奈米科技(Nanotechnology)
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奈米的由來
最先提出人有可能在奈米層級做各種應用的是1965年的諾貝爾物理獎得主費曼,亦是知名的科普作家,在1959年提出「將大英百科全書全部寫在一個針尖上」;而以現在的科學觀點來說,只要縮小至四千萬倍就可以了。
奈米科技之定義及領域
一般奈米科技中的奈米(nanometer)是指10-9公尺,而一個奈米的長度大概是10個氫原子排在一起的長度。奈米科技意指在奈米尺度(1 nm~ 100 nm)上所研究的物質(包括原子、分子的操縱)的特性及相互作用,以利用這些特性的多學科交叉性的科學與技術。
奈米之應用
奈米就是十億分之一公尺,若將台灣島縮小為十億分之一,大小約和一粒鹽差不多;原子直徑平均約零點二奈米,去氧核醣核酸(DNA)直徑二點五奈米,生物細胞一千奈米,打針時的針孔約一百萬奈米。
同樣的物質在傳統大尺度與奈米尺度中,會表現出完全不同的透光、導電、導熱、磁性等物理性質,另外腐蝕、氧化等化學作用穩定性也不一樣;也就是說,進入奈米尺度後,所有物質都等於變成一種新物質,這也是奈米科技發展無可限量的原因。不過這些應用大都屬於高科技產業領域,坊間現有的奈米產品,仍以傳統產業為主,利用「微小」的特性加強原有產品性能。
一般定義小於一百奈米的顆粒就是「奈米級」,製作出來的產品就是奈米產品,這種極微小顆粒可填平凹凸表面、透光性高(小就是薄)、可穿過皮膚以及人體容易吸收;還有就是微小物質的表面積比例較大,可提高遠紅外線物質、負離子物質、光觸媒的工作效率。
何謂奈米科技
傳統的材料科學是以冶金、陶瓷及高分子塑膠為基礎,以塊材材料(Bulk Material)為對象,而奈米科技係以基礎科學為根基,以奈米材料(Nanomaterials)為對象,主要研究著重在實際應用上之化學、物理、光電及機械所需具有的特殊及特定功能材料。
隨科技發展日新月異,反應慢、笨重的材料已日漸被淘汰,取而代之的是反應速度較快且體積微小的奈米材料。近年來科學家在奈米元件材料的製作上已有相當的進展,如場發射器、單電子電晶體、巨磁電阻層等材料元件晶片,如圖一所示,已可以做到比人類毛髮甚至蛋白質分子還要小的尺寸,可見微小化的奈米產品已不再是人類遙不可及的夢想。
奈米科技可分為三大領域:
(1)奈米元件:
以分子、原子為起點,製造具有特殊功能的元件。要製造特殊功能的元件,大致上有兩種方法:
A由上而下"(Top Down)或是"由下而上"(Bottom Up);"由上而下"技術係利用微加工等方法,將元件不斷微小化。
B而"由下而上" 技術操控分子、原子,再依照人類的需求進行設計與組裝。
(2)奈米材料:
奈米材料是指材料的幾何形狀可達到奈米尺度,亦具有特殊功能的材料,其中主要類型包含: 奈米粒子、奈米管、奈米薄膜、奈米塊材等。奈米材料的製作亦可分為兩種方法,由下而上的次微米組合法,另一種則是由上而下將大結構鑿刻為小結構以創造出實體的方式。
奈米材料的特性
奈米材料有許多特性,以下列出三種特性 :
材料奈米化:
材料奈米化以後,許多我們熟悉的特性,產生了相當大的變化。比如奈米碳管抗斷裂的能力比一般鋼鐵高,奈米金的熔點降低,奈米銅比一般銅要堅固好幾倍。
能量轉換最大化:
奈米化的電池,可以用很小的體積,容納更多的能量,且因能量轉換的效率高,比傳統電池更持久,但重量卻只有傳統電池的一半。
增加儲存容量:
一般光碟片,每個儲存點的大小等於500奈米,儲存容量大約是640MB。DVD光碟片的儲存容量是一般光碟片的8~16倍,大約為4.7GB ~ 8.5GB。但是用奈米技術製作的光碟片,儲存點可達到50奈米,一片光碟就有64GB的容量,儲存容量比一般光碟片大了約100倍。
(3)奈米檢測與表微技術:
為了在奈米尺度上探索及研究元件和材料的結構與性質上,必須建立完善的奈米檢測與表徵技術,才得以方便研究各式各樣的奈米結構的力、光、電、磁等性質與特性。
近年來隨著電子產品追求輕薄短小的趨勢下,使得人類對微小化材料的需求增加,也使得電子元件已由微米(10-6m)範圍邁入奈米(nanometer = 10-9m)範圍。然以現有的技術及設備材料的開發能力來看,已面臨瓶頸。以半導體製程為例,當CMOS製程技術推進到0.09μm、0.07μm等的奈米製程時,即已將CMOS半導體製程推向極限,許多前驅的研究便開始跳開目前製程的桎梏,為求能突破技術瓶頸,近年來全球便興起奈米科技的研究風潮。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20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。
在後續發展上仍需基礎凝態物理研究與化學合成有效的整合,近年來在這類整合的研究上已有傑出的發展。它不僅有實際應用價值,更在基礎科學開發出許多新領域。例如:新開發的材料中碳六十、碳奈米管、半導體奈米晶體、中孔徑分子篩等,另外應用上的開發亦廣受注目。此外,在CMOS半導體製程上,亦由過去的從上而下(top-down)的減法製程轉向從下而上(bottom-up)的加法製程,亦即先由分子尺度製作類似電晶體功能的元件,然後再考慮彼此間的連線,以及將Micro世界訊息傳回Macro世界的問題。
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