纳米科技及其相关应用

1、纳米科技及其相关应用摘要：纳米科技（英文：Nanotechnology）是一门应用科学，其目的在于研究于纳米规模时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类，美国的国家纳米科技启动计划（National Nanotechnology Initiative）将其定义为“1至100纳米尺寸尤其是现存科技在纳米规模时的延伸”。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合，并且被表面效应所掌控，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等巨观效应则小得可以被忽略掉。举个例子，当表面积对

2、体积的比例剧烈地增大时，开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。关键词：纳米科技，纳米科技应用，纳米科技前景纳米科技历史：1959年12月29日物理学家理查德费曼在加州理工学院出席美国物理学会年会，作出著名的演讲在底部还有很大空间，提出一些纳米技术的概念，虽然在当时仍未有“纳米技术”这个名词。他以“由下而上的方法”（bottom up）出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言，“

3、当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”这被视为是纳米技术概念的灵感来源。图1 由NASA电脑摸拟的分子齿轮1962年，日本东京大学的久保亮五教授提出了量子限制理论，用来解释金属纳米粒子的能阶不连续，这是很重要的里程碑，使得人们对纳米粒子的电子结构、型态和性质有了进一步的了解。而纳米科技一词的定义是东京理科大学的谷口纪男教授在1974年提出123。1981年，扫描隧道显微镜（STM）的发明被广泛视为纳米元年。1980年代，IBM的安贝旭等人做出多晶体的金环，金环直径小于400纳米，线宽在数十纳米左右。当外加磁场时，金环产生震荡电阻，这种现象称作磁阻效应，而这种效应

4、明显和环的小尺寸有关，主要是金环内的电子受到金环纳米尺寸的干扰，而在环内两侧震荡。一般块状金是电的良导体，电阻值很小，不受磁场的影响。但上述纳米金环的结果显示，当金粒子小到纳米尺度时，其物理性质与大尺寸时不同，这个现象可以用来制作新的纳米电子元件。1984年德国葛莱特等人利用惰性气体蒸发凝结法，制得铁、铜、铅及二氧化钛的纳米粒子。其中，二氧化钛的纳米颗粒具有良好的延展性，可以改善陶瓷材料的脆性。1982年瑞士IBM公司的科学家格尔德宾宁（Gerd K. Binnig）及亨利希罗勒（Heinrich Rohrer），开发出扫描隧道显微镜，它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体

5、表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，依此来观测物体表面的形貌。四年后，也就是1986年，这两位科学家和发明穿透式电子显微镜的厄恩斯特鲁什卡共享诺贝尔物理奖。到了1985年，史马利、柯尔和柯洛托在石墨上利用雷射激光，让它蒸发而成碳黑，纯化后得到的碳簇置于质谱仪中分析，发现两种不明物质，质量分别是碳的60倍与70倍，因此这两种不明物质被称作C60与C70。 C60的形状像一颗足球，有20个六边形及12个五边形的面，共32面的封闭球体。事实上，科学家在太空收集宇宙尘埃时，早就发现C60、C70等物质。所以上述三位科学家是最早在地球上制造C60及C70的人，他们也共同获得了1

6、996年的诺贝尔奖。1985年，斯坦福大学的奎特教授以及IBM的格尔德宾宁（Gerd K. Binnig）及亨利希罗勒（Heinrich Rohrer）共同发明了原子力显微镜。它也是利用一根探针来扫描物体的表面，当探针靠近待测物体时，探针与物体之间产生作用力，这作用力可以是吸引力或排斥力，并可借此分析物体表面的形貌。最重要的是，这种仪器可观察的物体不仅是半导体或金属，也可以是绝缘体。现在很多生物样品的观察，已经大量使用这种设备。图2 富勒烯（富勒烯家族的成员是纳米科技的主要研究项目）1988年，拜必序的研究团队开发出铁铬（Fe/Cr）纳米多层膜，在低温下改变磁场，电阻会随着产生急遽的改变。相对

7、来说，一般磁性金属（或合金）的电阻是不容易随磁场的改变而变化的。到目前为止，已经发现铁铜（Fe/Cu）、铁银（Fe/Ag）、铁铝（Fe/Al）、铁金（Fe/Au）、钴铜（Co/Cu）、钴银（Co/Ag）、钴金（Co/Au）等纳米多层膜都具有这种效应。1990年，美国IBM公司的艾格勒利用这种仪器，把35个氙原子（xenon），化学符号是（Xe）排成IBM三个字母。这是人类历史上首次操纵原子，用原子或分子制造机器，也不再是梦想。图3 由原子排成的IBM三个字母1991年，克雷需莫和霍夫曼发展出一次可以做出数公克重C60的方法。现在，科学家也尝试利用C60的性质制成各种药物。1996年霍伊儿也合成

8、出二氧化钛（TiO2）纳米管。二氧化钛本身是一个极佳的光触媒材料，广泛应用在医疗保健，例如消灭细菌或是杀死病毒。开发出纳米管状的二氧化钛，应用范围也会更多样化。目前，科学家已尝试把二氧化钛纳米粒子或纳米管应用在光敏化有机太阳电池上，做为光电转换材料，现在已经可以达到实用水平。2001年在日本筑波举行的“纳米碳管发现十周年”研讨会中，韩国三星公司展示用纳米碳管做成的场发射全彩色电视屏幕。这个电视的屏幕是由多层壁纳米碳管的前端，产生场发射电子做为电子源，而应用在平面显示器上。至于医疗用小型X光产生装置的电子源，也可以应用纳米碳管。纳米科技已被视为新一波产业革命的源头技术，欧美日本等国家的政府部门，

9、近年来均编列大幅预算，推动国家级纳米基础科学、工程技术之研发；学术界及产业界亦相继投注大量人力资金于这场纳米科技的全球竞赛中，希冀于专利与产品开发上抢得先机。美国，在1993年成立第一个纳米技术研究机构，2000年七月，美国政府向国会提出国家型纳米科技推动与落实计划书。20002001年，各国相继针对该国产业现况，纷纷提出纳米科技发展计划。日本成立“纳米材料研究所”（Tsukuba）、欧盟成立“纳米电子技术联盟”（IMEC）、德国成立六个纳米技术卓越群、中国（北京）成立纳米国家科研中心，台湾工业技术研究院亦于2002年一月，成立纳米科技研发中心。全球有30余国规划及投入纳米领域研发，投入范围包

10、括物理、生技及电子等前瞻领域研究，及纳米新材料的制造与特性开发。产业界也透过新建立的纳米材料特性及关键技术，开发新产品及改善产品性能，来提升竞争力。目前为止，纳米科技尚处于一个国际间相互既交流又有点竞争的萌芽阶段。应用技术一、纳米结晶材料（nanocrystalline materials）当物质的微结构微小化时，表面原子与内部材料原子的个数比例显著上升，界面之原子行为对物质性质便有决定性影响。例如纳米金属结晶颗粒，展现出较佳之强度、硬度、磁特性、表面催化性等；而具纳米结晶之陶瓷材料相较于一般陶瓷材料，则具较高之延展性、较不易脆裂之特性。纳米结晶金属由于其强度之增加，相当大之应用机会在于汽车业

11、、航太业、建筑业等之结构材料，例如Toyota汽车已使用新型纳米结晶钢材于其汽车产品上；这方面之应用，纳米复合材料是另一竞争者，但于某些用途上，如汽车引擎，纳米结晶金属材料仍保有其优越性。纳米结晶材料薄膜可提高表面之硬度、降低磨擦、提高耐热性、耐化学腐蚀性等，可应用于汽车、航空业等之机械系统。在生物医学方面，纳米结晶银有抗菌作用，而纳米结晶钛则可应用于人工关节。二、纳米粉体（nanoparticles）:纳米粉体是纳米材料中种类最繁多且应用最广泛之一类。最常见的陶瓷纳米粉体（ceramic nanoparticles）可再分为二类：（一）金属氧化物如TiO2, ZnO等（二）硅酸盐类，通常为纳

12、米尺度之黏土薄片。纳米粉体的制程，包括固相机械研磨法、液相沉淀法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法等，不同之方法各有其优缺点及适用范围。此外，纳米粉体之表面覆膜与修饰，亦常是对粉体后段应用必要的处理步骤。如高浓度CO净化触媒Au/TiO2，即将10nm的金均匀分布在TiO2载体上，以发挥其净化功能，其中TiO2载体为溶胶凝胶法制得之纳米孔隙材料，以具备纳米尺寸空间容纳金纳米颗粒。（一）复合材料：纳米粉体最大之应用之一，在于纳米高分子复合材料之开发。由于无机分散相表面积与高分子间之作用力，使复合材料之刚性大幅提升，透气性、热膨胀性下降，耐化学腐蚀，及保有透明性等之优点，可广泛应用于一般民生工业，如家电

13、器材、汽车零组件、输送导管等耐磨结构材料上；在包装材料上之应用，如保鲜膜、饮料瓶，则可利用其耐热性、高阻气性及透明等优点。Caly/Nylon之复合材料，由于分散均匀，只要添加34，即可将Nylon之熔点从70提升至150，且加工性非常良好。（二）涂布：纳米粉体涂布具增强表面硬度、抗磨、透明等特性，已应用于建材及太阳眼镜镜片上，Kodak正发展以纳米粉体涂布制造防刮之x-ray底片。此外，亦有利用纳米粉体涂布光学、耐腐蚀、绝热特性之应用开发。磁性纳米粉体涂布则可应用于资料储存方面。（三）医学与药物：经表面修饰之纳米粉体可应用于药物输送、纳米银微粒具有抗菌功效、氧化锌则具杀霉作用。TiO2与Zn

14、O对UV吸收有相当好之功效，可应用于防晒油等美容产品。（四）其他：纳米粉体之高表面积，可利用工业上之催化反应；用于燃料电池上，可增加其反应速率，提高效能。此外，纳米颜料的开发、使用金属纳米粉体印制电子电路、及磁性纳米粉体于半导体与医学核磁共振影像上之使用，均为纳米粉体之应用机会。三、纳米孔隙材料（nanoporous materials）此类材料指孔隙尺寸小于100纳米之多孔隙材料，包括自然界中早已存在之生物膜与沸石，其高表面积（通常高达102m2/g），使之具高催化及吸附效应。纳米孔隙材料可由溶胶凝胶法、微影蚀刻、离子束等方法制得；纳米孔隙薄膜经镀膜处理，可得纳米细管结构。纳米孔隙材料可用开

15、发改良催化剂，应用于石化工业等。图4 MOF-200材料的晶体结构利用孔隙结构，在薄膜过滤系统纯化分离、药物输送植入装置、及基因定序、医学检测等，纳米孔隙材料均有相当大之应用潜能。气胶为质轻之良好绝热材料；纳米孔隙薄膜可作为半导体业中之低介电材料；纳米多孔硅特殊的发光性质，可作为固态雷射之材料；纳米多孔碳则具高电容特性，可应用于如手提电脑、移动电话，乃至电动车等电池之开发。四、纳米纤维与纳米缆线（nanofibers, nanowires）纳米纤维在此指相对较短之纤维，包括碳纤丝（carbon fibrils）、人造高分子纤维、及氧化铝纤维等；电纺（electrospinning）是制造人造高

16、分子纳米纤维之方法，可结合纳米微粒或纳米管等材料于纤维中。工研院化学工业研究所正开发之电纺纳米纤维，其尺度约为人发的1/100。纳米缆线则倾向为无机材质，包括金属、半导体（如硅、锗）、及一些有机高分子，主要应用于电子工程。其制造主要有三个方式：（一）微影蚀刻或拓印。（二）化学成长。（三）自组装成长。纳米缆线之电子传递行为并不遵循古典电学，例如其电阻为一定值并不随长度改变；应用于建构复杂之电路系统时，须挑战之困难点在于缆线间之连结性。纳米纤维可用于复合材料与表面涂布，达补强作用。Hyperion Catalysis International正开发利用纳米碳纤丝，制造导电塑胶及薄膜，可应用在汽车

17、之静电涂料或电器设备之静电消除；与传统导电塑胶材料比较，达同样导电效果所须添加之碳纤丝量较低，且材料表面亦较平滑。电纺纳米纤维具强度提升与高表面积等特性，适合作为纳米粉体于催化应用上之反应床。纳米纤维可制成抗化学品、防水透气、防污等特殊性能布料，在纺织服装业上有广大的市场；Nano-Tex公司已有开发之商业化产品问世。纳米纤维可用为过滤材料及医学组织工程之支架材料；在药物输送之媒介、传感器、纳米电机等领域，亦具应用潜力；此外，利用其高表面积，可用以开发可挠式光伏特膜片，并进一步制成可穿戴之太阳能电池。纳米缆线于化学与生物传感器上之应用，可预期近期商业化产品之出现；其他纳米缆线的应用，包括于气体

18、分离与微分析、可携式电源供应器之催化剂、陶瓷微机电系统、幅射线侦测器、发光二极管、雷射、可调式微波装置等。由于缆线间连结性之挑战，目前纳米缆线于纳米电子工程之应用，仍处实验室研发阶段，商业化为长期化之目标。五、纳米碳管（carbon nanotubes）纳米碳管（carbon nanotube，CNT）是在1991年由日本NEC公司Sumio Iijima，在以穿透式电子显微镜观察碳的团簇（cluster）时意外发现，为石墨平面卷曲而成之管状材料，有单层（single-walled）与多重层（multi-walled）两种结构。纳米碳管的制程方式包括电弧放电、雷射蒸发剥离、化学气相沉积法、气相

19、成长、电解及火焰生成法等。纳米碳管具许多特殊性质，如高张力强度（tensile strength 100Gpa）、优良之热导性、及室温超导性，其导电性则随不同的卷曲方式而变，可为纳米导线或是纳米半导体；研究并显示纳米碳管可吸附氢气，惟其机制与吸附效能目前仍无定论。图5 单壁纳米碳管纳米碳管由于其许多特殊的性质，为目前最热门的材料之一，其应用可略分为几类：（一）结构材料：由于纳米碳管之优异强度，高强度重量比（strength-to-weight ratio）之新型复合材料之开发，可应用于汽车、航太、建筑业等，在此方面的关键点为成本考量与均匀品质纳米碳管之量产技术。纳米碳管可用以制造导电塑胶及高效

20、率幅射屏蔽复材，在纺织工业方面，亦具应用潜力。此外，若可克服技术及成本问题，制成纳米碳管电缆，可兼具纳米碳管于结构强度与导电性之优点，将为能源运输之一大突破。（二）电子工程：纳米碳管在量子效应下展现之电学性质，制成电子工程中之逻辑元件与内存，预期可巨幅提升电脑之速度与资料储存密度，目前最大的碍障在于成本价格太高及纳米碳管连结技术上之困难。Nantero公司已宣称将于3-5年内推出基于纳米碳管之1 terabyte NRAM（non-volatile RAM）。此外，纳米碳管之高导热性，可以应用在纳米电路中高热量之散布。（三）显示器：碳纳米管具有低的导通电场、高发射电流密度以及高稳定性，极适用于

21、场发射器。目前场发射显示器（field emission display，FED）技术最广受注目之开发为平面显示器，已有不少企业，如日本NEC、韩国三星公司，工研院电子工业研究所投入碳纳米管场发射显示器之研发，其具影像品质佳、体积薄小及省电等潜在优点，预期将超越其他FED技术及OLED（organic light-emitting diode），在未来平面显示器市场上占有一席之地。此外，碳纳米管阵列之场发射可应用于电子束微影蚀刻技术，可突破此技术于平行量产上之瓶颈。（四）燃料电池：纳米碳管具吸附氢气与碳氢化合物之功能，可以应用在航太与汽车工业上燃料电池的氢气储存槽。（五）其他：纳米碳管具弹性且

22、细长的优点，可作为原子力显微镜（AFM）或扫描隧道显微镜（STM）之探针，大幅提高分辨率。碳米碳管的其他潜在应用，包括太阳能电池效能之提升、传感器之开发，及吸收式电磁遮蔽应用。发展趋势高级纳米技术，有时被称为分子制造，用于描述分子尺度上的纳米工程系统（纳米机器）。无数例子证明，亿万年的进化能够产生复杂的、随机优化的生物机器。在纳米领域中，我们希望使用仿生学的方法找到制造纳米机器的捷径。然而，K Eric Drexler和其他研究者提出：高级纳米技术虽然最初会使用仿生学辅助手段，最终可能会建立在机械工程的原理上。在2005年8月，50名来自不同领域的国际专家被纳米技术责任中心组织起来研究分子纳米

23、技术的社会内涵2 。为了决定分子纳米科技的发展道路，Battelle Memorial Institute和Foresight Institute正在领导制定一个基础广泛的发展规划项目3 。预计2007年早些时候完成。设计和制造和自然细胞甚至器官相仿的人工组织是具有潜在可能的。1.欧盟的国际纳米科学研究政策欧洲为全球最早开始进行纳米科学研究的区域，但由于当时并没有欧盟加以居中协调与规划，因此在研究初期因为缺乏资金援助、相关管理上的支援，同时因为面临专利取得的问题，导致研究人员遭遇许多阻碍，西元2004年五月，欧盟议会（European Commission；EC）对欧洲地区与国际社会发表一系列

24、有关于纳米科技的专案计划，以宣示欧洲对于提高纳米科技竞争力的决心。欧盟将其计划分为五个主要区域：研究与发展（R&D）、基础建设（infrastructure）、教育与训练（education and training）、创新（innovation）以及社会层面（societal dimension）。根据预估，如欧盟计划能顺利推展，在西元2010年前将可望为欧洲创造上百亿欧元的经济营收。欧盟议会也强调提高社会大众对于纳米科技的认知，也同样属于整体纳米发展计划的一部分。另外，公众健康、安全、环保问题及消费者保护也同样被包含在此项议题之中。目前，纳米科学及纳米科技仍属于新兴的R&D领域，其所必须解

25、决与进行研究的对象都存在于原子与分子的阶层中。纳米科学在未来几年内的应用是众所瞩目，且必将对所有的科技产生重大影响。在未来，纳米科技的研发工作也将对人体保健、食物、环保研究、资讯科学、安全、新兴材料科学及能源储存等领域产生重大的改变。 西元20042006年欧盟所进行的第六期架构计划（FP6）中，纳米科技与新兴材料研发的经费约为欧元13亿，而欧盟议会也有意提高经费并延长研究时程（由西元20072013年）。同时为凝聚与加强所有欧盟会员国在纳米科学方面的研究，因此在规划上欧盟议会也有意召集民间与其他单位的专家凝聚共识，以强化整体欧盟在此方面研究领域的力量。2.创新接继中心在西元1995年由欧盟委员会成立“创新接继中心”（Innovation Relay Centers, IRCs）。这个的组织和美国国家科技移转中心具相同功能。区域性的创新接继中心总数近70个，支援至少位于30个国家的相关科技移转中心。创新接继中心的目的，是将有问题的公司和能提出解决方法的公司结合在一起。欧洲多数的纳米科技公司都可受到创新接济中心或区域创新和科技移转策略计划的援助。欧洲纳米科技计划接受金援的方式和美国大致相同，有些是属于国家型计划。欧洲有多个跨国研发机构，以泛欧工业研发网络为例，其专门