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江冠儀 奈米改變世界 0 篇名篇名 奈米改變世界奈米改變世界 作者作者 江冠儀 國立員林農工 高一江冠儀 國立員林農工 高一 加一甲班加一甲班 李曼婷 國立員林農工 高一李曼婷 國立員林農工 高一 加一甲班加一甲班 李毓翎 國立員林農工 高一李毓翎 國立員林農工 高一 加一甲班加一甲班 指導老師指導老師 林慧香老師林慧香老師 PDF created with pdfFactory trial version 江冠儀 奈米改變世界 1 壹 前言 奈米科技可說是現代文明一大發展 應用於日常生活中 科技中電器產品 汽車 零件 更可深入於化學研究 特殊物理變化 生物應用 及食品化學再加以分析 奈米的特性及用途還多值得我們深入探討 畢竟未來更發達的科技中還須利用其 特性 貳 正文 一 奈米材料的介紹 奈米材料 包含有奈米顆粒的材料 本身的存在並不是一種危害 只有它的一些 方面具有危害性 特別是他們的移動性和增強的反應性 只有某些奈米粒子的某 些方面對生物或環境有害 我們才面臨一個真的危害 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 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 二 奈米科技 奈米科技 英文 Nanotechnology 是一門應用科學 其目的在於研究於奈米尺寸 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 蓮花表面的出污泥而不染的特性也應 用奈米科技 一 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 二 奈米危機 PDF created with pdfFactory trial version 江冠儀 奈米改變世界 2 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 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 三 奈米技術的應用 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 傳統的學科可以被從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佈設計 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 當代電子和中子的發現讓人類知道還有比我們能想象到的最小的東 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 PDF created with pdfFactory trial version 江冠儀 奈米改變世界 3 三 奈米光刻技術的發展 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 光刻是自上的下的製作技術 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 四 奈米科技相關議題 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 一 比較現實的是機械方面的潤滑劑 化工方面的催化劑 二 醫學方面的定點超效藥劑 三 奈米孔隙材料可用開發改良催化劑 應用於石化工業等 四 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 五 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 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 等之機械繫統 六 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 奈米材料 包含有奈米顆粒的材料 本身的存在並不是一種危害 只有它的一些 方面具有危害性 特別是他們的移動性和增強的反應性 只有某些奈米粒子的某 些方面對生物或環境有害 我們才面臨一個真的危害 五 奈米結構 要討論奈米材料對健康和環境的影響 我們必須區分兩類奈米結構 1 奈米尺寸的粒子被組裝在一個基體 材料或器件上的奈米合成物 奈米表 面結構或奈米組份 電子 光學感測器等 又稱為固定奈米粒子 PDF created with pdfFactory trial version 江冠儀 奈米改變世界 4 2 自由 奈米粒子 不管在生產的某些步驟中存還是直接使用單獨的奈米 粒子 這些自由奈米粒子可能是奈米尺寸的單元素 化合物 或是複雜的混合物 比如 在一種元素上鍍上另外一張物質的 鍍膜 奈米粒子或叫做 核殼 奈米粒子 六 奈米顆粒進入人體的途徑及危機 一 奈米顆粒進入人體有四種途徑 吸入 吞咽 從皮膚吸收或在醫療過程中被有意的注入 或由植入體釋放 一 旦進入人體 它們具有高度的可移動性 在一些個例中 它們甚至能穿越血腦屏 障 二 奈米粒子在人體器官存在的話題 奈米粒子在器官中的行為仍然是需要研究的一個大課題 基本上 奈米顆粒的行 為取決於它們的大小 形狀和同周圍組織的相互作用活動性 它們可能引起噬菌 細胞 吞咽並消滅外來物質的細胞 的 過載 從而引發防禦性的發燒和降低 機體免疫力 它們可能因為無法降解或降解緩慢 而在器官里集聚 還有一個顧 慮是它們同人體中一些生物過程發生反應的潛在危險 由於極大的表面積 暴露 在組織和液體中的奈米粒子會立即吸附他們遇到的大分子 這樣會影響到例如酶 和其他蛋白的調整機制 目前 公認的觀點是 雖然我們需要關注有固定奈米粒 子的材料 自由奈米粒子是最緊迫關心的 因為 奈米粒子同它們日常的對應物 實在是區別太大了 它們的有害效應不能從已知毒性推演而來 這樣討論自由奈 米粒子的健康和環境影響具有很重要的意義 三 奈米粒子的分析 更加複雜的是 當我們討論奈米粒子的時候 我們必須知道含有的奈米粒子的粉 末或液體幾乎從來不會單分散化 而是具有一定範圍內許多不同尺寸 這會使 實驗分析更加複雜 因為大的奈米粒子可能和小的有不同的性質 而且 奈米粒 子具有聚合的趨勢 而聚合的奈米粒子具有同單個奈米粒子不同的行為 奈米技 術的使用也存在社會學風險 在儀器的層面 也包括在軍事領域使用奈米技術的 可能性 例如 在 MIT 士兵奈米技術研究所 1 研究的裝備士兵的植入體或其他 手段 同時還有通過奈米探測器增強的監視手段 PDF created with pdfFactory trial version 江冠儀 奈米改變世界 5 七 未來奈米技術的討論與掌控 一 競爭的世界領域 在結構層面 奈米技術的批評家們指出奈米技術打開了一個由產權和公司控制的 新世界 他們指出 就象生物技術的操控基因的能力伴隨著生命的專利化一樣 奈米技術操控分子的技術帶來的是物質的專利化 過去的幾年裡 獲得奈米尺度 的專利像一股淘金熱 2003 年 超過 800 奈米相關的專利權獲得批准 這個數字 每年都在增長 大公司已經壟斷了奈米尺度發明與發現的廣泛的專利 例如 NEC 和 IBM 這兩家大公司持有碳奈米管這一奈米科技基石之一的基礎專利 碳 奈米管具有廣泛的運用 並被看好對從電子和計算機 到強化材料 到藥物釋放 和診斷的許多工業領域都有關鍵的作用 碳奈米管很可能成為取代傳統原材料的 主要工業交易材料 但是 當它們的用途擴張時 任何想要製造或出售碳奈米管的人 不管應用是什 麼 都要先向 NEC 或者 IBM 購買許可證 最常見的奈米產品 非驗孕試劑莫屬 若是婦女懷孕 3 4 週 在試劑滴上尿液 顯示窗會呈現鮮紅直線 即是奈米金 顆粒的傑作 二 奈米的開發 奈米是一種極小的尺寸單位 相當十億分之一米 十億分之一到底有多小 奈 米科技 書中比喻 若以一公尺比為地球直徑 一奈米相當一個玻璃彈珠的直徑 若以奈米為單位來表示 身長 2 米的 NBA 籃球員的身高相當 20 億奈米 細如髮 絲的針頭是 100 萬奈米 人體的紅血球是 1 千奈米 中正大學化學暨生物化學 系教授王崇人表示 所有物質在奈米的單位時 物質原本的物理 化學性質發生 改變 變成另外一種新材料 以黃金為例 如果把金原子組合成奈米大小的顆粒 把它們散在溶液 就不再是黃澄澄的金色 反而呈現鮮紅色 應用此種原理 奈 米金顆粒不只用來檢測是否懷孕 還用於愛滋病毒感染 藥物成癮篩檢等 三 奈米與人類生活 想知道奈米技術還會應用在哪些產品 工研院企劃處處長暨奈米科技研發中心 副主任蘇宗粲指出 食 衣 住 行 育 樂和醫藥等各方面 都跟奈米技術脫 不了關係 1 食 大陸的葵花籽包裝 歐洲的啤酒瓶 美國的果汁瓶 在食品包裝上添加了奈 米顆粒 延長保存期限 食品保存最怕氧氣 容易孳生細菌 在塑膠袋 聚 PDF created with pdfFactory trial version 江冠儀 奈米改變世界 6 乙烯 保特瓶 聚酯纖維 等高分子聚合物中添加奈米顆粒 可以增加分子 間的緻密程度 使得氧氣不易進出 提高阻擋氧氣的能力 酒也會因為奈米 技術而變得更好喝 傳統醱酵製酒過程中 除了會產出乙醇和芳香的酯類 還有些許的甲醇 醛類 酒經過奈米對撞機處理 在極高的頻率下振動 把 醛類 甲醇全部氧化成酯類 增加酒香 2 衣 大陸中國科學院研發的奈米領帶 大陸領導人江澤民 美國總統布希都是愛 用者 不只是領帶 Lee 和 Nanotex 公司在今年合作推出了奈米卡其褲 這 些奈米衣料最大的好處就是不怕髒 不易沾上咖啡 油滴等污漬 在衣料纖 維表面塗覆疏水性的奈米顆粒 普通幾毫米大的液滴即使滴在衣料上 液滴 和奈米顆粒的接觸面積僅佔了 1 6 其餘則和空氣接觸 只要輕輕一撣 液滴就掉下來 未來若能把衣料塗上能夠吸收紅外線或者抗 UV 的奈米顆粒 就可製作出能保暖 防曬的衣物 3 住 在陶瓷表面覆蓋具有抗菌能力的奈米微細釉藥 製造出不沾污垢 抗菌的一 系列衛浴設備 像和成牌今年推出的抗菌馬桶 即是一例 不只是室內 日 本高速公路圍牆在表面塗上 TiO2 光觸媒的奈米顆粒 有效分解空氣中的硝化 物 硫化物 使建材外觀如新亮麗 並能減少空氣污染 因為汽 機車排放的廢氣含有硝化物 硫化物 它們不但造成空氣污染 遇 水還會變成酸性物質 腐蝕建材 歐洲也將此項奈米技術應用於古蹟維護 希望歷經幾世紀風吹雨打的大教 堂 戶外雕塑 壁畫等藝術品 能夠減緩被酸雨侵蝕的速度 延長壽命 4 行 未來汽車 飛機的重量會更輕 更省電 也更環保 德國汽車正研發新型擋 風玻璃 以奈米級的玻璃顆粒混上塑膠 重量不但大大減輕 而且不沾雨絲 不易附著污垢 汽車的汽缸若是使用奈米材料 碳氫化合物等氣體不易逸散出去 減少廢氣 排放量 如果 車身塗上奈米粉體 由於奈米顆粒結合緊密 一點也不用擔 心車身會留下刮痕 滿街跑的是太陽能電動汽車 或者人人手上拿的是可待機數百小時的行動電 話 也會因奈米技術成真 因為在電池添加了奈米級鋰顆粒 能夠大幅延長 供電時間 縮短充電時間 會是未來電池的主流 5 育 不用帶厚重的課本上學 只要帶著一頁比信用卡還薄的電子書就行了 一個用 鉛筆畫的句號 由 3 億個碳原子排列組合而成 電子書上的面板是由上百萬 個奈米顆粒所組成 電壓可以控制原子排列 組合不同的字 隨著輸入的頁數 電壓上上下下 每頁有不同的字跳出來 PDF created with pdfFactory trial version 江冠儀 奈米改變世界 7 6 樂 未來兩年內 第一台以奈米碳管做成螢幕的電視可望問世 它不但省電 成本 低 而且很薄 厚度僅數公釐 奈米碳管彈性極高 電傳導性高 強度比鋼絲 強上百倍 但重量卻輕 兼具金屬與半導體的性質 可用於平面顯示器 電晶 體或電子元件上 除了電視 電腦 奈米碳管也被用於網球拍 滑雪桿 質輕 鋼性好的特點 讓運動人士用起來愛不釋手 舒適地打一場好球 奈米網球 奈米排球也相繼問世 在球類表面塗覆奈米顆粒 也能阻絕氣體進出 不易沾 上汗滴 保持球的彈性 今年 2 月 在美國開打的戴維斯盃網球賽即是用奈 米網球 7 醫藥 延長藥效 胰島素奈米膠囊 波士頓大學研究人員把老鼠的胰島細胞用薄膜包起來 再植 入患有糖尿病的老鼠體內 薄膜上布滿 7 奈米大小的孔洞 僅能讓胰島素分子 慢速釋放出來 由於抗體體積太大無法通過奈米級的孔洞 藉以保護胰島細胞 不被抗體吞噬 分解 這樣一來 原本需要天天注射胰島素的糖尿病鼠 植入 膠囊後 不用打針 數週後也可存活下來 增加檢驗的靈敏度 磁振造影 MRI 顯影劑以奈米級顆粒的螢光染料做為染料 所得的影像會更 清晰 因為螢光染料在奈米顆粒時 較原來不易受到背景值干擾 也不易衰退 變淡 精準到達病灶 由於人體的細胞大小是 100 微米 相當 10 萬奈米 以 dendrimer 奈米級樹枝狀 高分子聚合物做為藥物的載體 使藥物容易被細胞吸收 再加上奈米級顆粒傾 向累積於體內發生發炎的區域 更能精準到達病灶 利用奈米級機器人進入人 體和病毒展開大作戰 或是清除血管中的血塊 都會因為人類走進微小世界之 路 使一切變得可能 事實上 硬度與摩擦力常常是塑化原料不可兼得的兩個 特性 可是在加入了業者自行開發的 奈米粉 之後 竟然可以同時滿足光譜 兩端的需求 硬度不減 同時摩擦力大增 而且加入了染色劑之後 橡膠也可 以變得五顏六色 以後在路上看到彩色輪胎的汽車 也不用覺得太大驚小怪 生產奈米塑化原料的茂康公司董事長高瑞隆解釋道 在奈米粉還沒開發出來之 前 這種事簡直就是天方夜譚 8 生活中的奈米 而去年在建材界引起極大話題的奈米馬桶 則是奈米點石成金的另一個範例 位 於鶯歌的和成欣業 在衛浴設備上噴灑奈米釉料 在經過高溫烘烤之後 表面會 形成一層完全不會附著髒污的保護層 只要用極少量的清水 就可以完成清潔 的工作 用了奈米馬桶 媽媽再也不必拿著刷子刷馬桶了 負責研發和成奈米 PDF created with pdfFactory trial version 江冠