奈米科技概念

近年來，奈米科技已成為各國爭相較勁的尖端科技，奈米科技看起來像是 強烈風暴，即將引起下一場工業革命，哪一國家能先掌握奈米先進技術，便能 主導未來奈米產業的競爭優勢(Holley, 2009)。全球知識經濟發展的脈絡中，奈米 技術的推動對於各國的產業及競爭力影響既深且廣，奈米與我們的生活息息相

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關，也是「奈米科技」21 世紀新產業革命的動力，奈米科技的推動能促進國家 的產業及競爭力(盧秀琴、宋家驥，2010)。由此可見奈米科技在未來的重要性，

因此本研究教學內容以奈米科技進行為主，以下探討奈米科技與概念的定義，

並且列出本研究中的奈米科技概念向度，以作為本研究之依據。

奈米科技(nanotechonology)指的則是奈米尺寸下的科學與技術，也就是在微 小尺度上的研究與操控(范賢娟，2009)。奈米科技是生物、化學及生命科技三大 基礎科學為主的科技(馬遠榮，2002)，因此奈米科技可應用的範圍相當廣泛，奈 米相關產品的市場也相對廣大。根據美國國家奈米科技開創中心的定義指出，

只要材料結構的尺寸在1～100 奈米之間的物化性質研究，和這種材料的製造、

操縱及相關量測技術、儀器研發等，都可稱為奈米科學和技術。

陳浩銘、辛嘉芬、劉如熹(2008)提出政府已經公開把奈米科技列為重要發展 的項目，使得奈米科技在近年內快速發展。在許多提供奈米科技專業知能研習 的機構當中，尤其以美國的國家奈米科學工程教與學中心<National Center for Learning and Teaching of nanoscale science and engineering education (NCLT)>最為 知名(Greenberg, 2009)。美國國科會 NSF 補助成立的 NCLT 分成五個核心任務：

1.學習研究；2.奈米科技概念、課程和學習技術開發；3.專業訓練；4.資源傳播、

建立網絡和社群；5.評鑑和評估。奈米科技的界定須包括以下三點：(1)物件或 結構尺寸範圍介於 1～100 奈米之間的研究及技術發展；(2)創造或應用的元件、

架構或系統達到奈米等級時，產生特殊的性質與功能；(3)具有控制或操作原子 等級物件的能力(葉安義，2004)。

由此可見，奈米科技概念是研究發展的重點之一。而概念(concept)是人們思 考和瞭解的工具，也是學習的基本單位，透過有意義的學習而獲得概念，使人 們能有深入思考的能力(黃台珠，1984)。林生傳(2003)認為概念就是，對於隨時 變化的複雜環境事物，給予抽象化、概括化，繼而執簡馭繁、提綱挈領、聞一

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知十，藉以產生意義。就整個概念形成的過程來看，可視為是學習者的學習歷 程(熊召弟，1994)，學生透過概念的學習與傳達，學習到新知識，並據以產生新 的概念，用來傳遞人類文明中最寶貴的知識資產(余民寧，1999)。

當今科技教育著重在學生科技概念的學習，學生要學習一門學科的知識，就 是要掌握其相關的概念，透過概念的學習，得以形成個人的知識系統(李堅萍，

1998)。2000 年 由 美 國 國 際 科 技 教 育 學 會(International Technology Education Association, ITEA)出版的「科技素養的標準」(Standars for Technological Literacy, STL)一書中，提出二十條 K-12 科技教育內容標準，其中在科技的本質之第二條 標準提到：「學生應發展對科技核心概念的理解」(ITEA, 2000；賴南宏，2006)。

研究者根據文獻資料，將奈米科技概念向度如下陳列：

(一)奈米的定義

1990 年時由日本提出奈米(nanometer)一詞，奈米是英文 nanometer 的譯名，

其中奈米的「奈」是 nano 的音譯簡稱，而奈米的「米」是 meter 的音譯簡稱；

是一種長度單位，一奈米(1nm)等於十億分之一公尺(10^-9m)。如果說，將地球的 直徑比喻為「一公尺」，那麼「一奈米」就相當於一顆彈珠的直徑。奈米的尺度 很小，所以我們常用奈米單位形容細菌或原子等尺度小的物質，人類視覺與一 般光學顯微鏡皆無法觀察到，必須使用電子顯微鏡才能得以看見(馬遠榮，2002；

廖婉茹，2006)。

(二)奈米的特性

當物質的尺寸變成奈米尺寸時稱為「超微粒」，會造成一些物理或化學性質 的變化，共可分為以下幾類：

1. 表面積效應：當材料奈米化後，使粒子尺寸縮小，物質體積不變，但表面的 總原子數急速增加，使奈米級的粒子表面具有很高的活性(呂宗昕，2003)。

例如：金在一般狀態下是惰性的，當尺寸縮小至奈米時，金會被活化，可以

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2. 光學性質：因為金屬超微顆粒對光的反射率很低，因此奈米化後的黃金表面 顏色會變黑。事實上，當金屬物質在超微顆粒狀態時都會呈現黑色，尺寸越 小則顏色越黑(牟中原，2004)。

3. 熱學性質：固體尚未奈米化其熔點是固定的，但超微化後其熔點明顯降低，

尤其是當顆粒小於 10 奈米時，例如：普通的金塊熔點為 1020 度，而 2 奈米 的熔點為960 度(尹邦耀，2002)。

4. 力學性質：在超微顆粒狀態時因為具有較大的界面，而界面上的原子排列相 當混亂，原子在外力下容易變形，因此呈現出較佳的韌性，例如奈米陶瓷就 有較好的韌性，較不易脆(龔建華，2002)。

(三)自然界的奈米現象

1. 蓮花效應(Lotus effect):在大自然界中，最有名的奈米現象，就屬蓮花效應了。

蓮花之所以出淤泥而不染，水珠在蓮葉上不會散開的奧秘，在於蓮葉表面上 精密奈米結構的絨毛，使水與葉面的接觸角大於 140 度，只要葉面稍微傾斜，

水珠就會滾離葉面，帶走骯髒的灰塵，具有超疏水(super hydrophobicity)以 及 自 潔(self-cleaning)的特性(蘇俊鐘，2003；郭東瀛、葉吉田、廖駿偉，

2005)。

2. 生物羅盤：再大自然中，有些具有辨識方位能力的動物，例如鴿子、鮭魚等，

這些生物體內都存有奈米級的磁性粒子，即磁場感應器，有如生物磁羅盤，

使這類生物在地磁場導航下能辨認方位，找到回家的路(廖達珊、胡苓芝、

潘彥宏、孫蘭芳，2004)。

3. 光子晶體：某些蝴蝶翅膀的鱗片和雄孔雀的羽毛表面，可選擇性地反射部分 顏色的光，並讓其餘顏色的光穿透過是因未具有特殊的光子晶體奈米構造，

呈幾何結構週期性排列，當光與光子晶體所產生的夾角改變時，會使光子晶

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體反射不同頻率的光，所以鱗片或羽毛會隨觀看角度而改變顏色(呂宗昕，

2005)。

(四)奈米材料與發展

材料在三個維度間，至少有一個維度的長度介於 1 到 100 奈米間，就可以 稱之為奈米材料。在 1 到 100 奈米尺度下作業的奈米科技產品，橫跨多個學科，

涉及物理、化學和生物學在內的所有相關的工程領域，包括：

1. 資訊產品：未來所有的電子元件都將具有更小、更快、更冷(溫度上升低)的 特質。例如：一個手錶大的儲存器，可以儲存 1000 張的光碟中的資訊；計 算機的傳送速度大幅提昇。

2. 生物醫學：奈米科技可以使費時又費力的基因測試和基因表達檢測效率提高，

因為奈米科技可以在很小的尺寸中作業；而奈米級微型探測器，可以快速、

準確的進入活細胞內進行探測；奈米科技還可以製成人類的血液代替品…等。

3. 民生工業：奈米光觸媒、奈米塗料、奈米衣…等，奈米科技已經廣泛的應用 於日常生活中，例如：奈米冰箱有抗菌、除味及防腐的功能。

4. 其它：奈米碳管被稱為是二十一世紀的「超級纖維」，也是目前太空天梯選 用的最佳材料。一根碳管直徑約 1.4 奈米，由碳元素組成，外圍為石墨層的 六邊形網格構成，具有高強度、高彈性、熱傳導性、導電性等，應用範圍相 當寬廣；在航空方面，可以製造出重量更輕、更節省能源的飛機等(修改自 黃佳媛、許良榮、陳欣琦，2011)。

本研究針對以上所探討之四大奈米科技概念向度進行教學設計。

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