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什麼是奈米

熱度 2已有 504 次閱讀2011-9-8 01:33 |

奈米 (是英文nanometer (nm)的音譯),字首nano在希臘文中的原意是「侏儒」的意思,指1公尺的十億分之一(10^-9m)。
1,000,000,000奈米=1公尺(m)
1,000,000奈米=1公釐(mm)
1,000奈米=1微米(µm)
奈米科技(英文:Nanotechnology)是一門應用科學,其目的在於研究於奈米尺寸時,物質和設備的設計方法、組成、特性以及應用。
奈米科技是許多如生物、物理、化學…等科學領域在技術上的次級分類,美國的國家奈米科技啟動計劃(National Nanotechnology Initiative)將其定義為「1至100奈米尺寸間的物體,其中能有重大應用的獨特現象的了解與操縱。」
奈米科技是尖端科技,卻早就存在身旁。舉例來說,就是蓮花表面的出污泥而不染的特性。
蓮花表面的細緻結構和粗糙度大小都在奈米尺度的範圍內,所以不易吸附污泥灰塵。
蓮花的出污泥而不染是自然天成,這比人類的任何清潔技術還高明。
這種蓮花表面奈米化結構,自我清潔的物理現象,就被稱作蓮花效應(lotus effect)。
奈米科技是學習奈米尺度下的現象以及物質的掌控,尤其是現存科技在奈米時的延伸。
奈米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點和高分子集合,並且被表面效應所掌控,如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應等,而慣性和湍流等巨觀效應則小得可以被忽略掉。
舉個例子,當表面積對體積的比例劇烈地增大時,開起了如催化學等以表面為主的科學新的可能性。
微小性的持續探究以使得新的工具誕生,如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。
結合如電子束微影之類的精確程序,這些設備將使我們可以精密地運作並生成奈米結構。
奈米材質,不論是由上至下製成將塊材縮至奈米尺度,主要方法是從塊材開始通過切割、蝕刻、研磨等辦法得到盡可能小的形狀。
比如超精度加工,難度在於得到的微小結構必須精確。
或由下至上製成由一顆顆原子或分子來組成較大的結構,主要辦法有化學合成,自組裝(self assembly)和定點組裝(positional assembly)。
難度在於宏觀上要達到高效穩定的質量,都不只是進一步的微小化而已。
物體內電子的能量量子化也開始對材質的性質有影響,稱為量子尺度效應,描述物質內電子在尺度劇減後的物理性質。
這一效應不是因為尺度由巨觀變成微觀而產生的,但它確實在奈米尺度時佔了很重要的地位。
物質在奈米尺度時,會和它們在巨觀時有很大的不同。
例如:
不透明的物質會變成透明的(銅)、惰性的物質變成可以當催化劑(白金)、穩定的物質變得易燃(鋁)、固體在室溫下變成了液體(金)、絕緣體變成了導體(矽)。
奈米科技的神奇來自於其在奈米尺度下所擁有的量子和表面現象,並因此可能可以有許多重要的應用和製造許多有趣的材質。
特性描述
碳分子的奈米結構隨著尺寸的減小,一系列的物理現象顯現出來。這其中包括統計力學效應和量子力學效應。並且,同宏觀系統相比,許多物理性質會改變。一個典型的例子是材料的表面體積比。
奈米技術可以視作在傳統學科上對這些性質詳盡描述的發展。
進一步講,傳統的學科可以被從新理解為奈米技術的具體應用。
這種想法和概念上的互動對這個領域的發展起到了推動作用。廣義上講,奈米技術是科學和技術在理解和製造新材料新器械方向上的推演和應用。
這些新材料和技術大體上就是物理性質在微尺度上的應用。和這些系統的定性研究相關的領域是物理、化學和生物,以及機械工程和電子工程。
但是,由於奈米科技的多學科和學科交叉的特性,物理化學、材料科學和生物醫學工程的學科也被視作奈米技術重要和不可缺少的組成部分。
奈米工程師們住眼觀新材料的設計,合成,定性描述和應用。
例如在分子結構上的聚合物製造,在表面科學基礎上的電腦晶片分佈設計,都是奈米科技在當代的應用例子。
在奈米科技中,膠狀懸浮也有很重要的地位。
材料在奈米尺度下會突然顯現出與它們在宏觀情況下很不相同的特性,這樣可以使一些獨特的應用成為可能。
例如:
不透明的物質變為透明(銅);惰性材料變成催化劑(鉑);穩定的材料變得易燃(鋁);在室溫下的固體變成液體(金);絕緣體變成導體(矽)。
物質在奈米尺度的獨特量子和表面現象造就了奈米科技的許多分支。
工具與技術:
當代電子和中子的發現讓人類知道還有比我們能想象到的最小的東西還要小的物質時,對奈米世界的好奇心已經萌發。
當然,十九世紀10年代,可以研究奈米結構的早期工具的發展才真的使奈米科學和奈米技術成為可能。
原子力顯微鏡(AFM)和掃描隧道顯微鏡(STM)的這兩種早期的掃描探針促成了奈米時代的到來。
同時,基於STM的許多其它類型的掃描探針顯微鏡,使得觀測奈米結構成為可能。
探針的探頭可以用來操縱奈米結構(這種工藝叫做位置組裝)。
但是這種過程太慢了,從而到導致了各種奈米光刻技術的發展,例如蘸筆奈米光刻術,電子束曝光和奈米壓印術。
光刻是自上的下的製作技術,用來把大塊物體縮小到奈米尺寸。
相對的,自下而上的技術直接用原子或分子搭建更大的結構。這些技術包括化學合成,自組裝和位置組裝。
相關應用:
綜上所述,奈米科技實際上涵蓋了一切在奈米範圍的物理、化學的技術和工藝,說它包羅萬象也不算過分。
不過現在坊間多在炒作概念,很多都局限於實驗室的理論階段,比較現實的是機械方面的潤滑劑,化工方面的催化劑,還有醫學方面的定點超效藥劑。
應用技術:
一、奈米結晶材料(nanocrystalline materials):
當物質的微結構微小化時,表面原子與內部材料原子的個數比例顯著上升,界面之原子行為對物質性質便有決定性影響。
例如奈米金屬結晶顆粒,展現出較佳之強度、硬度、磁特性、表面催化性等;而具奈米結晶之陶瓷材料相較於一般陶瓷材料,則具較高之延展性、較不易脆裂之特性。
奈米結晶金屬由於其強度之增加,相當大之應用機會在於汽車業、航太業、建築業等之結構材料,例如Toyota汽車已使用新型奈米結晶鋼材於其汽車產品上;這方面之應用,奈米複合材料是另一競爭者,但於某些用途上,如汽車引擎,奈米結晶金屬材料仍保有其優越性。
奈米結晶材料薄膜可提高表面之硬度、降低磨擦、提高耐熱性、耐化學腐蝕性等,可應用於汽車、航空業等之機械系統。
在生物醫學方面,奈米結晶銀有抗菌作用,而奈米結晶鈦則可應用於人工關節。
二、奈米粉體(nanoparticles):
奈米粉體是奈米材料中種類最繁多且應用最廣泛之一類。最常見的陶瓷奈米粉體(ceramic nanoparticles)
可再分為二類:
A.金屬氧化物如TiO2, ZnO等
B.矽酸鹽類,通常為奈米尺度之黏土薄片。

奈米粉體的製程,包括固相機械研磨法、液相沉澱法、溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法等,不同之方法各有其優缺點及適用範圍。此外,奈米粉體之表面覆膜與修飾,亦常是對粉體後段應用必要的處理步驟。如高濃度CO淨化觸媒-Au/TiO2,即將~10nm的金均勻分佈在TiO2載體上,以發揮其淨化功能,其中TiO2載體為溶膠-凝膠法製得之奈米孔隙材料,以具備奈米尺寸空間容納金奈米顆粒。
(一)複合材料:
奈米粉體最大之應用之一,在於奈米高分子複合材料之開發。
由於無機分散相表面積與高分子間之作用力,使複合材料之剛性大幅提升,透氣性、熱膨脹性下降,耐化學腐蝕,及保有透明性等之優點,可廣泛應用於一般民生工業,如家電器材、汽車零組件、輸送導管等耐磨結構材料上;在包裝材料上之應用,如保鮮膜、飲料瓶,則可利用其耐熱性、高阻氣性及透明等優點。Caly/Nylon之複合材料,由於分散均勻,只要添加3~4%,即可將Nylon之熔點從70℃提升至150℃,且加工性非常良好。
(二)塗佈:
奈米粉體塗佈具增強表面硬度、抗磨、透明等特性,已應用於建材及太陽眼鏡鏡片上,Kodak正發展以奈米粉體塗佈製造防刮之x-ray底片。此外,亦有利用奈米粉體塗佈光學、耐腐蝕、絕熱特性之應用開發。磁性奈米粉體塗佈則可應用於資料儲存方面
(三)醫學與藥物:
經表面修飾之奈米粉體可應用於藥物輸送、奈米銀微粒具有抗菌功效、氧化鋅則具殺黴作用。TiO2與ZnO對UV吸收有相當好之功效,可應用於防曬油等美容產品。
(四)其他:
奈米粉體之高表面積,可利用工業上之催化反應;用於燃料電池上,可增加其反應速率,提高效能。
此外,奈米顏料的開發、使用金屬奈米粉體印製電子電路、及磁性奈米粉體於半導體與醫學核磁共振影像上之使用,均為奈米粉體之應用機會。
三、奈米孔隙材料(nanoporous materials):
此類材料指孔隙尺寸小於100 nm之多孔隙材料,包括自然界中早已存在之生物膜與沸石,其高表面積(通常高達~102m2/g),使之具高催化及吸附效應。奈米孔隙材料可由溶膠-凝膠法、微影蝕刻、離子束等方法製得;奈米孔隙薄膜經鍍膜處理,可得奈米細管結構。
圖三外觀為一束以含Al之矽氧化物載體,內含數十根中空管徑,其pore size約3nm,可用來製作超高強力PE聚合物(如圖中絲狀物)。
奈米孔隙材料可用開發改良催化劑,應用於石化工業等。利用孔隙結構,在薄膜過濾系統純化/分離、藥物輸送植入裝置、及基因定序、醫學檢測等,奈米孔隙材料均有相當大之應用潛能。
氣膠為質輕之良好絕熱材料;奈米孔隙薄膜可作為半導體業中之低介電材料;奈米多孔矽特殊的發光性質,可作為固態雷射之材料;奈米多孔碳則具高電容特性,可應用於如手提電腦、行動電話,乃至電動車等電池之開發。
四、奈米纖維與奈米纜線(nanofibers, nanowires):
奈米纖維在此指相對較短之纖維,包括碳纖絲(carbon fibrils)、人造高分子纖維、及氧化鋁纖維等;電紡(electrospinning)是製造人造高分子奈米纖維之方法,可結合奈米微粒或奈米管等材料於纖維中。工研院化學工業研究所正開發之電紡奈米纖維,其尺度約為人髮的1/100。
奈米纜線則傾向為無機材質,包括金屬、半導體(如矽、鍺)、及一些有機高分子,主要應用於電子工程。
其製造主要有三個方式:
(一)微影蝕刻或拓印。
(二)化學成長。
(三)自組裝成長。
奈米纜線之電子傳遞行為並不遵循古典電學,例如其電阻為一定值並不隨長度改變;應用於建構複雜之電路系統時,須挑戰之困難點在於纜線間之連結性。
奈米纖維可用於複合材料與表面塗佈,達補強作用。Hyperion Catalysis International正開發利用奈米碳纖絲,製造導電塑膠及薄膜,可應用在汽車之[靜電塗料]]或電器設備之靜電消除;與傳統導電塑膠材料比較,達同樣導電效果所須添加之碳纖絲量較低,且材料表面亦較平滑。
電紡奈米纖維具強度提升與高表面積等特性,適合作為奈米粉體於催化應用上之反應床。奈米纖維可製成抗化學品、防水透氣、防污等特殊性能布料,在紡織服裝業上有廣大的市場;(Nano-Tex公司)已有開發之商業化產品問世。
奈米纖維可用為過濾材料及醫學組織工程之支架材料;在藥物輸送之媒介、感測器、奈米電機等領域,亦具應用潛力;此外,利用其高表面積,可用以開發可撓式光伏特膜片,並進一步製成可穿戴之太陽能電池。
奈米纜線於化學與生物感測器上之應用,可預期近期商業化產品之出現;其他奈米纜線的應用,包括於氣體分離與微分析、可攜式電源供應器之催化劑、陶瓷微機電系統、幅射線偵測器、發光二極體、雷射、可調式微波裝置等。
由於纜線間連結性之挑戰,目前奈米纜線於奈米電子工程之應用,仍處實驗室研發階段,商業化為長期化之目標。
五、奈米碳管(carbon nanotubes):
奈米碳管(carbon nanotube,CNT)是在1991年由(日本NEC公司) Sumio Iijima,在以穿透式電子顯微鏡觀察碳的團簇(cluster)時意外發現,為石墨平面捲曲而成之管狀材料。
有單層(single-walled)與多重層(multi-walled)兩種結構。奈米碳管的製程方式包括電弧放電、雷射蒸發/剝離、化學氣相沉積法、氣相成長、電解及火焰生成法等。
奈米碳管具許多特殊性質,如高張力強度(tensile strength ~100Gpa)、優良之熱導性、及室溫超導性,其導電性則隨不同的捲曲方式而變,可為奈米導線或是奈米半導體;研究並顯示奈米碳管可吸附氫氣,惟其機制與吸附效能目前仍無定論。
奈米碳管由於其許多特殊的性質,為目前最熱門的材料之一,其應用可略分為幾類:
(一)結構材料:
由於奈米碳管之優異強度,高強度-重量比(strength-to-weight ratio)之新型複合材料之開發,可應用於汽車、航太、建築業等,在此方面的關鍵點為成本考量與均勻品質奈米碳管之量產技術。
奈米碳管可用以製造導電塑膠及高效率幅射屏蔽複材,在紡織工業方面,亦具應用潛力。
此外,若可克服技術及成本問題,製成奈米碳管電纜,可兼具奈米碳管於結構強度與導電性之優點,將為能源運輸之一大突破。
(二)電子工程:
奈米碳管在量子效應下展現之電學性質,製成電子工程中之邏輯元件與記憶體,預期可巨幅提升電腦之速度與資料儲存密度,目前最大的礙障在於成本價格太高及奈米碳管連結技術上之困難。
Nantero公司已宣稱將於3-5年內推出基於奈米碳管之 1 terabyte NRAM(non-volatile RAM)。
此外,奈米碳管之高導熱性,可以應用在奈米電路中高熱量之散佈。
(三)燃料電池:
奈米碳管具吸附氫氣與碳氫化合物之功能,可以應用在航太與汽車工業上燃料電池的氫氣儲存槽。
(四)其他:
奈米碳管具彈性且細長的優點,可作為原子力顯微鏡(AFM)或掃描隧道顯微鏡(STM)之探針,大幅提高解析度。
碳米碳管的其他潛在應用,包括太陽能電池效能之提升、感測器之開發,及吸收式電磁遮蔽應用。
 
 
 
 
 
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發表評論 評論 (1 個評論)

回覆 霄笑 2011-9-8 07:13
阿奈米不就奈奈粗斗米喔   哇乃亂欸  

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