奈米材料及技术的应用

Nanomaterials-Vapplication

/sundae_mengI.奈米材料及技术的应用

1.在陶瓷领域的应用

(1)奈米陶瓷指显微结构中的物相具有奈米级的陶瓷材料

(2)有良好韧性，可大幅弯曲而不断裂

(3)例如：仿有机结构之无机复合产物

/sundae_meng/sundae_meng/sundae_meng/sundae_meng/sundae_meng2.在电子学上的应用

(1)利用奈米粒子的量子效应设计并制备

奈米量子器件

(2)终极目标是将集成电路缩小，研制由单原子或单分子构成的各种器件

(3)如微电子和计算器技术/sundae_meng3.在生物工程上的应用

(1)生物分子是很好的信息处理材料

a.分子是保持物质化学性质不变的最小单位

b.生物分子本身就是一个微型处理器

(2)如发展分子计算机/sundae_meng4.在光电领域的应用(1)利用奈米技术结合微电子与光电子，使光电器件在光电信息传输、贮存、处理、运算及显示等性能大幅提升(2)发展光学高速数学运算、高速激光器(3)如高性能电极材料，大幅度提高放电

效率/sundae_meng5.在化工上的应用

(1)奈米材料的化工性质

a.奈米粒子比表面积大，光催化效率高

b.奈米粒子生成的电子、空穴到达表面之前，大部分不会重新结合故可到达的数量多，化学反应活性高

c.奈米粒子分散在介质中为透明性可观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能阶结构及表面态密度

(2)已发展奈米光触媒、奈米静电屏蔽材料、奈米紫外线屏蔽材料(化妆品、食品包材)

、奈米反应器/sundae_meng(3)如美容美发护理剂：

a.奈米氧化锌粉末性质*无毒、无味、对皮肤无刺激性、分解、不变质、热稳定性好*本身为白色，可以简单地以着色*具有很强的吸收紫外线的功能，对UVA和

UVB均有屏蔽作用*具有渗透、修复功能

b.奈米氧化锌粉末的应用适用于作美容美发护理剂中的活性因子*大幅度提高护理效果*还可避免因紫外线辐射造成对皮肤的伤害/sundae_meng(4)奈米化妆品：a.Nanocapsule*奈米碳球(130~600nm)所制成的化妆品*结构非常微小，很快渗透进入皮肤内层*材料是生物兼容性的聚合物*实务制作上仍有技术上的困难/sundae_mengb.Nanoparitcle*表面效应

--当金属或化学原料的大小改变时，性质也会改变

--表面积越大，金属作为触媒的化学作用会更有效率/sundae_meng*ZnO2或TiO2--使用ZnO2(过氧化锌)或TiO2(二氧化钛)制成80-100nm大小奈米粒子制作防晒乳液/sundae_meng--和一般利用有机分子形成紫外线隔离层之防晒乳液的差异

i可以有效隔离紫外线

ii不会对敏感性皮肤造成过敏

iii透光性

iv奈米粒子越小，防晒效果越好

15-20nm的奈米粒子是奈米防晒乳液的极限/sundae_meng图花粉负离子奈米保湿水

/sundae_mengc.MicroElectroMechanicalSystems

奈米大小的皮肤侦测系统*包含侦测仪、机电系统与含医学信息的软件*与手腕皮肤的接触，它会很快地分析出适合该皮肤使用的保养品

d.Nanorobotor*利用奈米机器人制作成染发剂、洗发精*操作头发生长的快慢*变色唇膏/sundae_meng6.在医学上的应用

(1)研究生物大分子的精细结构及功能获取生命信息，进行诊断或治疗

(2)疾病检测指示剂奈米粒子微细结构使其对环境中的化学或物理指针的变化极为敏感/sundae_meng/sundae_meng(3)奈米导向剂将以奈米磁性颗粒为载体的药物注入人体后，药物在外磁场的作用下会聚集于体内的局部(4)其他如分子机器人、生物导弹及其他奈米生医材料

/sundae_meng7.在分子组装上的应用

(1)奈米材料的发展分为三个阶段

a.制备奈米粒子、合成块体、评估表征、探索特殊性质

b.设计奈米复合材料

c.分子组装等

(2)奈米级微粒的尺寸大小及均匀程度仍是技术瓶颈/sundae_meng/sundae_meng8.在其他领域上的应用

(1)生物技术--如抗菌剂：

a.奈米氧化锌粉末在阳光(尤其在紫外线)的照射下，在水和空气中能自行分解出自由移动的带负电的电子（e-

），同时留下带正电的空穴（H+）

b.空穴激活空气中的氧变为活性氧(有极强的化学活性)，能与多种有机物发生氧化反应（包括细菌内的有机物），把大多数病菌和病毒杀死/sundae_mengc.杀菌效果：奈米氧化锌的浓度为1%时，

在5分钟内金黄色葡萄球菌的杀菌率为

98.86%，大肠杆菌的杀菌率为99.93%。/sundae_meng(2)奈米洗衣机、抗菌衣：抗菌效果可达99.9%a.洗衣机内部涂上一层奈米材料可抑制霉菌的生长

b.奈米层状银系无机抗菌防霉母粒与纤维，具有抗菌功效，如大肠杆菌及金黄葡萄球菌的抗菌效果都达到99.9%，对淋病及肝炎病毒的预防有很大功效

c.可制成抗菌衣物，也能用在家电制品、日用品、文具、玩具、医疗用品及建筑材料

等/sundae_meng奈米银抗菌机制~破坏细菌细胞膜，或强烈吸引细菌体中蛋白的硫氢基并迅速结合，降低细菌原生物的酵素活性，产生抗菌作用；同时藉由缓释银离子，发挥持久的抗菌效果

/sundae_meng奈米银杀菌作用与一般抗生素药物之比较表/sundae_meng表奈米银对致病(食品)菌之抗菌作用/sundae_meng/sundae_meng(3)奈米保健食品：可降低自由基的活性

a.科学家最早投入研发的奈米保健食品

是奈米硒（Se）

b.奈米硒具有高生物活性、高纯度、稳

定性

c.奈米硒去除自由基的活性为无机硒的五倍，在免疫调节及抑制肿瘤的灵敏度上，也比有机硒提高许多

/sundae_meng(4)奈米过滤(nano-filtration)

NF为介于RO及UF之间的过滤方式，常用于除矿化(demineralization)和浓缩去除分子量在100~500的物质/sundae_meng/sundae_meng/sundae_meng(5)军事领域--如吸波材料：奈米金属粉末对电磁波有特殊的吸

收作用

a.可作为军用高性能毫米波隐形材料

b.可见光--红外线隐形材料和结构式隐

形材料

c.手机辐射屏蔽材料/sundae_mengII.我国奈米技术产业化近况

/sundae_meng表VI-3奈米材料技术商品化时程图/sundae_meng表VI-4工研院奈米技术开发成果表产业别材料加工技术可应用之组件/产品显示器碳奈米管(CNT)配向膜材料喷墨材料(<30nm)可网印之场发射显示器(FED)制程CNT-FED(10吋彩色雏型，车用)LED

蓝/白光LED用蓝宝石晶圆SiGe/Si量子点光储存无机材料记录媒体(ARMI,2-20nm膜厚)母模技术(Mastering,70nm)DVD-R盘片构装基板自组装平坦化陶瓷基板(1-5nmbuildingblock)

积体被动组件/装置储能高润湿性电池隔离膜(2-5nm结构)奈米电极/触媒高储能电容材料(2-50nm孔径)电浆表面处理镍氢电池(已占7%世界市场)；锂电池(开发中)DMFC(DirectMethanolFuelCell)化工奈米黏土复合材料

金触媒化学机械研磨液插层、剥离、押出聚合反应(介孔洞，mesoporous)奈米级二氧化硅胶体粒超高分子量聚合物(分子量>100万)口罩晶圆抛光生技生物奈米材料(金胶体<20nm)

生物芯片目标给药微脂粒(100nm)/sundae_meng表V-5国内已经利用奈米技术开发的产品与公司一览表运用奈米技术之产品公司该产品适用之产业镍氢电池隔离膜高银化学能源产业抗菌地砖东陶建材产业卫浴设备、马桶、洗手台和成欣业石材表面处理华峰工业抗菌、防臭、防紫外线功能性纤维中华绿纤、远东纺织、中兴纺织、力丽企业纺织产业机能性尼龙奈米新合纤中石化奈米口罩元台山奈米冰箱东元电机家电产业空气清静灯管台湾日光灯空气清净机大同、声宝、三洋超基因健康食品超基因科技生物科技产业微脂粒药物台湾微脂体、东洋制品奈米中草药九鼎生技65奈米SRAM、MRAM、FinFET台积电半导体产业65奈米技术联电化学机械研磨液长春石油、永光化学、长兴化工奈米软式基板国泰高科技印刷电路板产业奈米碳管场发射显示器翰立光电光电产业大尺寸电视用之奈米碳管东元奈米应材OLED铼宝科技LCD彩色滤光片光阻剂永记造漆、长兴化工、永光化学喷墨打印机奈米颜料尚志造漆有机感光鼓台盐高纯度粒径30奈米光导电材料永信药品无机可录式光盘联宥/sundae_mengIII.

展望Nanotechnology(奈米科技)PresentImpact(目前冲击)PotentialImpact(潜在冲击)Dispersion&coatingThermalbarrierOptical(Visible&UV)barrier(multibillion-dollarbusiness,Kodak)ImagingenhancementInk-JetmaterialsCoatedabrasiveslurriesChemical-mechanicalPolishingSlurries($~billion/yr)Information-recordinglayersTargeteddrugdelivery/geneTherapyMultifunctionalnanocoatingsHighsurfaceareamaterialsMolecularsievesDrugdelivery($13.8billion/yr)Tailoredcatalysts($210billion/yr)Absorption/desorptionmaterialsMoleculespecificsensorsLargehydrocarbonorbacterialFiltersEnergystorageGrautzel-typesolarcellsConsolidatedmaterialsLow-losssoftmagneticMaterialsHighhardness,toughWC/CocuttingtoolsNanocompositecementsSuperplasticformingofCeramicsUltrahigh-strength,toughstructuralmaterialsMagneticrefrigerantsNanofilledpolymercompositesDuctilecementsNano-devicesGMRreadheads(within3yearsmarketincreasedto$20+billion,IBM&HP-mainmanufacturer)TerabitmemoryandmicroprocessingSinglemoleculeDNAsizingandsequencingBiomedicalsensorsLownoise,lowthresholdlasersNanotubesforhighbrightnessdisplayAdditionalBiologicalaspectsBiocatalysisBioelectronicsBioinspiredprosthesesSingle-molecule-sensitiveBiosensorsDesignermolecules/sundae_meng2.奈米尺度下之新特性提供了新的应用契机

(1)2010至2015年间奈米技术市场规模约美金一兆元。

(2)台湾如能占到3%市场即为1兆台币的产值。/sundae_meng3.美国富比士杂志(forbes)

针对奈米科技的实际应用选出了2003十大排行榜

(1)滑雪设备保养腊提升选手的速度外也同时兼具更佳的操控

性/sundae_meng(2)会呼吸的防水雪地

外套透气、防水、而且还不易弄脏(3)防皱/抗沾染服饰布料本身奈米结构所构成的保护层将使得外界的液态脏污无法渗透甚至附着，亦有抗皱能力/sundae_meng(4)深层保养面霜

(5)LCD的替代产品–OLEDs

有机电激发光(organiclight-emittingdiodes；OLEDs)技术具有多项比液晶

(LCD)更优良的特性：亮度更强、更省电、可视角更广。/sundae_meng(6)奈米科技

DVD与书籍介绍/sundae_meng(7)太阳眼镜内部由150nm与20μm厚的特殊材料沉积而成，并在太阳眼镜表面镀上3-10nm

的抗反射层。(8)奈米级防晒用品高防晒系数(sunprotectionfactor；SPF)，且具有阻隔

UVA与UVB的能力。

/sundae_meng(9)高科技网球拍(10)高科技网球

a.1970年代-铝、1980年代-

碳纤、1990年代-钛，目前则是奈米材料。

b.奈米材料所制成的球拍具有比过去材质百倍以上的强度。

c.奈米材质制成的网球有不易变形的更长寿命。(DavisCup指定用球)/sundae_mengIV.奈米生技医学市场

1.奈米生物学(nanobiology)研究与应用

(1)细胞内各种胞器的结构与功能的研究

(2)细胞内外生物物质、能量与讯息传导

的研究

(3)生物反应机制的研究：修复、复制及调控等生物程序

(4)奈米级生物分子工程的发展：分子机器人及奈米讯息处理系统。

/sundae_meng2.医学诊断与监测

(1)分子雷达

a.光学相位差层析技术(OCT)，分辨率可达微米级

b.精密度高，可以更早期诊断出癌组织病变

以每秒2000次完成生物体内活细胞的动态影像，观察活细胞的动态，发觉单一病变细胞

c.不会如CT、X光、核磁共振一样杀死活细

胞

/sundae_meng(2)微小探针技术奈米监测器

3.有机奈米生医材料：

(1)人造皮肤以及实现人工移植动物器官

(2)直接用于治疗各种细胞等级疾病的奈米生物导弹

/sundae_meng4.免疫治疗：

(1)指利用或刺激人体免疫系统(免疫细胞、抗体、细胞激素)以达成治疗免

疫性疾病(癌症、过敏、自体免疫、

感染等)之目的

(2)是最具市场价值之生物科技/sundae_meng5.恶性肿瘤治疗：

(1)找寻有效成分配合放化疗治疗恶性肿瘤

a.可增强放化疗敏感性

b.增加放化疗对肿瘤毒杀效应

c.减轻对人体正常细胞之毒性反应

d.提高机体积能如造血及免疫活性

e.预防复发移转

f.提高生存率及生活质量

/sundae_meng(2)以dextran包覆磁性氧化铁/sundae_meng6.奈米医药应用

(1)奈米级生物药品不会使细菌产生耐药

性

a.遇水对细菌发挥更强的杀伤力，产品的抗菌效果更强

b.吸附力及渗透力强，能深入皮下组织，进行消炎灭菌

c.奈米医药产品可能成为某些抗生素的替代产品/sundae_meng(2)在产业界的应用

a.QuantumDot公司(美国)利用奈米科技侦测比DNA还小的量子分子*当人体有心脏病、中风、感染现象，相关的量子分子就会发亮，而且持续

多天*加上颜色，观察哪些蛋白质和哪些疾病有关，及药物在人体中如何运作/sundae_mengb.C.Sixty公司(加拿大)，利用奈米技术

(fullerenes)成功研发抗爱滋药物阻止HIV病毒扩散，已并用于动物实验

/sundae_mengV.食品添加市场

1.食品添加物

(1)健康食品虽为一般食品，但是在医学临床及研究报告却有疗效。

(2)健康食品管理办法

88年8月实施“