Transcript 奈米科技漫談
奈米科技漫談 奈米生活的世界 多采多姿活動 行動化、口袋化產品 便捷效率工作 光電資訊媒體產品 平面顯示器 光碟媒體 PCB 電腦 數位相機 車燈模具 LED 抗菌茶杯 隱形眼鏡 機能性磁磚 機能性織物 奈米光觸媒空調 優質生活 效率工作 機能材料生活科技產品 行動化口袋化產品 奈米科技的原理與應用 單元一：何謂奈米科技 3 進入教材 奈米科技的原理與應用大綱 何謂奈米科技? 大自然界的奈米現象與生活應用 •蓮葉效應 •生物羅盤 奈米光觸媒 奈米科技可能的危害 4 下一頁 何謂奈米科技? 問題：奈米是什麼? × 它是一種米嗎!? 糙米! 胚芽米!白米! 答案：錯!! (奈米其實是一種單位) 5 下一頁 奈米的意涵- Ⅰ 奈米（nanometer,簡稱nm） • 是一種微小的長度單位 1奈米（nm）=10-9米（m） • 十億分之一米 • 約為頭髮寬度的十萬分之一 • 約為三～四個金屬原子串聯的長度 • 或10個氫原子串聯的長度 下一頁 6 與奈米比大小 地球直徑約為一萬三千公里 地球直徑的十億分之一為 2R/109 = (13,000 km / 109) = 1.3 cm 約為一玻璃彈珠的大小 奈米的意涵- Ⅱ 奈米尺度的東西是肉眼無法看見的 • 例如細胞（大於200nm）、病毒 （10~100nm） 需要用電子顯微鏡才能 看得見。 奈米技術領域 8 下一頁 Concept on “Size” SEM, SPM 顯微鏡 放大鏡 10000000 1000000 100000 10000 公里 1000 100 10 (公尺)米 1 0.1 0.01 毫米 0.001 0.0001 0.00001 微米 0.000001 0.0000001 0.00000001 奈米 0.000000001 單位：公尺 National High Magnetic Field Laboratory USA 何謂奈米科技 11 奈米科技是指在奈米尺度約為1~100nm 下製造出來新的「奈米材料」，以展現 新的機能與特性，並且以此材料為基礎， 設計和製造成新的產品，發揮全新功能 的技術。 下一頁 奈米科技的定義 • 美國National Nanotechnology Initiative在2000年替奈米科技作了如下之定 義: -奈米科技為在原子、分子或大分子尺度(以長度而言約為1-100奈米之範 圍)所從事之研究與技術開發，以提供奈米等級之材料與現象的基礎認知， 並創造與使用因為微小尺寸而具有卓越性質與功能的結構、元件與系統。 該卓越暨特異之性質與功能，通常係物質在小於100 nm之長度尺規下所 發展而得。 • 此定義可歸納出三項要點: (1) 物件或結構的尺寸範圍在1 nm至100 nm之間 (2) 因為尺寸縮小至奈米等級，可衍生出物理、化學、生物等優異特性 (3) 工作或操作的對象為分子尺度的物件 • 奈米之定義: 1 nm = 10-9 m (約為頭髮直徑的十萬分之一) 奈米科技的濫觴 最早提出微小世界科學探索與 技術問題的人。 費曼(R. Feynman)的假想: 將24本「大英百科全書」 抄至 一枚大頭針的針尖上 。 美國加州理工演講 (1959): “在微小世界仍有許多空間” -- There’s plenty of room at the bottom There’s plenty of room at the bottom (…What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale… What I have demonstrated is that there is room – that you can decreased the size of things in a practical way, I now want to show that there is plenty of room…)。 在微小世界仍有許多空間 「……我想說操縱與控制微小物體 是可能的，因為當物體被縮小後， 在微小世界仍有許多的空間。」 Possibility of maneuvering things atom by atom The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. At the atomic level, we have new kinds of forces and new kinds of possibilities, new kinds of effects. The problems of manufacturing and reproduction of materials will be quite different. 原子世界將有新的力量 「就我認為，物理原理不違反操縱原 子的可能性。在原子世界將有新的力 量、新的可能性、新的影響，但問題 是如何製造原子尺度的材料與重複生 產，因為原子世界所有事物將與普通 世界不同。 費曼幻想 假如人類能夠用普通尺度的儀器，來 製造體積較小的儀器，而較小的儀器 又可以製造更小型的儀器，就這樣一 步步逐級地縮小儀器，以致最後就可 以實現按照人類意志來排列、重組的 原子，如此將可以對人類的科技與生 活創造出新的奇蹟。 費曼(R. Feynman)的假想 假想- 將24本「大英百科全書」 抄至一枚大頭針的針尖上 。 《大英百科全書》與大頭針 一枚大頭針針尖的直徑約為0.16cm，假如將 其放大25,000倍，大頭針針尖的表面積就會 等於《大英百科全書》頁面全部相加的總表 面積，所以只要將書面上全部文圖縮小 25,000倍，一枚大頭針的針尖上是有足過空 間容納《大英百科全書》全部文圖。 奈米科技~第四波工業革命 奈米科技已對物理學、化學、材料科學、醫學、 電機工程等產生革命性的衝擊。甚至對產業界、 民生用品也產生了重大的影響。一場世紀性的工 業革命，開始對其他領域造成技術上的革命。 奈米產品真的”奈米”嗎?! 奈米科技產品的神奇功能常常能吸引 民眾的目光。因此，坊間不少不肖業 者常將商品冠上「奈米」的名稱，吸 引民眾購買。 我國政府是世界第一個提出奈米產品 認證的國家，經過認證的產品將授與 奈米標章，以保障民眾的權益。 22 下一頁 奈米標章的認證Ⅰ 奈米標章圖樣中圓形代表「粒子」。內有 一個無限「∞」符號，它的涵義是象徵奈 米科技的無限應用可能。 奈米產品認證的條件有三個： •奈米性（奈米尺度） •功能性（具備一定程度新增或提昇功能） •其他要求（依據產品特性而定） 2 3 下一頁 奈米標章的認證Ⅱ 2 4 經濟部工業局 設置「奈米標 章資訊服務 網」，提供民 眾查詢有認證 的奈米產品， 保帳民眾消費 的權益。 下一頁 奈米科技的應用- Ⅰ 奈米科技的研發與應用能改善和提升 人類的生活品質。 其主要原因是奈米材料的結構特殊， 在奈米尺度的大小下，物質會改變原 來的特性，如導電率、材料強度等； 或出現一些新的效應，如自潔效應、 彩蝶效應等。 25 下一頁 奈米尺度新特性 作用力 量子限域效應 表面/界面效應 尺寸效應 生物磁性 透明性 光晶現象 作用力 尺寸大小 主要作用力 cm(公分) 重力、摩擦力 mm(毫米) 重力、摩擦力、靜電力 m(微米) 凡得瓦爾力、布朗運動、靜電力 nm(奈米) 凡得瓦爾力、布朗運動、靜電力、量子力學 奈米科技的應用-Ⅱ 醫療 •藥物奈米化後，容易被小腸絨毛吸收，藥效更好 •利用奈米磁粒子將藥物導航到癌細胞，直接殺死 癌細胞，不影響正常細胞。 衣料 •奈米銀的服裝具有抑菌和除臭的功能。 下一頁 圖片來源：科學發展 2006年12月No.408 p.37 奈米科技的應用- Ⅲ 建材 • 在磁磚或玻璃表面加上疏水性的奈米粒子，這種奈米建材 便不易沾塵污，灰塵可隨著水珠輕易滾落，如同蓮葉，形 成自潔效應。 奈米光觸媒 • 奈米光觸媒材質更具有殺菌、淨化、除臭的功能。 奈米光觸媒除濕機 29 下一頁 奈米科技的應用-Ⅳ 儲存設備 •奈米粉末所製成的磁記錄材料，可使磁帶 或軟硬碟記錄密度提高，資料儲存的密度也 相對提高。 http://nano.nstm.gov.tw 30 下一頁 奈米產品為何具有神奇的功能？ 奈米產品之所以具有特殊神奇的功能，主因 是物質奈米化後，其性質有別於原來物質的 特性。 •例一：自然界中的金是金黃色金屬。而奈米金呈現液 態紅色，可當作驗孕試劑。 •例二：自然界中的銀是銀白色金屬。而奈米銀呈現液 態金黃色，具有殺菌﹑除臭功能。 下一頁 31 奈米金溶液 圖片來源：神奇的奈米科學（2002） 奈米銀溶液 科學發展 2006年12月No.408 p.34 高中奈米通用補充教材Ⅰ p.3 奈米產品為何具有神奇的功能？ 例三：「碳」的同素異形體包括石墨、鑽石、富勒烯 和奈米碳管。他們因碳原子間結構的差異，導致這四 種物質的性質完全不同。 •石墨，可導電、導熱，也可吸收光線。 •鑽石，俗稱金鋼石，硬度很大，常用來切割物體。 •富勒烯，由60個碳所組成，結構如同足球，又稱巴克球， 可作為抗愛滋藥物。 •奈米碳管質地輕，硬度大，抗斷裂的能力比一般鋼鐵材料 高十二倍。可製造自行車或柺杖，甚至太空天梯。 32 下一頁 太 空 電 梯 測量奈米顆粒的工具-Ⅰ 35 為了檢測奈米材料微小的粒子結構（1-100nm）需有達到原 子級解析度的量測儀器。 目前常用來檢測奈米級材料的量測儀器：穿透式電子顯微鏡 （TEM）、掃描式電子顯微鏡（SEM）、及掃描式探針顯微 鏡（SPM）。 掃描式電子顯微鏡 掃描式探針顯微鏡 穿透式電子顯微鏡 圖片來源：揭開抗菌、防腐的神奇面紗─奈米銀（2007）p2 下一頁 測量奈米顆粒的工具-Ⅱ 以電子束為光源的電子顯微鏡，常作為檢測 奈米級材料的量測儀器。 因電子束的波長約為0.5nm，比可見光 （約 500nm）小很多可大幅提高顯微鏡的解析度， 觀察到約數個原子大小的奈米粒子。 36 測量奈米顆粒的工具-Ⅲ 常用的電子顯微鏡主要有穿透 式（TEM）和掃描式（SEM）兩 種型式： (一)穿透式電子顯微鏡（TEM）利 用電子束「穿透」樣品，可觀察 材料內部的顯微結構。 圖片來源：揭開抗菌、防腐的 神奇面紗─奈米銀（2007）p2 37 圖片來源：奈米科技與光觸媒(2003),p150 測量奈米顆粒的工具-Ⅳ (二)掃描式電子顯微鏡 （SEM），利用電子撞 擊樣品表面所激發產生 的二次電子，觀測材料 表面的立體顯微結構。 圖片來源：揭開抗菌、 防腐的神奇面紗─奈米 銀（2007）p2 38 圖片來源：奈米科技與光觸媒 (2003),p152 奈米量測儀器的發展 39 由於穿透式（TEM）和掃描式（SEM）掃描 儀器昂貴，樣品準備繁複。 近幾年來發展掃瞄式探針顯微鏡（SPM）、 原子力顯微鏡及沉降式粒徑分析儀等量測儀 器，可提升檢測奈米材料的便利性，增進解 析度。 下一頁 掃描式探針顯微鏡（SPM） 此儀器利用一根極細的金屬探針掃描導電材料。由於樣品 表面高低不平會引起穿隧電流隨之改變。經數據處理轉換 為圖像，即可測得物體表面一顆顆原子的樣貌。 圖片來源：奈米科技與光觸媒 (2003),p155 40 原子力顯微鏡 此儀器利用微小探針與樣品表面原子之間所產生微弱的排 斥力與吸引力，造成連接探針的懸臂彎曲。紀錄懸臂所反 射的雷射光，經電腦計算作用力大小，即可呈現樣品表面 原子級的三維圖像。 圖片來源：奈米科技與光觸媒 (2003),p156 41 下一頁 沉降式粒徑分析儀 42 物體經多研磨處理成奈米大小的粉體時，常 存於在「分散液」中。此儀器即利用奈米粒 子在液體中沉降時，因沉降速度會越來越慢， 最後等速（終端速度）沉降。 此終端速度與粉體粒徑大小有關，利用可見 光或X光量測此速度即可計算粉體粒徑大小。 下一頁 奈米科技教育的重要性-Ⅰ 43 1986年諾貝爾物理獎得主羅 雷爾(Heinrich Rohrer)所言： 「七十年代重視微米技術的 國家，如今都已成為發達國 家。今天重視奈米技術的國 家，將很可能成為二十一世 紀的先進國家。」 下一頁 奈米科技教育的重要性-Ⅱ 事實上，奈米科技產品已經漸漸出現在我們的 生活周遭。人們若缺乏奈米科技的相關知識， 不僅無法判斷標榜奈米科技商品的真實性，可 能也無法善用這些產品，發揮其最大成效。 奈米布料 44 下一頁 奈米科技教育的重要性-Ⅲ 45 甚至，現代公民也應瞭解發展奈米科技可能 產生的危機，對未來的科技發展做出明智的 決策。 提供一般民眾認識奈米科技的原理與應用， 以期提升公民在奈米科技的素養。 下一頁