科學講座 ( 南山中學 )

科學講座(南山中學) 主題：奈米世界講員：科技報導、科學月刊主編吳松春 scimonth@seed.net.tw 日期：99年12月9日科學月刊編輯部

簡介 • 奈米到底是瞎「米」？在這個科技名詞被濫用的年代，不想被瞎唬嗎？讓我們從巨觀到微距的尺寸，一起探索「奈米」的世界吧。 ●一、度量衡(大小單位)簡介 ●二、奈米的原理、意義 ●三、自然界的奈米現象 ●四、奈米材料的應用例子 ●五、奈米的未來科學月刊編輯部

前言 • 一個笑話--奈米到底是瞎「米」？有一位老農夫，向來只吃自己種的米，但他了吃一輩子的米，就沒吃過「奈米」新品種，它到底是瞎「米」？這一天，老農夫終於鼓起勇氣，到一家新開的米店，他向老闆說：「給我一斤奈米吧！」科學月刊編輯部

測驗之一 • 近幾年來，許多商業產品若打著「奈米科技」，售價立刻翻升。下列產品，那些是「奈米技術」產品？ (1)奈米口罩(2)奈米面霜(3)奈米皮鞋(4)奈米燈管(5)奈米冰箱(6)奈米冷氣(7)奈米電扇 (8)奈米纖維(9)奈米燈管(10)奈米沙發(11)奈米馬桶(12)奈米礦泉水………… 科學月刊編輯部

測驗之二 • 「奈米」是什麼？ (1)稻米新品種(2)科學新發明 (3)科技新產品 (4)單位尺寸 …………………Which one？科學月刊編輯部

奈米是啥？--→奈米的定義 • 「奈米」是一個長度單位。「奈米」中的「米」字代表一公尺 (meter），「奈」字是英文nano的音譯，即是10－9。兩個字的組合，代表十億分之一公尺。（冷冰冰數字，沒有感覺）科學月刊編輯部

生活中的尺寸 可愛小玩具 ↓助聽器 ↓手錶內部機械 ↓電子零件 ↓心臟節律器 ↓原子筆尖 ↓CD 讀寫頭 ↓IC晶片………… → 科學月刊編輯部

　　　科學家的尺寸 科學研究上兩個方向 • 有多大？（定量）　 ← 大小尺寸（１）很大　　　　→天文單位（２）很小　　　　 →分子　原子　基本粒子　 • 會怎樣？（定性）　←性質描述　　　→顏色　導電　水（油）溶性　有毒否．．．．科學月刊編輯部

科學月刊編輯部

光年：1 光年的距離約為 9.5 兆公里。離我們太陽系最近的恆星(半人馬座的 Proxima)與我們相距約有 4.24 Ly。科學月刊編輯部

一、度量衡(大小單位)簡介(1/3) ★從「小」排列到「大」 --- 1.公尺(米)meter—代號m 2.十米 decameter —代號 dam 3.百米hectometer —代號hm 4.公里(千米) kilometer—代號km ※光年Light year—代號Ly (光年雖然有個「年」字，但不是「時間」單位！它是天文上用來表示「距離」的單位。 1 光年的距離約為 9.5 兆公里 ) 科學月刊編輯部

一、度量衡(大小單位)簡介(2/3) ★從「大」排列到「小」 --- 1.公尺(米)meter —代號 m 2.分米 deci-meter —代號 dm 3.公分(厘米) centi-meter —代號 cm 4.毫米 milli-meter —代號 mm 5.微米 micro-meter —代號 μm 6.毫微米 nano-meter —代號 nm 科學月刊編輯部

一、度量衡(大小單位)簡介(3/3) • 換算關係--- 1Km ＝103m 1m ＝102cm 1cm＝10－2m；1mm＝10－3m ※1μm＝10－6m；1nm＝10－9m ※1光年＝300000公里∕秒× 60秒∕分× 60分∕小時× 24小時∕天× 365天∕年，差不多等於 9,460,000,000,000 Km∕yr (九兆四千六百億公里∕年 )。科學月刊編輯部

二、奈米的意義 • 1.定義--- 奈米（nano-meter）是長度的單位，數學符號是nm，一奈米等於十億分之一公尺。（1 nm=10-9m） Nanometer過去譯為「毫微米」，今統一譯為「奈米」；中國大陸則譯成「納米」。 ※英文字首nano，希臘文是「侏儒」的意思。（冷冰冰數字，沒有感覺）科學月刊編輯部

二、奈米的意義(續) • 2.比較--- ＊一奈米（nm）大小，約等於人類頭髮直徑的十萬分之一。＊一奈米大小，約等於5~6個原子(atom) 例如：１．DNA分子的螺旋結構直徑約為2.5nm ２．菸草病毒約為18 nm直徑。科學月刊編輯部

比喻： ＊若以1公尺比為地球直徑，那麼1奈米約為地球上一粒玻璃彈珠的直徑。＊一奈米約等於人類頭髮直徑的十萬分之一。科學月刊編輯部

DNA分子的螺旋結構直徑約為2.5nm。＊菸草病毒直徑約為18 nm。科學月刊編輯部

二、奈米的意義(續) • 3.目地--- 任何物質一旦逐漸縮小，接觸面積就愈來愈大（比表面積增加），其原來的物理、化學、生物，會產生基本的變化，而出現新的特性與現象。因此，若能善加利用奈米技術，即可能把原產品作得更精緻、微小、省電、效率更高。科學家們認為，奈米科技將引發人類社會的第四波工業革命，將對光電、電子、化工、材料及生醫等重要產業，產生革命性影響。科學月刊編輯部

二、奈米的意義(續) • 4.標準--- 凡是能夠做到100奈米(nm)以內的技術，才可稱為「奈米技術」，而做出的產品才可稱「奈米產品」（0.1至100 nm）。 ※目前國內規定，任何號稱「奈米產品」，必須送經濟部工業局(工研院奈米技術研發中心)，測試成功後發給認證標章。科學月刊編輯部

奈米標章 科學月刊編輯部

任何物質一旦逐漸縮小↓↓， • 當一種材料縮小至奈米尺度時，比表面積增大，原有物理、化學和生物等性質將改變，產生新的特性。即所謂「小尺寸效應」及「表面效應」。科學月刊編輯部

表面積與體積之比 • 比表面積是：表面積與體積的比值（比表面積 = 表面積 / 體積）。 • 當體積越小，比表面積越大，就具有所謂的小尺寸效應。科學月刊編輯部

在這麼微小的尺度下，如何準確地去量它呢？ 1980年代，電子掃描穿隧顯微鏡 (STM)、原子力顯微鏡(AFM)及近場光學顯微鏡(NFM)等分析儀器的進步，提供了奈米分析所需的「眼睛」與「手指」，使得奈米世界的特殊現象漸被了解。科學月刊編輯部

→ 使用原子力顯微鏡(AFM) 科學月刊編輯部

用來探究原子解析度的「掃瞄穿隧式顯微鏡」(STM)→圖：1989年，美國IBM利用STM刻出圖案。用來探究原子解析度的「掃瞄穿隧式顯微鏡」(STM)→圖：1989年，美國IBM利用STM刻出圖案。科學月刊編輯部

三、自然界的奈米現象 • 數百萬甚至數千萬年前，自然界的許多生物體內演化出奈米粒子或奈米構造，使其展現特殊功能或形態。 1.昆蟲翅膀不沾灰塵或水滴，可自我清潔。 2.蓮花之出汙泥而不染(蓮花效應) 3. 飛蛾眼睛的角膜表面具有奈米級的細小突起，小於光線的波長，反光性極低，避免被敵人發現(蛾眼效應)。 4.蝴蝶翅膀具有奈米級光子晶體結構，反射不同頻率的光，翅膀顏色會隨觀看角度而改變，看起來如此五彩繽紛。科學月刊編輯部

三、自然界的奈米現象(續) • 昆蟲方向感--- 很多動物的方向感絕佳，會自己找到回家的路，距離較短者有螞蟻及蜜蜂，千里跋涉則有鴿子和鮭魚等。科學家們在這些生物體內，都找到了奈米級磁性粒子的存在。這些奈米磁性粒子就是生物磁羅盤，其功用是感應地球磁場的細微差異，作為導航的依據，以找到回家的路。科學月刊編輯部

自然界的奈米現象(續) • 蓮花--- (1/3) 1.蓮花之出汙泥而不染，是因為葉面結構細膩，表皮細胞上覆蓋著一層奈米級、且具有疏水性的表面臘質(epicuticular wax)。當水與疏水性表面蠟質接觸時，並因表面張力而形成水珠。 ※疏水性←→親水性科學月刊編輯部

※蓮花效應 • 蓮花--- (2/3) 2.因表面不沾水滴，滾動的水珠會順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達到自我潔淨的效果。此奈米結構所造成的效應稱為蓮花效應（Lotus Effect)。科學月刊編輯部

※蓮花效應的應用 • 蓮花--- (3/3) 3. 蓮花效應的應用，主要是透過人工合成的方式，將特殊的化學成分加入塗料、建材、衣料內等等，使其具有防水防塵的自潔功能。目前市面上已有「自潔效應」的奈米磁磚及奈米烤漆等產品。科學月刊編輯部

三、自然界的奈米現象(續) • 鵝、鴨羽毛--- 鵝、鴨與水鳥的羽毛不會濕，是因為羽毛之間的隙縫，小到奈米尺寸，水分子無法滲透，但仍保持通氣。 ※市售的羽毛衣等產品。科學月刊編輯部

三、自然界的奈米現象(續) • 人體是由60兆個細胞所組成，每個細胞的平均直徑為50微米（0.005公分）。 • 細胞內外有許多奈米尺寸的構造及元件，負責維持人體的正常運作。 • 例如：攜帶人類遺傳密碼的物質DNA，直徑約2奈米。科學月刊編輯部

三、自然界的奈米現象(續) • 細胞膜厚度約在7~10奈米，膜上的離子通道外徑在10奈米以下，而內徑僅達1~2奈米寬，負責控制鈣、鉀、鈉、氯等離子的進出；細胞膜上的接受器（receptor）會辨識血液中的賀爾蒙或藥物，引起細胞做出反應。科學月刊編輯部

四、奈米材料的應用 奈米科技的應用，其研究發展涵蓋範圍，相當廣泛： • 1.奈米材料與化工 • 2.奈米電子及光電 • 3.奈米生物與醫學 • 4.航空及太空探險 • 5.環境與能源 • 6奈米軍事科學月刊編輯部

四、奈米材料的應用(續) 工研院奈米科技研發中心主任蘇宗粲指出，食、衣、住、行、育、樂和醫藥等各方面，都跟奈米技術脫不了關係。 1. 食: 在食品包裝上添加了奈米顆粒，延長保存期限。在塑膠袋、保特瓶等高分子聚合物中添加奈米顆粒，可以增加分子間的緻密度，使得氧氣不易進出，提高阻擋氧氣的能力。酒也會因為奈米技術而變得更好喝。 2. 衣: 奈米衣料最大的好處就是不怕髒，不易沾上咖啡、油滴等污漬。在衣料纖維表面塗覆疏水性的奈米顆粒，只要輕輕一撣，污漬液滴就掉下來。未來若能把衣料塗上能夠吸收紅外線或者抗UV的奈米顆粒，就可製作出能保暖、防曬的衣物。科學月刊編輯部

四、奈米材料的應用(續) 3.住：在陶瓷表面覆蓋具有抗菌能力的奈米微細釉藥，製造出不沾污垢、抗菌的一系列衛浴設備。 4.行：未來汽車、飛機的重量會更輕，更省電，也更環保。德國汽車正研發新型擋風玻璃，以奈米級的玻璃顆粒混上塑膠，重量不但大大減輕，而且不沾雨絲，不易附著污垢。太陽能電動汽車，或者人人手上拿的是可待機數百小時的行動電話，也會因奈米技術成真。因為在電池添加了奈米級鋰顆粒，能夠大幅延長供電時間，縮短充電時間，會是未來電池的主流。科學月刊編輯部

四、奈米材料的應用(續) 5.育：比信用卡還薄的電子書，面板是由上百萬個奈米顆粒所組成，隨著輸入的頁數，每頁有不同的畫面跳出來。 6.樂：未來兩年內，第一台以奈米碳管做成螢幕的電視可望問世，不但省電、成本低，而且很薄，厚度僅數公釐。奈米碳管也可用於網球拍，質輕、鋼性好的特點。奈米網球、奈米排球：在球類表面塗覆奈米顆粒，也能阻絕氣體進出，不易沾上汗滴，保持球的彈性。在美國開打的戴維斯盃網球賽，即是用奈米網球。科學月刊編輯部

四、奈米材料的應用(續) 7.醫藥： ◎延長藥效：波士頓大學研究人員把老鼠的胰島細胞用薄膜包起來，再植入患有糖尿病的老鼠體內，薄膜上布滿 7奈米大小的孔洞，僅能讓胰島素分子慢速釋放出來。這樣一來，原本需要天天注射胰島素的糖尿病鼠，植入膠囊後，不用打針，數週後也可存活下來。 ◎精準到達病灶：以奈米高分子聚合物做為藥物的載體，使藥物容易被細胞吸收，更能精準到達病灶。利用奈米級機器人進入人體和病毒展開大作戰，或是清除血管中的血塊，都會因為人類走進微小世界之路，使一切變得可能。科學月刊編輯部

四、奈米材料的應用(續) 科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續)碳原子(含6個電子.質子.中子)：四、奈米材料的原理(續)碳原子(含6個電子.質子.中子)：科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續) • 碳六十(1/4) 碳六十也是碳簇中第三個被發現的碳同素異形體(allotropic form) 。 1.石墨(graphite) --碳原子以層狀排列 2.鑽石(diamond)--碳原子以四面體方式架構 3.碳六十-- 碳原子以60個球面方式架構科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續) • 碳六十 (2/4) 美國夏威夷大學早已發現四十六億年前的隕石，內存在著C60、C70以及C100至C300等純碳分子，並認為它們是宇宙早期即已存在的物質。 1985年，英國柯洛托(Kroto)為了探索星際塵埃光譜，在柯爾(Curl)與史莫利(Smalley)的協助下，測出含有偶數個碳原子的碳簇(carbon cluster)。 ※這些成就使三人共同榮膺1996年諾貝爾化學獎。科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續) • 碳六十(3/4) 由60個碳原子所組成的原子團，簡稱為C60。因外觀像1967年加拿大蒙特婁世界博覽會美國館，所以又稱巴克球(Bucky ball) 。科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續) • 碳六十 (4/4) 1.由20個六角形和12個五角形所圍成，外形像一顆足球。 2.是目前已知對稱性最高的球狀分子。 3.直徑為71nm，室溫下呈紫紅色的固態分子晶體。 4.不導電，但在凱氏溫度18K0(-273+18℃)時，具有超導性。科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續) • 奈米碳管CNT (1/4) 碳奈米管(Carbon nanotubes)是1991年由日本NEC公司的飯島澄男(S. Ijinma)於研究碳簇時偶然發現，是目前自然界中已知最細的管子。 ※它具有高導熱性、高強度、高柔軟度及化性穩定等特點。科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續) • 奈米碳管CNT--- (2/4) 其結構為碳原子以六角形排列，然後捲曲成管狀，外加兩顆做為封蓋的半球狀碳簇。奈米碳管基本上可分成：單壁層碳奈米管和多壁層碳奈米管兩類。科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續) • 奈米碳管CNT--- (3/4) 奈米碳管比鋼鐵輕了六倍，但強度卻高出500倍以上，可用來取代銅線或製造超強度塑膠。奈米碳管是有史以來被發現過的最佳導熱材質，能量的傳導性幾乎比現今發現的所有材料都還要好。科學月刊編輯部

四、奈米材料的原理(續) • 奈米碳管CNT--- (4/4) 在商業用途上，奈米碳管可用於電視、個人電腦顯示器，目前已進入試作階段。 ※世界最小的溫度計—-- 奈米碳管溫度計 (直徑約85奈米、長度數毫米) 科學月刊編輯部

四、奈米材料的應用(續) • 量子電腦---1/4 1.科技不斷進步，目前晶片製程的技術，也已從130奈米(2001)、90奈米(2005)、65奈米(2005)、，預計2011年可能再大幅進步到22奈米的技術。【2010年台灣已發展出16奈米元件技術】 ※但當晶片愈做愈小，將面臨一些物理上的瓶頸，例如耗能和散熱問題。 2.量子電腦的基本元件就是：原子和分子。科學月刊編輯部

※2000年，IBM公司宣布研製出利用5個原子作為處理器和存儲器的量子電腦。※2000年，IBM公司宣布研製出利用5個原子作為處理器和存儲器的量子電腦。科學月刊編輯部

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