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奈米科技

由NASA電腦模擬的分子齒輪奈米科技（英語：Nanotechnology）是一門應用科學，其目的在於研究於奈米規模時，物質和設備的設計方法、組成、特性以及應用。奈米科技是許多如生物、物理、化學等科學領域在技術上的次級分類，美國的國家奈米科技啟動計劃（National
Nanotechnology Initiative）將其定義為「1至100奈米尺寸尤其是現存科技在奈米規模時的延伸」。奈米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點和高分子集合，並且被表面效應所掌控，如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應等，而慣性和湍流等巨觀效應則小得可以被忽略掉。舉個例子，當表面積對體積的比例劇烈地增大時，開起了如催化學等以表面為主的科學新的可能性。微小性的持續探究使得新的工具誕生，如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。結合如電子束微影之類的精確程序，這些設備將使我們可以精密地運作並生成奈米結構。奈米材質，不論是由上至下製成(將塊材縮至奈米尺度，主要方法是從塊材開始通過切割、蝕刻、研磨等辦法得到儘可能小的形狀（比如超精度加工，難度在於得到的微小結構必須精確）。或由下至上製成(由一顆顆原子或分子來組成較大的結構，主要辦法有化學合成，自組裝（self assembly）和定點組裝（positional assembly）。難度在於宏觀上要達到高效穩定的質量，都不只是進一步的微小化而已。物體內電子的能量量子化也開始對材質的性質有影響，稱為量子尺度效應，描述物質內電子在尺度劇減後的物理性質。這一效應不是因為尺度由巨觀變成微觀而產生的，但它確實在奈米尺度時佔了很重要的地位。奈米科技的神奇之處在於物質在奈米尺度下所擁有的量子和表面現象，因此可能可以有許多重要的應用，也可以製造許多有趣的材質。

1959年12月29日物理學家理察·費曼在加州理工學院出席美國物理學會年會，作出著名的演講《在底部還有很大空間》，提出一些奈米技術的概念，雖然在當時仍未有「奈米技術」這個名詞。他以「由下而上的方法」（bottom up）出發，提出從單個分子甚至原子開始進行組裝，以達到設計要求。他說道，「至少依我看來，物理學的規律不排除一個原子一個原子地製造物品的可能性。」並預言，「當我們對細微尺寸的物體加以控制的話，將極大得擴充我們獲得物性的範圍。」這被視為是奈米技術概念的靈感來源。1962年，日本東京大學的久保亮五教授提出了量子限制理論，用來解釋金屬奈米粒子的能階不連續，這是很重要的里程碑，使得人們對奈米粒子的電子結構、型態和性質有了進一步的了解。而奈米科技一詞的定義是東京理科大學的谷口紀男教授在1974年提出^[1][2][3]。1981年，掃描隧道顯微鏡（STM）的發明被廣泛視為奈米元年。1980年代，IBM的安貝旭等人做出多晶體的金環，金環直徑小於400奈米，線寬在數十奈米左右。當外加磁場時，金環產生震盪電阻，這種現象稱作磁阻效應，而這種效應明顯和環的小尺寸有關，主要是金環內的電子受到金環奈米尺寸的干擾，而在環內兩側震盪。一般塊狀金是電的良導體，電阻值很小，不受磁場的影響。但上述奈米金環的結果顯示，當金粒子小到奈米尺度時，其物理性質與大尺寸時不同，這個現象可以用來製作新的奈米電子元件。1984年德國葛萊特等人利用惰性氣體蒸發凝結法，製得鐵、銅、鉛及二氧化鈦的奈米粒子。其中，二氧化鈦的奈米顆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公司的科學家格爾德·賓寧（Gerd K. Binnig）及亨利希·羅勒（Heinrich Rohrer），開發出掃描隧道顯微鏡，它主要是利用一根非常細的鎢金屬探針，針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流，同時，物體表面的高低會影響穿隧電流的大小，依此來觀測物體表面的形貌。四年後，也就是1986年，這兩位科學家和發明穿透式電子顯微鏡的厄恩斯特·魯什卡共享諾貝爾物理獎。

C₆₀的結構圖。C₆₀也被稱作」布基球「，是富勒烯家族中最簡單的結構，富勒烯家族的成員是奈米科技的主要研究項目。到了1985年，史馬利、柯爾和柯洛托在石墨上利用雷射雷射，讓它蒸發而成碳黑，純化後得到的碳簇置於質譜儀中分析，發現兩種不明物質，質量分別是碳的60倍與70倍，因此這兩種不明物質被稱作C₆₀與C₇₀。 C₆₀的形狀像一顆足球，有20個六邊形及12個五邊形的面，共32面的封閉球體。事實上，科學家在太空收集宇宙塵埃時，早就發現C₆₀、C₇₀等物質。所以上述三位科學家是最早在地球上製造C₆₀及C₇₀的人，他們也共同獲得了1996年的諾貝爾獎。1985年，史丹福大學的奎特教授以及IBM的格爾德·賓寧（Gerd K. Binnig）及亨利希·羅勒（Heinrich Rohrer）共同發明了原子力顯微鏡。它也是利用一根探針來掃描物體的表面，當探針靠近待測物體時，探針與物體之間產生作用力，這作用力可以是吸引力或排斥力，並可藉此分析物體表面的形貌。最重要的是，這種儀器可觀察的物體不僅是半導體或金屬，也可以是絕緣體。現在很多生物樣品的觀察，已經大量使用這種設備。1988年，拜必序的研究團隊開發出鐵鉻（Fe/Cr）奈米多層膜，在低溫下改變磁場，電阻會隨著產生急遽的改變。相對來說，一般磁性金屬（或合金）的電阻是不容易隨磁場的改變而變化的。到目前為止，已經發現鐵銅（Fe/Cu）、鐵銀（Fe/Ag）、鐵鋁（Fe/Al）、鐵金（Fe/Au）、鈷銅（Co/Cu）、鈷銀（Co/Ag）、鈷金（Co/Au）等奈米多層膜都具有這種效應。1990年，美國IBM公司的艾格勒利用這種儀器，把35個氙原子（xenon，化學符號是Xe）排成IBM三個字母。這是人類歷史上首次操縱原子，用原子或分子製造機器，也不再是夢想。1991年，克雷需莫和霍夫曼發展出一次可以做出數公克重C₆₀的方法。現在，科學家也嘗試利用C₆₀的性質製成各種藥物。1996年霍伊兒也合成出二氧化鈦（TiO₂）奈米管。二氧化鈦本身是一個極佳的光觸媒材料，廣泛應用在醫療保健，例如消滅細菌或是殺死病毒。開發出奈米管狀的二氧化鈦，應用範圍也會更多樣化。目前，科學家已嘗試把二氧化鈦奈米粒子或奈米管應用在光敏化有機太陽電池上，做為光電轉換材料，現在已經可以達到實用水準。2001年在日本筑波舉行的「奈米碳管發現十周年」研討會中，韓國三星公司展示用奈米碳管做成的場發射全彩色電視螢幕。這個電視的螢幕是由多層壁奈米碳管的前端，產生場發射電子做為電子源，而應用在平面顯示器上。至於醫療用小型X光產生裝置的電子源，也可以應用奈米碳管。奈米科技已被視為新一波產業革命的源頭技術，歐美日本等國家的政府部門，近年來均編列大幅預算，推動國家級奈米基礎科學、工程技術之研發；學術界及產業界亦相繼投注大量人力資金於這場奈米科技的全球競賽中，希冀於專利與產品開發上搶得先機。美國，在1993年成立第一個奈米技術研究機構^{[來源請求]}，2000年七月，美國政府向國會提出國家型奈米科技推動與落實計畫書（The
National Nanotechnology Initiative：The Initiative and
Its Implementation Plan）。2000～2001年，各國相繼針對該國產業現況，紛紛提出奈米科技發展計畫。日本成立「奈米材料研究所」（Tsukuba）、歐盟成立「奈米電子技術聯盟」（IMEC）、德國成立六個奈米技術卓越群、中國（北京）成立奈米國家科研中心，台灣工業技術研究院亦於2002年一月，成立奈米科技研發中心。全球有30餘國規劃及投入奈米領域研發，投入範圍包括物理、生技及電子等前瞻領域研究，及奈米新材料的製造與特性開發^{[來源請求]}。產業界也透過新建立的奈米材料特性及關鍵技術，開發新產品及改善產品性能，來提升競爭力。目前為止，奈米科技尚處於一個國際間相互既交流又有點競爭的萌芽階段。關於「奈米科技」一詞運用的爭議廣義上，奈米技術包括多用來製造尺寸在100奈米以下的結構的技術。包括那些用來製作奈米線的；包括那些用在半導體製造工業上的技術，如深紫外線光刻、電子束光刻、聚焦粒子束光刻、奈米印刷光刻、原子層沉積和化學氣相法；更進一步還包括分子自組裝技術。但是這些技術在就出現在奈米時代之前，而不是專為了奈米技術而設計，也不是奈米技術研究的結果。現在以「奈米」冠名的那些技術，對最有野心的和革命性的分子製造卻毫無關係，或者說是遠遠不能達到要求。這樣，「奈米」可能被科學家們和企業家們濫用而形成「奈米泡沫」，而對那些更有野心和遠見的工作毫無益處。美國國家科學基金資助了研究者David Berube對奈米領域進行整體上的研究，後者的研究成果出版成為了專著《奈米騙局：奈米技術喧囂背後的真相》^[4]。這個由NNI主席Mihail Roco攝寫序言的著作得出的結論是：許多被當作「奈米技術」出售的產品，其實只是就材料科學的新瓶裝舊酒，直接導致一個僅僅是售賣的奈米管，奈米線或類似產品的奈米技術工業，最後的結果是少數售賣大量低端產品的供應商。特性描述隨著尺寸的減小，一系列的物理現象顯現出來。這其中包括統計力學效應和量子力學效應。並且，同宏觀系統相比，許多物理性質會改變。一個典型的例子是材料的表面體積比。奈米技術可以視作在傳統學科上對這些性質詳盡描述的發展。進一步講，傳統的學科可以被重新理解為奈米技術的具體應用。這種想法和概念上的互動對這個領域的發展起到了推動作用。廣義上講，奈米技術是科學和技術在理解和製造新材料新器械方向上的推演和應用。這些新材料和技術大體上就是物理性質在微尺度上的應用。和這些系統的定性研究相關的領域是物理、化學和生物，以及機械工程和電子工程。但是，由於奈米科技的多學科和學科交叉的特性，物理化學、材料科學和生物醫學工程的學科也被視作奈米技術重要和不可缺少的組成部分。奈米工程師們住眼觀新材料的設計，合成，定性描述和應用。例如在分子結構上的聚合物製造，在表面科學基礎上的計算機晶片分布設計，都是奈米科技在當代的應用例子。在奈米科技中，膠狀懸浮也有很重要的地位。材料在奈米尺度下會突然顯現出與它們在宏觀情況下很不相同的特性，這樣可以使一些獨特的應用成為可能。例如，不透明的物質變為透明（銅）；惰性材料變成催化劑（鉑）；穩定的材料變得易燃（鋁）；在室溫下的固體變成液體（金）；絕緣體變成導體（矽）。物質在奈米尺度的獨特量子和表面現象造就了奈米科技的許多分支。工具與技術當代電子和中子的發現讓人類知道還有比我們能想像到的最小的東西還要小的物質時，對奈米世界的好奇心已經萌發。當然，十九世紀10年代，可以研究奈米結構的早期工具的發展才真的使奈米科學和奈米技術成為可能。原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM）的這兩種早期的掃描探針促成了奈米時代的到來。同時，基於STM的許多其它類型的掃描探針顯微鏡，使得觀測奈米結構成為可能。探針的探頭可以用來操縱奈米結構（這種工藝叫做位置組裝）。但是這種過程太慢了，從而到導致了各種奈米光刻技術的發展，例如蘸筆奈米光刻術，電子束曝光和奈米壓印術。光刻是自上而下的製作技術，用來把大塊物體縮小到奈米尺寸。相對的，自下而上的技術直接用原子或分子搭建更大的結構。這些技術包括化學合成，自組裝和位置組裝。相關應用綜上所述，奈米科技實際上涵蓋了一切在奈米範圍的物理、化學的技術和工藝，說它包羅萬象也不算過分。不過現在坊間多在炒作概念，很多都局限於實驗室的理論階段，比較現實的是機械方面的潤滑劑，化工方面的催化劑，還有醫學方面的定點超效藥劑。應用技術一、奈米結晶材料（nanocrystalline materials）

當物質的微結構微小化時，表面原子與內部材料原子的個數比例顯著上升，界面之原子行為對物質性質便有決定性影響。例如奈米金屬結晶顆粒，展現出較佳之強度、硬度、磁特性、表面催化性等；而具奈米結晶之陶瓷材料相較於一般陶瓷材料，則具較高之延展性、較不易脆裂之特性。奈米結晶金屬由於其強度之增加，相當大之應用機會在於汽車業、航太業、建築業等之結構材料，例如Toyota汽車已使用新型奈米結晶鋼材於其汽車產品上^{[來源請求]}；這方面之應用，奈米複合材料是另一競爭者，但於某些用途上，如汽車引擎，奈米結晶金屬材料仍保有其優越性。奈米結晶材料薄膜可提高表面之硬度、降低磨擦、提高耐熱性、耐化學腐蝕性等，可應用於汽車、航空業等之機械系統。在生物醫學方面，奈米結晶銀有抗菌作用，而奈米結晶鈦則可應用於人工關節。二、奈米粉體（nanoparticles）:奈米粉體是奈米材料中種類最繁多且應用最廣泛之一類。最常見的陶瓷奈米粉體（ceramic nanoparticles）可再分為二類：（一）金屬氧化物如TiO2, ZnO等（二）矽酸鹽類，通常為奈米尺度之黏土薄片。奈米粉體的製程，包括固相機械研磨法、液相沉澱法、溶膠－凝膠法、化學氣相沉積法等，不同之方法各有其優缺點及適用範圍。此外，奈米粉體之表面覆膜與修飾，亦常是對粉體後段應用必要的處理步驟。如高濃度CO淨化觸媒－Au/TiO2，即將～10nm的金均勻分佈在TiO2載體上，以發揮其淨化功能，其中TiO2載體為溶膠－凝膠法製得之奈米孔隙材料，以具備奈米尺寸空間容納金奈米顆粒。（一）複合材料：奈米粉體最大之應用之一，在於奈米高分子複合材料之開發。由於無機分散相表面積與高分子間之作用力，使複合材料之剛性大幅提升，透氣性、熱膨脹性下降，耐化學腐蝕，及保有透明性等之優點，可廣泛應用於一般民生工業，如家電器材、汽車零組件、輸送導管等耐磨結構材料上；在包裝材料上之應用，如保鮮膜、飲料瓶，則可利用其耐熱性、高阻氣性及透明等優點。Caly/Nylon之複合材料，由於分散均勻，只要添加3～4％，即可將Nylon之熔點從70℃提升至150℃，且加工性非常良好^{[來源請求]}。（二）塗佈：奈米粉體塗佈具增強表面硬度、抗磨、透明等特性，已應用於建材及太陽眼鏡鏡片上，Kodak正發展以奈米粉體塗佈製造防刮之x-ray底片。此外，亦有利用奈米粉體塗佈光學、耐腐蝕、絕熱特性之應用開發。磁性奈米粉體塗佈則可應用於資料儲存方面^{[來源請求]}。（三）醫學與藥物：經表面修飾之奈米粉體可應用於藥物輸送、奈米銀微粒具有抗菌功效、氧化鋅則具殺黴作用。TiO2與ZnO對UV吸收有相當好之功效，可應用於防曬油等美容產品^{[來源請求]}。（四）其他：奈米粉體之高表面積，可利用工業上之催化反應；用於燃料電池上，可增加其反應速率，提高效能。此外，奈米顏料的開發、使用金屬奈米粉體印製電子電路、及磁性奈米粉體於半導體與醫學核磁共振影像上之使用，均為奈米粉體之應用機會^{[來源請求]}。三、奈米孔隙材料（nanoporous
materials）此類材料指孔隙尺寸小於100奈米之多孔隙材料，包括自然界中早已存在之生物膜與沸石，其高表面積（通常高達~102m2/g），使之具高催化及吸附效應。奈米孔隙材料可由溶膠－凝膠法、微影蝕刻、離子束等方法製得；奈米孔隙薄膜經鍍膜處理，可得奈米細管結構。奈米孔隙材料可用開發改良催化劑，應用於石化工業等。利用孔隙結構，在薄膜過濾系統純化／分離、藥物輸送植入裝置、及基因定序、醫學檢測等，奈米孔隙材料均有相當大之應用潛能。氣膠為質輕之良好絕熱材料；奈米孔隙薄膜可作為半導體業中之低介電材料；奈米多孔矽特殊的發光性質，可作為固態雷射之材料；奈米多孔碳則具高電容特性，可應用於如手提電腦、行動電話，乃至電動車等電池之開發。四、奈米纖維與奈米纜線（nanofibers, nanowires）奈米纖維在此指相對較短之纖維，包括碳纖絲（carbon fibrils）、人造高分子纖維、及氧化鋁纖維等；電紡（electrospinning）是製造人造高分子奈米纖維之方法，可結合奈米微粒或奈米管等材料於纖維中。工研院化學工業研究所正開發之電紡奈米纖維，其尺度約為人髮的1/100。奈米纜線則傾向為無機材質，包括金屬、半導體（如矽、鍺）、及一些有機高分子，主要應用於電子工程。其製造主要有三個方式：（一）微影蝕刻或拓印。（二）化學成長。（三）自組裝成長。奈米纜線之電子傳遞行為並不遵循古典電學，例如其電阻為一定值並不隨長度改變；應用於建構複雜之電路系統時，須挑戰之困難點在於纜線間之連結性。奈米纖維可用於複合材料與表面塗佈，達補強作用。Hyperion Catalysis International正開發利用奈米碳纖絲，製造導電塑膠及薄膜，可應用在汽車之靜電塗料或電器設備之靜電消除；與傳統導電塑膠材料比較，達同樣導電效果所須添加之碳纖絲量較低，且材料表面亦較平滑^{[來源請求]}。電紡奈米纖維具強度提升與高表面積等特性，適合作為奈米粉體於催化應用上之反應床。奈米纖維可製成抗化學品、防水透氣、防污等特殊性能布料，在紡織服裝業上有廣大的市場；Nano-Tex公司已有開發之商業化產品問世。奈米纖維可用為過濾材料及醫學組織工程之支架材料；在藥物輸送之媒介、感測器、奈米電機等領域，亦具應用潛力；此外，利用其高表面積，可用以開發可撓式光伏特膜片，並進一步製成可穿戴之太陽能電池。奈米纜線於化學與生物感測器上之應用，可預期近期商業化產品之出現；其他奈米纜線的應用，包括於氣體分離與微分析、可攜式電源供應器之催化劑、陶瓷微機電系統、幅射線偵測器、發光二極體、雷射、可調式微波裝置等。由於纜線間連結性之挑戰，目前奈米纜線於奈米電子工程之應用，仍處實驗室研發階段，商業化為長期化之目標。