壹、奈米科技的定義
奈米 (nanometer; nm) 是一尺度的單位，1 nm = 10-9 m，相當於4個原子直 徑的大小。在邊長為2.5 nm的正方體中約有1,000個原子。半導體製程中，線徑 為0.25 mm的平面，約可排列1百萬個原子。人體中的蛋白質其尺寸大小約在1~ 20 nm之間。若以頭髮為度量單位，則其直徑的千分之一約為10 nm。簡單的說，一 奈米到底有多小哪？不要說人的眼睛看不見，人的手感覺不出來，就連放大鏡、
光學顯微鏡也無法觀察，必須使用電子顯微鏡，才能發現其芳蹤！如果將地球與 一公分多的玻璃珠來作比較的話，當地球縮小至直徑為一公尺的圓球時，則等比 例縮小後的玻璃珠，即約一奈米。
「奈米科技」指的是奈米的「科學」和「技術」。馬遠榮（2002）定義「奈 米科技」為，只要尺寸在0.1奈米至100奈米之間的材料結構的物理化學性質研 究，和這種材料的製造、操縱和量測等技術和儀器的研發，都可稱為奈米的「科 學」和「技術」。在0.1奈米至100奈米的空間，存在的原子和分子均數不多，卻 存在著不同於原子和分子這樣的微觀起點，又不同於現實宏觀物質領域，它正好 介於微觀和宏觀之間，科學家們把它稱之均「介觀物理」。
根據工業技術研究院化學工業研究所（2004）的資料顯示，目前人類科學發 展的尺度探索極限，在極短時間的探測可達10-24 s，相當於光通過一原子核所需 的時間。極長時間則可達宇宙年齡的1018 s。在尺度大小上，一原子核的半徑10-15 m及宇宙的邊緣1027 m，則是目前已知的空間極限。在這物質所構成的世界裡，微 米以上的巨觀世界，物質所呈現的是物體的連續性質；而在奈米以下的原子、分 子及電子空間中，則呈現不連續特定能階的量子效應；介於其中的奈米介觀世界 (0.1 nm~100 nm) ，物質的性質是一片尚待開拓的蠻荒處女地，充滿著驚奇、特 異的未知。廣義而言，奈米技術是指處理具有下列特徵之材料或系統的技術： (1) 至少有一維物質尺度介於0.1~100 nm； (2) 經由程序的設計能控制分子尺度結
構的物理與化學屬性； (3) 奈米尺寸的物質可結合形成較大尺度的結構； (4) 物質透過奈米結構可得到優異的電性質、機械性質、化學性質、光學性質及生化 性質等，均為奈米科技發展中重要的一環。
貳、奈米科技的起源
「奈米科技之父」費曼博士，於一九五九年在加州理工學院對美國物理學會 發 表 的 著 名 演 講： 「 底 部 還 有 很 大 空 間 (There’s Plenty of Room at the Bottom) 」（費曼，1959/2001），即已提出先知性的預言，預測人類的科技發 展，即將邁向前所未聞的微小尺寸發展。演講中費曼談到，如何把整部＜大英百 科全書＞印到一樣普通大頭針的「大頭」上，如何把有生命和無生命物體的尺寸，
以驚人的幅度大大的縮小，以及如何去潤滑一部比這頁書上的句點還小的機器；
費曼想像：人類可以設計出一個普通尺寸的機器手臂，利用機器手臂來製造體積 較小的機器手臂，利用體積較小的機器手臂再製造體積更小的機器手臂，就這樣 一次又一次的縮小機器的尺寸，最後甚至可以發展出小到可以操控及重新安排原 子的機器，以至最後可以造人的意志來排列、重組原子，如此不只可以幫助生物 學家及化學家做更進一步的研究，更將可使人類的生活提升到新的境界。費曼博 士在這場演講之中，詳細的預測到數十年後，科技界才開始發展的微尺化運動。
在距離費曼先生的經典演說後二十多年後，令人振奮的消息從 IBM 位於瑞 士 蘇 黎 世 的 實 驗 室 傳 來 ， 那 是 在 1981 年 ， 賓 伊 (Gerd Binning) 與 勞 爾 (Heinrich Rohrer) 成功發明出掃描穿隧式顯微鏡 STM (Scanning Tunneling Microscope) ，此儀器利用一根探針的針尖來探測物體表面形貌，可輕易觀測到 表面原子的排列。 1990 年 ，IBM 在位於美國聖荷西 (San Jose) 的研究中心 Almaden Research Center ，由艾格 (Donald M. Eigler) 與其他研究人員，在 超真空與液氮溫度 (4.2K＝-268.8℃) 的環境下，利用 STM 成功地將氙原子拖 曳移動，並以 35 個氙原子排列出「IBM」字樣；這次突破性的實驗，得到前所 未有的注目，因為這是人類第一次操控原子，也是科學史上重要的一日，因為這 些充滿熱情的科學家的付出，今日奈米科技的歷史新頁得以開啟。
參、奈米科技的重要意義
馬遠榮（2002）認為地球資源有限，奈米科技能有效運用和保護環境的種種 優點，在未來將扮演重要的角色。以奈米技術製造的元件會比現今大體積的元件 更具環保、省電和高效率，這些優點和其它產業結合也將會激發廿一世紀新興產 業的興起，如同以往數波工業革命，奈米科技將在世界各地引發另一波的產業再 造。而最重要的影響是奈米科技將不同以往的工業或產業革命，不會因為追求經 濟或產業的成長而犧牲環保，經濟成長和環境保護是可以並行不悖的。若說奈米 科技也是一場綠色工業革命，可說並不為過。
1996年諾貝爾化學獎得主Smalley於1999年美國參議院奈米科技聽證會上強 調：「奈米科技對未來人類健康及生活福祉之貢獻，絕對不亞於本世紀電子產品、
醫學影像、電腦輔助工程、人造高分子材料的總合貢獻」，可見奈米科技對未來 科技發展是多麼重要的。
若真的奈米時代來臨，對人類具有何重要意義？這可由改變世界的幾次工業 革命來看，就可知奈米科技的重要性了。第一次是十八世紀初的「機器化」革命
（蒸汽機的發明），機器取代人力，提高勞動效率，降低生產成本，改變生產結 構。第二次是十九世紀末的「電氣化」革命（電的發明），以內燃機及發電機取 代蒸汽機，電力成為現代文明的主要能源，支配整個社會經濟生活的脈動。第三 次是廿世紀中後期的「資訊化」革命（電腦的發明），改變了資訊傳遞的技術和 效率，文明的演變過程更加快速、猛烈。在人口急劇成長、地球資源日益短少的 情況下，輕、薄、短、小，和多功能的電腦和家電用品，成為大家的最愛；原有 的化工，電子、光電、電機、生物、醫學等領域，將產生全新的面貌；體積小、
傳輸高的新一代產品，正將我們推向另一波工業革命的高潮－奈米科技；它將會 是史上的第四波工業革命（馬遠榮，2002）。
國科會在「奈米科技交流會」上以「尺寸與技術」描繪出人類社會的發展階 段：(1)農業時代－cm（公分），農業工具；(2)工業革命－mm（毫米），機械設 備；(3)微電子時代－μm（微米），IC電子元件；(4)二十一世紀－nm（奈米），
分子技術；由此亦可知奈米科技對人類發展的重要性。
肆、自然界的奈米現象
奈米現象長久以來即存在於自然界中，這些典範帶給奈米科技及其應用很大 的啟示。最有名的例子就是所謂的「蓮花效應」 (Lotus effect) 。蓮花之所以 出淤泥而不染，水珠在蓮葉上不會散開的奧祕，就在於蓮葉表面上精密的奈米結 構。另外，像蜜蜂、鴿子、鮭魚等與有辨識方向能力的動物，是因其體內存有磁 性的奈米粒子，宛如生物磁羅盤，具有導航作用。鵝和鴨在水中，翅膀不會透水，
亦是因為羽毛上面的奈米結構。蝴蝶的鱗片蝶翼和孔雀的羽毛，是因為特殊的光 子晶體奈米構造，產生所謂「彩虹效應」，蛇類頭部的奈米構造經歷線感應器官，
使之能在漆黑中偵測到獵物。海豚奈米結構的皮膚，有自潔等功能。事實上，人 類的生命肇始第奈米，人體每個細胞宛如奈米元件，製造廠，負責執行體內各種 重要功能，細胞內外有許多奈米元件及結構，如DNA、酵素分子、細胞膜、核糖 體、脂蛋白……等。大自然的神奇之處即在於，自然界的的生物透過由小做大，
以原子或分子為構件，自組裝堆疊成特殊的奈米結構，展現其獨特的特性或功 能，此種方式為奈米科技未來發展的主流。人類自積極師法自然，科技終將回歸 自然法則，似是早已注定；以下就針對幾種常見的自然界奈米現象，加以說明。
一、蓮花效應
世人對蓮葉的特性並不陌生，但真正有系統地研究與分析卻是最近幾年的 事。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。從此以後，蓮花 效應就成了奈米科技最具代表性的名詞。巴斯洛得 (W.barthlott) 教授利用人 造的灰塵粒子污染赫蕉 、倪藤．玉蘭、 林山毛櫸、蓮花 、芋、甘藍及 Mutisia decurrens等八種植物的葉面，然後用人造雨清洗兩分鐘，最後將葉面傾斜15度，
使雨水滑落，觀察葉子表面灰塵粒重殘留的狀況。實驗發現，前四種植物之葉面，
所殘留的污染物高達40%以上；而蓮花等後四種植物，污染物殘餘的比例皆小於 5%。因此證明，蓮花真的具有出淤泥而不染的能力。而這種不需人工清沈，只需 經天然的雨水沖刷，就可保持表面的清潔，我們稱其具有自潔功能，其中又以蓮 花為代表，稱為「蓮花效應」。
蓮花效應主要是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。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，
水與葉面的接觸角會大於140度（圖 2-3-1 ），只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾 離葉面。因此，即使經過一場傾盆大雨，蓮葉的表面總是能保持乾燥；此外，滾 動的水珠會順便把一些灰塵污泥的顆粒一起帶走，達到自我潔淨的效果，這就是 蓮花總是能一塵不染的原因。
圖 2-3-1 表面張力作用下，水與超疏水表面之接觸角（蘇俊鐘，2003）
在電子顯微鏡下，蓮葉的表面具有大小約 5~15 微米細微突起的表皮細胞，
表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約一奈米的蠟質結晶（圖 2-3-2 ）。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
表皮細胞上又覆蓋著一層直徑約一奈米的蠟質結晶（圖 2-3-2 ）。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