靈感,把遠紅外線礦石燒解後,微化成「奈米級遠紅外線陶瓷粉末」,將陶瓷粉末與氧化鐵混合織成「遠紅外線襯墊」,放置在蔬果保鮮室內,利用遠紅外線讓水分子產生共振運動,分解水分子,使蔬果維持水份及鮮度達到一個月。另外還將陶瓷粉末加工成「奈米遠紅外線塗料」,塗在肉品保鮮盒內的料理板上,就能讓肉品新鮮好調理。
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自潔系統的奈米馬桶
  • 國產衛浴設備的製程技術,已從傳統的微米級技術、次微米級技術,成功進入奈米級技術的層次。以奈米粉末覆蓋於一般釉面結構較粗糙的原料顆粒上,可使釉面表面變得光滑細緻,因此污物不致卡在馬桶、洗手檯的表面,用水沖掉、完全不留下任何污物。
  • 和成研發成功奈米馬桶,利用釉料表面覆蓋奈米製品,一次高溫燒成,除提供防污功能之外,和成也成功研發添加銀離子形成高溫抗菌劑,形成九九.九%以上的滅菌率。
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奈米級化學研磨液
  • 高雄的長興化工從傳統化工轉型,這幾年投入研發高科技產業使用的奈米級化學研磨液成功,奈米微粒有不沉積少刮傷的效果,受到國內外大廠矚目。
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多種用途的奈米級黏土
  • 奈米級高純度黏土運用在食、衣、住、行各方面,如遠紅外線等特殊機能性衣著、清潔除臭劑、保濕或保養的化妝品等等。百康陶瓷原料股份有限公司目前在黏土純化與改質技術已獲相當的成果,已於民國88 年11 月18 日正式完成試量產之試單,可日產一噸高純度黏土,以供下游應用於奈米複材之開發使用。
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奈米複合材料的定義
  • 由「兩種」材料組成
  • 其中一種材料之長寬高中,任一長度是10~20奈米。
  • 符合上述兩點,則可稱為奈米複合材料。
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提升機械性質

機械強度

硬性

韌性、、等

提升機能特性

阻隔

耐燃

抗UV

遠紅外線

抗菌

奈米塑料的訴求
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近期奈米科技相關展覽
  • 「台灣國際奈米展」及「奈米新產品及新技術發表會」
    • 地點:台北國際會議中心
    • 日期:2004/9/6~8
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奈米產品的迷思
  • 只要將產品冠上「奈米」,價格立刻提高數倍~數十倍。
  • 事實上,其效益有待檢驗。並非奈米材料摻入產品內,「立即」能產生驚人效益。需投入心血研發才能開發出具有特殊效益的奈米產品。而其效益有待實際測試驗證。
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奈米科技的環保疑慮

2003年7月24日綠色和平組織在一份七十頁的報告中預警,

  • 奈米科技 綠色組織質疑製程風險大
  • 極微小、人造的奈微米可能變成生物無法分解的新型態污染物。
  • 奈米的毒性作用對肺部的影響:羅徹斯特大學的 Günter Oberdörster對老鼠吸入聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE, 鐵弗龍)奈米等級微粒的研究結果顯示,當呼吸的空氣中含有20奈米直徑的PTFE微粒時,四小時內將使大部份的老鼠致死。然而,當微粒直徑超過130奈米時,毒性副作用顯著的降低。
  • 故有必要制訂有關製造和廢棄奈米材料的行業標準

綠色和平組織在思索是否量子點、奈米微粒以及其他丟棄式奈米元件會構成一個新類別的非生物分解式污染物,而科學家對其了解卻不多。呼籲業界提供較目前更多的經費用於相關研究,以表示其對環境關懷的承諾。