Transcript 6.奈米科技概論1
奈米科技的基本定義 授課教師:劉佳宜 想一想 什麼是”奈米”? 奈米,蓬萊米何者大? 奈米在哪裡? 生活中何處運用奈米科技? 和尚撐傘-----猜一句成語 什麼是”奈米（nano）”? Nano 在希臘文是侏儒的意思，隱含極小之意， 奈米實際上是一個度量單位nanometer (nm)的譯名 十億分之一公尺(1 nm = 10-9m)，也就是百萬分之一公釐 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 一奈米 (One Nanometer) H H O H N H N O O 一奈米 (One Nanometer) DNA 一奈米 (One Nanometer) Carbon Nanotube 奈米有多大? 0.1nm 1nm 100nm 1μm 10μm 100μm 1mm 1cm 0.1m 1m 10m 奈米有多大? Flash 米(m) 人高 毫米 100µm 10µm 微米 100nm 10nm 奈米 (mm) 1µm nm 埃 0.1nm 細沙 微生物 細胞 血球 細菌 病毒 高分子 糖分子 氫原子 頭髮 50-100μm 最早提出微小世界的科學探討與技術問題 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): “在微小世界仍有廣大空間” -- There’s plenty of room at the bottom. 北宋周敦頤之作品愛蓮說 蓮花出淤泥而不染 Why? 蓮葉的表面具有大小約5~15微米細微突起的表皮細胞(epidermal cell)， 表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約1奈米的蠟質結晶(wax crystal)。 水珠與葉面接觸的面積大約只佔總面積的2~3%，若將葉面傾斜 ，則滾動的水珠會吸附起葉面上的污泥顆粒，一同滾出葉面 ，達到清潔的效果 蠟質結晶本身的化學結構具有疏水性，所以當水與這類表面接觸時， 會因表面張力而形成水珠，再加上葉表的細微結構之助，使水與葉面 的接觸面積更小而接觸角變大，因此加強了疏水性，同時也降低污染 顆粒對葉面的附著力。 蓮葉上複雜的奈米與微米級結構除了有自潔的功能外，還可以防止受到 細菌、病源體的感染，只要經過一場大雨的洗禮，就能恢復煥然一新。 蓮花效應 1.蓮花效應主要是指蓮葉表面具有超疏水(superhydrophobicity)以及 自潔(self-cleaning)的特性。 2.由於蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的雨水會因表面張力的 作用形成水珠，換言之，水與葉面的接觸角(contact angle)會大於140度， 只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。 3.1997年，德國波昂大學的植物學家Wilhelm Barthlott針對這個特殊現象 進行了一系列的實驗，發現了上述蓮花的疏水性與自我潔淨的關係，因 此創造了「蓮花效應」(Lotus effect)一詞，同時也擁有這個商標的專利權。 蓮花效應 沒有奈米結構 without lotus effect 有奈米結構 with lotus effect http://www.basf.de; http://www.pcimag.com 自然界中的奈米 水黽水上飄 水黽足部末端具有奈米顆粒組織，而這種奈米顆粒組織可以形成防水結 。 構讓水黽可以在水面上行走自如 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。 愛乾淨的海豚 海豚出水 海豚自潔效果 愛清潔的蜻蜓 蜻蜓自潔羽翼 蜻蜓 保持乾燥的鴨子 鴨子羽毛防水效果 奈米 相同的成份、不同大小奈米顆粒 顯現不同的色彩 自然界的奈米現象 翅膀顏色:藍色:具光子晶體結構 暗棕色：沒有光子晶體結構，但於陽光照射下，翅膀溫度提 高，蝴蝶溫度提高，可於高緯度生存（天擇結果） 自然界的奈米現象 自然界的奈米現象 自然界中的奈米 蜜蜂自動導航系統 蜜蜂體內因存在磁性的「奈米」粒子而具有羅盤導航的作用， 可以為蜜蜂飛行時的的活動導航，讓蜜蜂外出工作時不會迷失方向。 裝著方向記憶雷達的 -- 採蜜蜂 奈米磁鐵顆粒 永遠記得回家的路 – 海龜 可以摸黑走路回家的 -- 蝦子(龍蝦) 自然界的奈米現象 Why? 足底有 650萬根細毛 (tiny hairs) 每根細毛分成數百根的 tips (直徑~200nm) 一根細毛可支撐 20mg 重量，一百萬根可舉起 20公斤重量 (利用 Stanford 大學的 microscopic force sensor 測量) 利用分子間彼此吸引的凡得瓦爾力與各種物體表面黏著，每平方英寸可 支撐 200 磅的重量 團結力量大 蜘蛛人 自然界中的奈米 蝴蝶翅膀的鱗片 鴨子羽毛防水 海豚自潔效果 蜻蜓自潔羽翼 生物磁性（海龜遷徙） 奈米科技 奈米科技應用 奈米科技 奈米科技實際上並無統一的定義，以一般說法是指由於物 質在奈米尺寸下，會呈現有別於巨觀尺度下的物理、化學 或生物特性、現象。 奈米科技便是運用這方面的知識，在奈米尺寸等級的微小 世界中操作、控制原子或分子組合成新的奈米尺度結構 ﹝奈米材料﹞，以便展現新的機能與特性。 奈米科技的最終目標是依照需求，透過控制原子、分子在 奈米尺度上表現出來的嶄新特性，加以組合並製造出具有 特定功能的產品。 工研院對奈米科技的定義 「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。 奈米科技 奈米科技簡介Flash 軍事科技 隱形戰機表面的吸收微波匿蹤材料 高性能且多功能的奈米材質軍服 0.1～10公斤的奈米衛星 可攜帶各種測量儀器的奈米偵察機 比螞蟻小卻破壞力驚人的軍用奈米機器人 形如小草或砂粒的超微型電子偵測儀器做成的軍用奈 米感測器 隨風飄浮在空氣中而散布到敵方上空的奈米探測器 幾個分子大小的奈米炸彈 奈米基因武器等。 民生應用 具有良好防紫外線功能的防曬油和化妝品 具有持久防電磁輻射功能、防靜電現象、可保暖同時具有抑菌與 殺菌功能、完全防水防油污等功能的超級衣料； 低熔點、易施工、穩定耐用的奈米防鏽塗料； 由新型感應器組成的監視系統； 具有自淨功能的玻璃、陶瓷和磁磚； 利用微型機器人清潔維修建築物本體或家電用品內部電路，或夜 間巡邏商店等。 由數萬億個奈米機器人所組成的隱形生產線，可協力完成汽車組 裝、環境清污、清理居家環境等。 奈米膠帶 (無黏結劑，不沾粘且可長期使用) 光電技術 全新的奈米電子學 單電子電晶體 單電子儲存器 單電子開關 奈米晶片， 製成奈米電腦。 醫學醫藥 植入物將採用高性能且能自我修復的生物相容性漸變 材料； 醫用微型機器人可進入人體進行微型手術、清除血管 壁上的脂肪、直接攻擊癌症或腫瘤細胞等， 更可在人體內長期駐守進行診療任務、監控體內生化 狀況，利用血糖和血氧作為能量來源等。 農業科技＆航太科技 農業科技：在農田上空與地上大量散布微型機器人， 用來監控水文而自動控制灌溉系統、直接咬死蟲害、 除草施肥等。 航太科技： 1.質輕、高強度、熱穩定的新型航太奈米材料 2.添加奈米顆粒增加火箭燃料的燃燒效率 3.利用微型機器人檢查修復太空船遮熱罩、幫飛機機翼 除冰，或部屬在星球上，進入人類無法到達的區域 觀察環境等。 能源科技 1.利用奈米碳管貯存氫氣做成高效能燃料電池； 2.高效能低成本的新型太陽能電池； 3.更節約能量的照明技術； 4.更堅固質輕且輸送效率高的新型能源輸送裝置； 5.以及各種電能與化學能的高效率新型能源貯存裝置等。 其他奈米微小量測技術 1.能高靈敏量測的氣體或溫濕度或氣壓的奈米感測器 2.能探測分子等級的化學反應聲響的奈米麥克風 3.氣味偵測有效半徑達100公尺的奈米嗅覺探測器 4.能秤一個病毒重量的奈米秤等。 全球已問世的奈米產品範例 奈米科技的發展趨勢 ●在布料上塗上一層具奈米孔洞特性的奈米塗料，不僅防水，而且排 汗。 ●將含有奈米級遠紅外線分子的材料與化纖織成布料，既輕便又保暖。 ●塑膠加上奈米高分子黏土，搖身一變就成為防火建材及防火電器外 殼。 ●橡膠混入奈米微粒，可以讓輪胎加倍耐用，如果加入奈米螢光染料， 輪胎在晚上還會像「風火輪」似地發亮。 ●外表塗上奈米釉料燒製的衛浴設備，只要水一沖自然清潔溜溜，又 能抑制細菌生長。 ●房屋外牆塗上添加奈米級微粒的油漆後，就能夠讓外牆如荷葉般， 只要下雨就能將灰塵沖走。