奈米科技的概念

本節將針對延伸教學中所提到的主要概念進行探討：一、奈米科技的定義與 特性-包含認識奈米、奈米的由來、及物質奈米化所產生的效應等介紹；二、自 然界的奈米現象-包含蓮花效應、光子晶體效應（蝶翼效應）、奈米結構的吸附能 力與生物的奈米磁導航；三、奈米科技的應用與未來發展-包含生活中的奈米產 品與未來的發展應用等。

一、奈米科技的定義與特性

奈米（nanometer,nm）是一個長度單位，代表的是十億分之一米的長度。一 奈米差不多是十個氫原子並排在一起的長度，是頭髮寬度的十萬分之一。一奈米 必須要用電子顯微鏡才能看得到，一般的光學顯微鏡是無法發現其蹤跡。舉例來 說，一公尺與一奈米的比例就大約是地球與一個玻璃珠的比（行政院國家科學委 員會，2009a）。傳統的物理理論多半用於解釋物質的整體行為，例如：星球運動、

物體整體運動等，稱為「巨觀物理」；而解釋原子、分子運動等量子物理稱為「微 觀物理」；而奈米尺寸因剛好介於兩者之間，因此稱為「介觀物理」，奈米尺寸下 的介觀物理性質與普通尺寸的物理性質截然不同，這種存在於微觀與巨觀之間的

「介觀性質」，使物質產生新的特性（馬遠榮，2002）。奈米科技的目標就是運用 這方面的知識探討物質奈米化的特性與現象且有效的製造並利用這些結構。

早在1959年「奈米科技之父」費曼博士於1959年時，提出先知性的預言，預 測人類的科技發展將邁向前所未聞的為小尺寸發展，他在著名的演講「底部還有 很大的空間（There’s Plenty of Room at the Bottom ）」提到，如何把整部＜大英百 科全書＞印到一個普通的大頭真的針頭上，從費曼博士的演講中即預測出人類科 技產業將進入微小化處理世界。

奈米科技指的是奈米的「科學」和「技術」，實際上奈米科技並無統一的定

義，一般來說，只要是物質在奈米尺度下呈現出有別於巨觀尺度下的物理化學或 生物特性與現象，都可稱為「奈米科技」。呂世源（2002）提到所謂的奈米科技，

就是在奈米尺度（一般是以1 ∼100奈米為範圍）下操控物質，以製作、了解與使 用具奈米結構的材料、元件及系統。當物質結構尺寸小到奈米尺度時，其物理、

化學及生物性質與原來尺寸有截然不同的特性。馬遠榮（2002）定義奈米科技為 只要是尺寸在0.1奈米到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，都可成為奈米的科學和技術。

當物質奈米化後，會使物質具有「表面效應」、「小尺寸效應」、「量子尺寸效 應」及「穿隧效應」等四大效應，導致奈米物質材料在聲、光、電、磁、熱、力 學等性質上，產生與大尺寸材料不同的表現性質。

（一）表面效應

奈米微粒由於尺寸小，表面積大，表面位能高，位於表面的原子佔相當大的 比例，導致原子的活性極高，極不穩定，很容易與其他原子結合，而產生一些新 的效應（尹邦耀，2002），當材料粒子縮小到奈米等級，原材料的性質發生改變，

或是出現原本沒有的性質，這個現象就是所謂的奈米效應。例如在奈米尺度下原 本惰性的金可以當作非常好的催化劑等（高逢時，2005）。

（二）小尺寸效應

由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質變化，即為小尺寸效應。此時，物 質產生新的性質變化有1.特殊的光學性質：金屬物質在超微顆粒狀態會改變顏色 甚至到呈現黑色，對光的反射率因此降低，利用此一性質可作為高效能的光熱、

光電等轉換材料，將太陽能轉成電能、熱能。2.特殊的熱性質：固態物質在細微 化後熔點將顯著降低，在低溫下即可進行燒製成所要的物件。3.特殊的磁學性 質：磁性超微物質與大塊磁體有顯著不同特性，磁可從有序態轉成無序態，利用 其超順磁性製成用途廣泛的磁性液體。4.特殊的力學性質：奈米超微顆粒表現出

極佳的韌性與硬度，運用範圍十分廣泛。除此之外，小尺寸效應還表現在聲學及 化學性能等方面（馬遠榮，2002）。

（三）量子尺寸效應

當無數的原子構成固體時，單獨原子的能階合成能帶，可看成連續的，由能 帶理論將物質分為絕緣體、半導體或金屬等區別，當物質粒子尺寸降到微粒時，

原子間的能帶將分裂，形成不連續性，造成量子尺寸效應，導致奈米微粒的光、

電、磁及超導性與巨觀特性有顯著不同，例如：奈米銀微粒在溫度1^oK時會由導體 變為絕緣體，此即微量子尺寸效應形成的性質（尹邦耀，2002）。

（四）穿隧效應

微觀粒子具有貫穿電位能障（potential barrier）的能力，因此存在穿隧效應。

近年來人們發現巨觀物理量如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等也 顯示出穿隧效應，即為巨觀量子穿隧效應。此一效應確立了現存微電子器件進一 步微型化的極限，當微型化時必須考慮到量子的穿隧效應（尹邦耀，2002）。 二、自然界的奈米現象

（一）蓮花效應（Lotus effect）

「蓮花效應」是自然界存在奈米現象中最有名的例子，中國古代文人曾於文 章中讚美蓮花「出淤泥而不染」來比喻君子該有的美德，其源自於蓮花雖然生長 在泥濘溼地，但依然可以保持乾淨的自我潔淨功能，這個世人不陌生的特性卻直 到1997年德國波昂大學植物學家Wilhelm Barthlott進行一連串的實驗後，才發現 蓮葉特殊結構的疏水性與自我潔淨功能有很大的關係，因而創造了「Lotus effect」

一詞。蓮葉表面從巨觀層次來看，非常整齊平滑，但從微觀層次來看卻有許多小 球狀突起的纖毛結構，使蓮葉表面變的粗超，導致水滴在表面上的接觸角變大，

再加上蓮葉表面上面覆蓋著一層100奈米的疏水性臘層，水滴就無法穿透至葉面 的孔隙而停留在葉面上（如圖2-1-1），小水滴聚集在葉面上形成大水滴後就會從

葉面上掉落，因此水滴無法停留（徐世昌，2002；國立科學工藝博物館網站，

2009）。

圖2-2-1蓮葉表面與水接觸情形。

（圖片資料來自http://zh.wikipedia.org/wiki 網站）

除了水滴外，灰塵也有相同的原理，由於葉子表面的粗糙使接觸面積小，減 少了灰塵與蓮葉間的吸附力量，一旦遇到水滴滾過時，灰塵與水滴的吸附力大於 與蓮葉的吸附力，所以就容易被水滴帶走，蓮葉表面同時擁有的奈米尺寸的物理 結構與疏水性臘層，使得蓮花具有自我潔淨功能，稱為「蓮花效應」如圖2-1-2。

另外，除了植物，有些動物身上也有相同的作用，如海豚的皮膚、鴨子的羽毛和 昆蟲的翅膀…等，都是因為有奈米結構而具有自潔功能。日常生活中，奈米除汙 玻璃、奈米馬桶與瓷磚等，皆是運用蓮花的自潔原理而製成的商品，透過水的洗 刷能輕易將髒汙沖刷掉，所以能夠永保乾淨效果。

圖2-2-2細微結構與自潔作用關聯之示意圖。

（圖片資料來自蘇俊鍾，2003a）

（二）光子晶體效應（蝶翼效應）

大自然許多生物具有各式繽紛色彩，有的是因為含有各種色素，有的則是與 光子晶體（photonic crystals）的顯微結構有相關，蝴蝶的翅膀即是一例。因為蝴 蝶翅膀的鱗片表面成特殊的週期性排列，透過電子顯微鏡可見鱗片在厚度方向約 有10~12層週期性的結構。這些顯微結構類似樹枝狀，即是由奈米級的光子晶體 構成，每條細枝間的距離大約是70-100奈米（如圖2-1-3）。這些光子晶體的結 構並不是完全規則的，因此當光線照射時，依照反射定律，會造成特定波長的可 見光被反射，當光與晶體的夾角改變時，就會產生不同顏色的反射光。所以，觀 察的人會從不同角度，看到翅膀不同的顏色（工業技術研究院工業材料研究所，

2005；國立科學工藝博物館網站，2009）。蝴蝶翅膀上這麼精密的鱗片結構，若 不是透過顯微鏡，很難知道是因為翅膀的光子晶體結構形成。對於蝴蝶翅膀的奈 米極光子晶體結構產生的繽紛色澤，我們稱為「光子晶體效應」，亦有人因為蝴 蝶外表呈現出像彩虹一樣的七彩顏色而稱為「彩蝶效應」或「蝶翼效應」。

日本Kuraray公司在1987年曾模仿蝶翼構造織成布料，商品名稱叫Diphorl，

當身體穿上Diphorl作成的晚禮服走動時，衣服就會像蝴蝶翅膀一樣隨著光線呈現

鮮豔的顏色（工業技術研究院工業材料研究所，2005）。除了蝴蝶外，有些蛋白 石也有相同的原理，蛋白石在顯微鏡下顯示是由微小均勻透明球狀的二氧化矽組 合而成，這些微小的二氧化矽會隨著觀看角度不同也會導致蛋白石產生不同顏色 效果。

圖2-2-3電子顯微鏡下的蝴蝶光子晶體

（圖片資料來自：奈米 K-12 網站）

（三）奈米結構的吸附能力

很多人都看過壁虎攀岩走壁，但是卻沒有多少人能正確的知道原因。科學家 發現，電子顯微鏡下壁虎腳趾的皮膚是由三層次的組織構成的。透過玻璃可看到 壁虎的腳趾頭皮瓣，皮瓣上具有極細的剛毛（seta），一隻壁虎身上有數百萬根 剛毛，每根剛毛又有400到1000根更細的分支匙突（spatula）所組成。分支起突長 度大約200至500奈米，這些分支使得剛毛與物體表面分子間距離非常近，而產生

「凡得瓦力」，可吸附住物體表面。「凡得瓦力」是奈米尺度下所形成的分子間 作用力，雖然其作用力微不足道，但數百萬根剛毛累積起來卻很可觀。以壁虎來

講，每根剛毛約略可舉起一隻螞蟻的重量，如果壁虎同時使用全部的剛毛，累積 起來可以提起125公斤的重量，因此壁虎實際上只需要用一隻腳即可支撐身體全

講，每根剛毛約略可舉起一隻螞蟻的重量，如果壁虎同時使用全部的剛毛，累積 起來可以提起125公斤的重量，因此壁虎實際上只需要用一隻腳即可支撐身體全