奈米介紹及軍事應用
組別 : 第四組
成員 : 4020B006 吳俊賢
4020B033 陳昆佑
4020B048 李宗憲
教師 : 黃文昌 老師
目錄
• 基本定義
• 基本特徵
• 特性
• 光特性
• 製程
• 奈米軍事之應用
基本定義
* 奈米材料和一般所知道的「材料」有什麼不同？我們知 道，傳統的材料依性質與功能來分類約可分為金屬材料、
陶瓷材料、高分子材料、複合材料、半導體材料、生醫材 料、 等。然而材料有大有小，傳統材料的大小都在微 … 米以上。顧名思義，「奈米材料」專指「奈米」大小的
「材料」。
* 更仔細一些，指任何材料的大小尺寸，三個維度之中
，至少一個維度的長度是奈米級（也就是介於 1 ~ 100 n m 之間），就稱之為奈米材料。除了尺寸的限制之外，
奈米材料在結構上可以分為以下三種型式：顆粒狀（代表 零維奈米 材料； 0D ）、柱狀或線狀（代表一維奈米材料
； 1D ）以及層狀（代表二維奈米材料； 2D ）。舉例來說
，為何稱「一維」 奈米材料？因為該材料的空間三個維 度中有一個維度的長度並不一定侷限於奈米尺度。同理，
零維奈米材料代表其三維都受限於奈米大小。而二維奈米
材料代表材料的三維尺度之中，有一維（也就是厚度）必
須侷限於奈米大小。
基本特徵
* 難到奈米材料的特色就僅止於尺寸小嗎？為何就憑 它 「小」，這幾年全世界各國都投入巨資推展相關的 科學與技術呢？經過十幾年的研究，科學家非常確定 地告訴世人，當材料尺度由巨觀到微觀，再縮小到奈 米時，其所代表的意義並不只是尺寸的縮小，許多嶄 新而豐富的物質特性亦隨之出現；例如在光學性質、
磁性、電性、導熱性、 等等，因此也就衍生了許多 …
新的應用。
* 奈米材料的小尺寸，造就了以下兩個基本特徵：
一、 表面原子數激增 （表面積對體積的比例大增！）
二、 量子效應的出現 這兩項基本特徵皆源自於奈米材 料的小尺寸。
* 首先看看表面原子數激增的現象，我們知道，許多
的材料的性質與裸露在材料表面上的原子數有直接的
關係，例如 : 非均相催化性質，要求反應物有效地
吸附在催化劑的表面上，以利催化反應的進行，以及
化學感測器的靈敏度經常與感測體的總表面積有關等
等。
* 當奈米材料的表面積對體積的比例大增時，自然造成奈 米材料吸引注目的特點。我們用金和鈀為例，金與鈀的原 子半徑（ ro ）分別為 0.16 nm 及 0.12 nm 。附表一是 估算所得的，在不同大小的奈米粒子中的原子數和在表面 上 7 的原子所佔的比率。由這個表中的數字可以看出，
粒子越小，裡面的原子數越少，暴露在表面上的原子所佔
的比率越高。當奈米粒子的粒徑小到 1 nm 時，其中的原
子，幾乎全部是暴露在粒子的表面上！
特性
* 奈米材料之特性分為四類 :
•
特殊的光學性質
•
特殊的熱學性質
•
特殊的磁學性質
•
特殊的力學性質
特殊的光學性質
* 當黃金被細分到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富 貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在奈米微顆粒狀態都呈 現為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑變成鉑黑，金屬 鉻變成鉻黑。由此可見，金屬奈米微顆粒對光的反射率很低，
通常可低於 1% ，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個 特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地 將太陽能轉變為熱能、電能。 微粒尺寸縮小時，光吸收度或微 波吸收度都顯著增加，並且產生吸收峰等離子的共振頻移，產 生新的光學特性，如對紅外線有吸收和發射作用，但對紫外線 有遮蔽作用等， 不同粒徑材料的遮蔽力將隨光波長大小而有所 不同。
特殊的熱學性質
* 固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化 後卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小於 10 奈米量級時尤為顯 著。例如 : 金的常規熔點為 1064 度 C ，當顆粒尺寸減小到 10 奈米尺寸時，則降低 27 度 C ， 2 奈米尺寸時的熔點 9 僅為 327 度 C 左右 ; 銀的常規熔點為 670 度 C, 而超微銀顆粒的熔點 可低於 100 度 C 。因此，超細銀粉製成的導電漿料可以進行低 溫燒結，此時元件的基片不必採用耐高溫的陶瓷材料，甚至可 用塑膠。 奈米材料表面原子的振幅約為內部原子的 1 倍，則粒 徑逐漸減小，表面原子的比例也逐漸日增，奈米材料的熔點將 會降低。奈米微粒在低溫時，其熱阻很小，熱導性極佳，可做 為低溫導熱材料。
特殊的磁學性質
* 人們發現鴿子、海豚、蝴蠂、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細 菌等生物中存在奈米微的磁性顆粒，這生物在地磁場導航下能 辨別方法，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸 的本領。磁性奈米微顆粒實質上是一個生物磁羅盤，生活在水 中的趨磁細菌依靠它遊向營養豐富的水底。通過電子顯微鏡的 研究表明，在趨磁細菌體內通常含有直徑約為 20 奈米的磁性氧 化物顆粒。 由於奈米材料的小尺寸效應，使得磁有序態轉變成 磁無序態，超導相轉變為正常相，因而產生新的磁學特性。當 顆 10 粒粒徑減小時，其磁化率隨溫度降低而逐漸減少。像是 鐵 －鈷－鎳合金這樣的強磁性材料的奈米微粒，其信號雜訊比 極高，可供做為記錄器使用。
特殊的力學性質
* 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由奈米微顆粒壓製成的 奈米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為奈米材料具有大的介面
，介面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很 容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材 料具有新奇的力學性質。
光特性
•
奈米粒子的一個最重要的標誌是尺寸與物理的特徵 量相差不多，大的比表面積使處於表面的原子、電 子、與處於 小顆粒內部的原子、電子的行為有很 大的差別，這種表面效應和量子尺寸效應對奈米微 粒的光學特性有很大的影響。甚至使奈米微粒具有 同量材料材質的巨觀大物體不具備的新光學特性。
•
主要有下列五項：
1. 寬頻帶強吸收：
大塊金屬有不同顏色的光澤，這表示它們對可見光範圍各 種顏色 ( 波長 ) 的反射和吸收能力不同。當尺寸小到奈米級時各 種金屬幾乎都呈黑色，這種對可見光的反射率極低，強吸收率 導致粒子變黑。奈米氮矽、碳化矽及氧化鋁粉對紅外光有一個 寬頻帶強吸收譜。是由奈米粒子大的比表面導致了平均配位數 下降，不飽和鍵增多，與常規大塊材料不同，沒有一個單一的
，擇優的鍵振動模， 而存在一個較寬的振動模的分布，在紅外 光場作用下它們對紅外光吸收的頻率也就存在一個較寬的分布
，導至奈米粒子紅外光吸收帶的寬化。
2. 藍移和紅移現象：
奈米微粒吸收普遍存在，「藍移」現象， 即吸收帶移向短 波方向。歸納起來有兩種： a. 量子尺寸效應，由於顆粒尺寸下 降能隙變寬，這就導致光吸收帶移向短波方向。 b. 表面效應：
奈米微粒顆粒小，大的表面張力使晶格畸變，晶格常數變小。
粒徑減小至奈米級時，可以觀察到光吸收帶相對粗晶材料呈現
「紅移」現象，即吸收帶移向長波方向。光吸收帶的位置是影 響峰位的藍移因素和紅移因素共同作用的結果，量子尺寸效應 會導致吸收帶籃移；但是粒子半徑減小的同時，顆粒內部的內 應力為粒子會增加，者種壓力的增加會導致能帶結構的變化，
電子波函數重疊加大，結果帶隙、能隙間巨變窄，這就導致電 子油低能階向高能階及半導體電子由價電帶到導電帶躍遷引起 的光吸收帶和吸收邊界發生紅移。
3. 量子限域效應：
半導體奈米微粒的粒徑 r<Ab 時，電子的平均自由程受小 粒境的限制，局現在很小的範圍，電洞很容易與它形成激子，
引起電子和電洞波函數的重疊，這就很容易產生激子吸收帶。
4. 奈米微利的發光：
奈米微粒尺寸小到一定值時可以在一定的波長的光激發下 發光，可能是奈米微利的發光是載子的 量子限域效應引起的。
5. 奈米微粒分散物系的光學性質：
奈米微粒分散於分散介質形成分散物系，奈米微粒在這又 稱膠體粒子或分散相。由於在溶膠中膠體的高分散性和不均勻 性使得分散物系具 有特術的光學特徵。當分散粒子直徑大於投 射光波的波長，光波可以繞過粒子而向各方向傳播，發生散射
，散射出來的光，即所謂的乳光。由於奈米微粒直徑比可見光 的波長要小得多，所以奈米微粒分散系應以散射的作用為主。
製程
• 奈米材料依類型可大致分為奈米微粒、奈米纖維、奈米 薄膜 和奈米塊體四種，其中奈米薄膜和奈米塊體皆來自於奈 米微 粒 ( 圖二 ) ，因而奈米微粒的製備更相當重要。 奈米微粒的 製備方法大致可分為物理和化學兩種製備方法。
• 物理製備方法可區分為：氣相冷凝法、機械球磨法、 物理粉 碎法、熱分解法、超臨界流體法等
• 化學製備方法則可區分為：化學氣相沈積法、溶膠凝膠法、
微乳液法、聚合 物接枝法、化學沈澱法、水熱合成法、電弧 電漿法、聲化學 方法等。
奈米微粒子的物理製備方法：
氣相冷凝法： 用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成 等 粒子體，然後驟冷。其特點純度高、結晶組織好、粒 度可控，但技術設 備要求高。
物理粉碎法： 通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到奈米粒子。其特 點 操作簡單、成本低，但產品純度低，顆粒分佈不均勻。
機械球磨法： 採用球磨方法，控制適當的條件到純元素、合金或復合 材 料的奈米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產品純 度低，顆粒分佈不 均勻。
熱分解法： 利用加熱到高溫的方式將複合物分解以製備奈米複合材 料，
如在真空狀態下，以約 300 度 C 的高溫熱分解複合物 Si8O12H6 ． (CoCC o4)2 可得到包含有 Co2C 奈米微粒的非晶 體矽複合材料。
奈米微粒子的化學製備方法：
化學氣相沈積法： 利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成奈米材料。其特 點 產品純度高，粒度分佈窄。
沈澱法： 把沈澱劑加入到鹽溶液中反應後，將沈澱熱處理得到奈 米材料。
其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適 合制備氧化物。
水熱合成法： 高溫高壓下在溶液或蒸汽等流體中合成，再經分離和熱 處 理得奈米粒子。其特點純度高，分散性好、粒度易控 制。
溶膠凝膠法： 金屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化，再經低溫熱處 理 而生成奈米粒子。其特點反應物種多，產物顆粒均一， 過程易控制，適 於氧化物和 II~VI 族化合物的制備。
微乳液法： 兩種互不相溶的溶劑在表面活性的作用下形成乳液，在 微泡 中經成核、聚結、團聚、熱處理後得奈米粒子。其 特點粒子的單分散和 介面性好， II~VI 族半導體奈米粒子 多用此法制備。
奈米軍事之應用
軍事國防的運用，未來在奈米科技影響的下列領域：
• a. 生物學應用 ： 戰場生物戰爭及戰場醫療的運用。
• b. 化學應用 ： 化學感測系統也可以成為診斷和反應過程控制系統的新 工具。戰場化學戰、匿蹤塗料、防彈衣、化學防護的運用。
• c. 奈米材料與合成物 ： 有些物質，只要經過正確排列，強度可達鋼鐵 的六十倍， 特殊性質的表層材料、高效能的淨水系統、裝甲防護能力
、軍事設施的電磁防護能力的運用。
• d. 航太應用 ： 可能讓高密度的燃料儲存器所受壓力奈壓提高、各類型 機 械設備尺寸縮小 ( 如偵察機 ) 。
• e. 電子裝備應用 : 利用體積小、速度快的奈米科技的電子器件應用在 資訊控制方面，將使軍隊更能在預警、搜尋敵人、導彈攔截等作出最快 的反應。
• f. 奈米表面技術應用 : 奈米表面的蓮花效應技術，可使武器裝備更加 地耐腐蝕、 吸震波，並且隱蔽性大大提高，可應用於艦船、潛艇和戰 鬥機等。
參考文獻
https://www.google.com.tw/url?
sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&uact=8&v ed=0ahUKEwjslsfE76HTAhVInpQKHTjhDggQFggtMAI&url=http
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