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奈米科技的簡介

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奈米科技的簡介

I.奈米科技的簡介
I.1.   奈米的定義
奈米(nanometer)是長度的單位,它的數學符號是nm,一奈米等於十億分之一公尺(1 nm= 10-9 m)。它英文的字首nano,在希臘文是「侏儒」的意思,字尾meter則是英文「公尺」的意思。在中國大陸nanometer則翻譯成納米。它比細胞、血球或細菌都小,用肉眼是不可能看見的
 
I.2.   奈米科技的定義
奈米科技(nanotechnology)簡單來說,主要是探討在一奈米到一百奈米(1~100 nm)尺度下所出現嶄新物理、化學等特性的科學技術。要達到奈米尺度下(1~100奈米)對物質的控制可由二個方向著手:一種稱為「由上往下」(top-down)的方式如:半導體90奈米技術;另一種稱為「由下往上」(bottom-up)的方式如:自組裝(Self Assembly)奈米結構是由原子、分子、超分子等級的操控能力以產生具有新分子組織的較大結構,這些結構具有新穎地物理、化學和生物的特性和現象。
奈米材料具有與一般固體晶相或非晶質結構不同之原子結構。當與傳統晶粒或非晶質材料相較,奈米材料具有不同之光學、磁性、熱傳、擴散以及機械等性質。另外,可與原本無法混合的金屬或聚合物混合而成合金。奈米結構材料,其電子能階會發生變化,而且是隨著粒徑大小不同而異,使奈米材料的各種特殊屬性逐漸為人所重視,諸如材料強度、模數、延性、磨耗性質、磁特性、表面催化性以及腐蝕行為等1
 
I.3.   奈米科技的發展
1959年,費曼(Richard Feynman)於在加州理工學院發表了一個目前非常有名的演說,名為“在底層有很大的空間”(There is Plenty of Room at the Bottom.)。他以利用原子或分子製造材料及裝置會產生令人興奮之新發現的願景來激勵他的聽眾,費曼指出,要實現這樣的願景,需要一類小型化的儀器設備去操作及測量這些微小的奈米結構。直到1980年代,具有費曼所提出及預見之能力的儀器設備才見於世,這些儀器設備包括STM (Scanning Tunneling Microscopes),原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopes)及近場顯微鏡(Near-field Microscopes),提供了奈米結構量測及操作所需之“眼睛”及“手指”。和這些同時發展的還有計算能力之擴展,它使得吾人對奈米材料行為之精密模擬成為可能。這些新工具及技術在科學之領域已經大放異彩1
1962年日本熱力學家久保(Kubo)發表論文指出,細微的金屬顆粒,其電子能階會發生變化,而且是隨著粒徑大小不同而異。由於這有趣的發現,細微金屬顆粒的各種特殊屬性逐漸為人所重視,於今乃發展成一重要的新機能素材。國際發展上直到德國H. Gleiter等人,在1984提出奈米晶材料概念以後,有關奈米材料之研究,在西歐、北美等地才引起高度關注,並在材料、物理、化學等會議上列為專題。近十年來,奈米材料之研究與應用如雨後春筍大幅成長,例如Smalley於1986年發現C60而因此於1996年獲得諾貝爾獎。而C60的發現也開啟人們對奈米碳材的研究與興趣,著名的Iijima纖維即是在此一潮流下於1991年發現,所謂Iijima纖維即為奈米碳管(Carbon Nanotube)(圖一),其相關之研究受到相當之重視,不亞於1987年開始之超導研究1
 
 
 
 
圖一. 內含碳60 的奈米碳管示意圖7
根據有關報導,l990-l995年大陸從事奈米材料的研究人員,從國家、部門或自籌經費,共獲得資助1500萬元人民幣。中國 2001年推動 『攀登計畫』 、『863計畫』、 『火炬計畫』等計畫,將80年代開發之奈米技術基礎與應用研究更向前提升,三計畫投注約700萬美元,企業100多家參與。而美國、日本、德國1996-1997的投入分別為美國l7億美元、日本8億美元、德國6億美元。日本目前之『奈米技術發展戰略推進會議』,推動新五年科技基本計畫,共147計畫。包括能源、奈米IT、生命科學和環境四大目標。日本現今之超微細加工、奈米結構設備及強化奈米結構領域俱全球優勢。而歐盟2002-2006重要科技計畫,投入數億美元研究經費,其塗層、新儀器方面領先其他國家。台灣這些年來奈米材料研究以合成與性質研究為主,探討奈米晶粒之原子結構、與化學界面間的關係、以及材料特性的影響等等。然而研究經費比大陸差距很大,更何況歐美1
在二十世紀末的最後一年,美國總統集合全美頂尖科學家,為二十一世紀之科技發展提出前瞻性之建議。而奈米技術 (Nanotechnology)為大家所公認為二十一世紀之尖端科技產業。美國柯林頓總統將『奈米科bv學與技術』列為美國下一世紀最重要之科技發展,訂定『國家奈米技術策略(NNI)』,公元2001年美國奈米科學與技術研發經費比2000年提升八十三百分比,2000/10至2001/9投入4億2000萬美元。其中大學研究佔七成、民間研究佔三成,共600件。目前美國以合成、化學品及生物全球領先。2010年全球預估奈米技術相關產品約有14400億美元市場。2001我國國科會也針對奈米材料與技術之發展,在自然處及工程處投入相當研發經費,明年更有大型跨處之奈米研究主題,可見其未來之重要性1 。奈米科技目前研究發展主要方向是重在物理、化學、材料、化工、電機、光電、機械、生物科技等方面2
  • 電子與資訊工業:研發更省電、體積更小、更快、更環保的元件、奈米結構感測材料、電子陶瓷、光電材料、場發射顯示器、微制動器、微機電系統等應用上的開發。
  • 奈米電子:自旋電子元件、磁性存取記憶體、高K值材料元件、奈米碳管電子元件、單電子電晶體等。
  • 奈米光電:半導體量子點光電元件、光晶體元件、奈米碳管場發射元件、有機發光元件等。
  • 資訊儲存:近場儲存寫讀技術、奈米級刻版技術、超高密度光碟技術。
  • 能源應用:微小型奈米燃料電池、高效能儲電元件、光化學換能系統、多孔性奈米結構電極等。
  • 生物技術:生物晶片、診斷試劑、生物感測器、人工視網膜等。
  • 生物醫學 : 研發奈米生物機器,在體內治療血管、器官疾病,甚至修正DNA,可以針對癌症細胞加以破壞而不傷及正常細胞。
  • 日常生活 : 研發自動潔淨的物品、完全抗菌抗紫外線的衣服、永不退色的染料、能使飛機隱形的油漆、快速度電腦……。
  • 奈米食品科技:現在已經有許多研究單位將奈米科技運用在食品科學的研究,延伸發展出奈米食品科技。
  • 電子與資訊工業:研發更省電、體積更小、更快、更環保的元件、奈米結構感測材料、電子陶瓷、光電材料、場發射顯示器、微制動器、微機電系統等應用上的開發。
  • 奈米電子:自旋電子元件、磁性存取記憶體、高K值材料元件、奈米碳管電子元件、單電子電晶體等。
  • 奈米光電:半導體量子點光電元件、光晶體元件、奈米碳管場發射元件、有機發光元件等。
  • 資訊儲存:近場儲存寫讀技術、奈米級刻版技術、超高密度光碟技術。
  • 能源應用:微小型奈米燃料電池、高效能儲電元件、光化學換能系統、多孔性奈米結構電極等。
  • 生物技術:生物晶片、診斷試劑、生物感測器、人工視網膜等。
  • 生物醫學 : 研發奈米生物機器,在體內治療血管、器官疾病,甚至修正DNA,可以針對癌症細胞加以破壞而不傷及正常細胞。
  • 日常生活 : 研發自動潔淨的物品、完全抗菌抗紫外線的衣服、永不退色的染料、能使飛機隱形的油漆、快速度電腦……。
  • 奈米食品科技:現在已經有許多研究單位將奈米科技運用在食品科學的研究,延伸發展出奈米食品科技。 
 
圖二. 奈米科技的發展示意圖5
參考文獻:
1.            大同大學奈米科技課程講義—第一章,基本概念。
2.            徐子民,國立中央大學奈米科技研究中心,奈米科技課程講義。
3.            科學人,轉載「奈米醫學大未來」,撰文╱阿利維撒托斯(A. Paul Alivisatos)
4.            郭東瀛,「對奈米技術又知多少!」工研院 工業材料所 2004/8/19
5.            葉安義,科學發展,2004年12月,384期,P44~49。
6.            高逢時,科學發展,2005年2月,386期,P66~71。
7.            陳貴賢,「奈米科技與生活」科學發展,2006年2月,398期,P46~51。
8.            林鴻明、林中魁,“奈米科技應用研究與展望”,工業材料179期,90年11月,84-91頁
 
最後修改者 : 睿綸數位 2006-11-18 00:10:58