〔奈米科技（Nanotechnology）－2004.01.08－資訊傳真第716期刊出〕

●早在1959年，著名的美國物理學家費曼（R.Feynman）在美國物理學年會上以《物質底層有大量空間》為題演講，曾對未來的物理學作了一個精采的預言：當人類能在原子尺寸上進行操縱時，我們將得到具有大量獨特性的物質，能夠做出許多與現在不同的事情；如果能夠在原子和分子水平上製造材料和器件，就會有許多全新且令人激賞的新發現。這應該是奈米科技最早的預言。 奈米（nm-nanometer）是尺寸大小的單位名詞，也有人稱為「毫微科技」，在中國大陸則稱為「納米科技」。此一大小接近於分子結構或生物DNA的層次，所以奈米科技事實上就是－「微小科技」。Nano是希臘文「侏儒」的意思，奈米是nano（十億分之一）加上meter（公尺），直譯就是：「十億分之一公尺；也就是十的負九次方公尺/1奈米＝10-9m」；百萬分之一毫米；千分之一微米」。 1nm（1奈米）大約是2～3個金屬原子排列在一起的寬度；一個原子大約是0.2到0.3奈米大小，所以5個原子串在一起約1奈米長，如果用氫原子來排列，1nm（1奈米）大約是10個氫原子的寬度（10個氫原子的併排寬度）。一般病毒的直徑約60～250 奈米；「紅血球」的直徑約7,500奈米；「頭髮」頭髮的平均直徑大約在350微米左右，也就是說約有350,000奈米；去氧核醣核酸（DNA）直徑2.5奈米，生物細胞1,000奈米，打針時的針孔約1,000,000奈米。以1公尺比為地球直徑，1奈米大約為1個玻璃彈珠的直徑。但要把它當成1個單位，當然需要取個簡單的名稱，因此有「毫微米」與「奈米」2個稱呼。 超小物質的研究起自1970年代，即所謂超微粒（Ultra-fine Particle）研究。因超微粒的大小多半為微米尺寸，微米英文是micrometer，是長度的單位，數學符號為：μm。一微米為百萬分之一公尺（1 μm＝1×10-6 m），在小下去就為奈米尺度，故至1980年代超小物質的研究自然變成奈米尺度材料（即所謂奈米材料）的研究。

一般定義小於100nm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（物體變薄）、可輕易的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，可提高如～遠紅外線物質、負離子物質、光觸媒的工作效率。 舉例來說，以8塊小方糖和用8塊小方糖組成邊長2倍的大方糖相比，兩者體積一樣，但8塊小方糖表面積有48面（每塊6面乘以8塊），而大方糖卻只有24面（每面為小方糖4倍，共6面），由此可知微小顆粒的表面積比例較大。 奈米材料的小尺寸，造就了量子效應的出現與表面原子數激增（也就是說表面積對體積的比例大增）兩個基本特徵。 簡單的來說：當物質以奈米級的大小存在時，不僅是體積的縮小，其導電性、磁性、電阻性、光學、物理及化學性質也會有很大的改變。物質若是縮小到奈米尺度上，物質會出現種種「新穎、奇特、特異的性質」。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。此時物質的強度、韌性、電學、電磁學、熱學等特性方面都會產生質的變化，如質量減輕、體積縮小、曲度變大及表面積增加等，而最重要的則是導熱度、導電性增加，磁性也產生改變，應用範圍因而更為廣泛。

另外奈米材料也會~造成材料表面原子數激增；也就是說表面積對體積的比例大增。我們用金和鈀為例，金與鈀的原子半徑分別為0.16 nm及0.12 nm。粒子越小，裡面的原子數越少，暴露在表面上的原子所占的比率就越高。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！  

以金子為例：金的原子半徑為0.16 nm，一顆直徑為5 nm的球形金奈米粒子便包含大約3,800個金原子。一般人對「金」的印象就是「金光閃閃」，因此在一般人眼中，黃金是裝飾用的首飾，不具任何活性，但金的奈米顆粒（金奈米粒子-nanoparticle）其光學性質會因體積的極度縮小而有所改變，隨著粒徑的逐漸縮小，顏色的變化依序為－黃、橘（約100奈米）、綠（約50奈米）、暗紅（約13奈米）。不但如此，當奈米粒子的直徑、形狀稍作變化時，也會顯現出不同的顏色。（這是因為光學性質因尺度的不同而有所變化）。但是當其聚集至一定數量後，又會形成原本的金黃色。

其實金奈米粒子應用到實際生活中已經有一段時間了，例如在藥房買的驗孕器，在上面看到是否有懷孕的紅色訊號，其實就是由奈米級的金粒子所生成的紅色訊號；奈米金顆粒會和尿液中某種蛋白質作用，產生紅色反應，即可知懷孕與否。（奈米金顆粒會和懷孕女子尿液中的HCG【Human Chorionic Gonadotropin；人絨毛促性腺激素/人類絨毛膜性腺激素】作用，產生紅色反應，即可知懷孕與否。） 另外也將醣類金奈米粒子，成功的應用到細菌的標定上，未來若成功的應用在生物晶片上，一次就能辨認十幾種不同的細菌，對醫學上的免疫分析、疾病檢測技術將產生重大的影響。

另外黃當金離子小到5奈米以下時，變成具有高度的活性，可做為催化劑，將可能燃燒不完全的一氧化碳轉化成較無害二氧化碳，因此，科學家利用此特性將原來用於裝飾用的黃金，拿來製成防毒面罩，避免因不當燃燒所引起的一氧化碳中毒，因此黃金在奈米科技的應用下有各種不同的用途。

奈米結構除了尺寸小之外，往往還擁有高表面/體積比、高密度堆積以及高結構組合彈性的特徵。所謂的奈米科技便是運用我們對奈米系統的了解，將原子或分子設計組合成新的奈米結構，並以其為基本「建築磚塊」（building block），加以製作、組裝成新的材料、元件或系統。因此，在製程的觀念上，奈米科技屬於「由小作大」（bottom up），與半導體產業透過光罩、微影、蝕刻等「由大縮小」（top down）的製程相當不同。

材料尺寸從微米進入奈米，代表意義不只是尺寸縮小，更重要的是節省的物質和能源消耗，並創造獨特的物質特性變化及應用，在1～100nm奈米領域下，由於量子效應，許多物質的現象都將改變，使得其物理性能和化學性能發生奇特變化。例如質量變輕，表面積增高，表面曲度變大，熱導度或導電性也明顯變高，進而衍生出許多新應用。未來將出現待機時間長達50天的超高能量大哥大電池，只有半釐米厚且可折疊彎曲的超薄顯示器，或者是性能提高100倍的超高密度資訊儲存設備（奈米記憶體可以將故宮或是國家圖書館的資料，全都儲存在一顆方糖上），全都不足為奇。美國UCLA大學以奈米科技開發的分子電腦元件，大小只有電晶體的100萬分之1，價格卻比電晶體更便宜，進而神奇地改變人類的生活。也有廠商把物體表面塗上一層奈米級二氧化鈦（TiO2）的薄膜，像是吃飯的餐具和廁所的馬桶，都不必再花時間清洗。家裡的牆壁因為使用奈米建材，也不會沾到灰塵而變髒。德國研發出的奈米牙膏，更可以在刷牙時自動修補蛀牙裂縫。電腦長時間使用，常因電子運行的摩擦力使電腦過熱而燒掉，研發奈米科技，可使電腦跑得更快也更穩定。這樣的例子再進入奈米科技的時代會屢見不鮮。