纳米材料的应用.ppt

1、國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,Nano materials-V application,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,I. 奈米材料及技術的應用 1. 在陶瓷領域的應用 (1) 奈米陶瓷指顯微結構中的物相具有 奈米級的陶瓷材料 (2) 有良好韌性，可大幅彎曲而不斷裂 (3) 例如：仿有機結構之無機複合產物,國立宜蘭大學食品

2、科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,2. 在電子學上的應用 (1) 利用奈米粒子的量子效應設計並製備 奈米量子器件 (2) 終極目標是將積體電路縮小，研製由 單原子或單分子構成的各種器件 (3) 如微電子和計算機技術,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,3. 在生物工程上的應用 (1) 生物分子是很好的資訊處理材料 a. 分子是保持物質化學性質不變的

3、最 小單位 b. 生物分子本身就是 一個微型處理器 (2) 如發展分子電腦,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,4. 在光電領域的應用 (1) 利用奈米技術結合微電子與光電子， 使光電器件在光電資訊傳輸、貯存 、處理、運算及顯示等性能大幅提 昇 (2) 發展光學高速數學運算、高速雷射器 (3) 如高性能電極材料，大幅度提高放電 效率,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳

4、輝煌 Hui-Huang Chen,5. 在化工上的應用 (1) 奈米材料的化工性質 a. 奈米粒子比表面積大，光催化效率高 b. 奈米粒子生成的電子、空穴到達表面之前 ，大部分不會重新結合 故可到達的數量多，化學反應活性高 c. 奈米粒子分散在介質中為透明性 可觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半 導體能階結構及表面態密度 (2) 已發展奈米光觸媒、奈米靜電屏蔽材料、 奈米紫外線屏蔽材料(化妝品、食品包材) 、奈米反應器,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(3)

5、 如美容美髮護理劑： a. 奈米氧化鋅粉末性質 * 無毒、無味、對皮膚無刺激性、分解、不 變質、熱穩定性好 * 本身為白色，可以簡單地以著色 * 具有很強的吸收紫外線的功能，對UVA和 UVB均有屏蔽作用 * 具有滲透、修復功能 b. 奈米氧化鋅粉末的應用 適用於作美容美髮護理劑中的活性因子 * 大幅度提高護理效果 * 還可避免因紫外線輻射造成對皮膚的傷害,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(4) 奈米化妝品： a. Nanocapsule * 奈米碳球(130

6、600nm)所製成的化妝品 * 結構非常微小，很快滲透進入皮膚內層 * 材料是生物相容性的聚合物 * 實務製作上仍有技術上的困難,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,b. Nanoparitcle * 表面效應 - 當金屬或化學原料的大小改變時， 性質也會改變 - 表面積越大，金屬作為觸媒的化學 作用會更有效率,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huan

7、g Chen,* ZnO2或TiO2 - 使用ZnO2(過氧化鋅)或TiO2(二氧化 鈦)製成80-100nm大小奈米粒子製 作防曬乳液,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,- 和一般利用有機分子形成紫外線隔離 層之防曬乳液的差異 i 可以有效隔離紫外線 ii 不會對敏感性皮膚造成過敏 iii 透光性 iv 奈米粒子越小，防曬效果越好 15-20nm的奈米粒子是奈米防曬乳液 的極限,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Dep

8、artment of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,圖 花粉負離子奈米保濕水,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,c. Micro ElectroMechanical Systems 奈米大小的皮膚偵測系統 * 包含偵測儀、機電系統與含醫學資訊的軟體 * 與手腕皮膚的接觸，它會很快地分析出適合 該皮膚使用的保養品 d. Nanorobotor * 利用奈米機器人製作成染髮劑、洗髮精 * 操作頭髮生長的快慢 * 變色唇膏,國立宜蘭大

9、學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,6. 在醫學上的應用 (1) 研究生物大分子的精細結構及功能 獲取生命資訊，進行診斷或治療 (2) 疾病檢測指示劑 奈米粒子微細結構使其對環境中的 化學或物理指標的變化極為敏感,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(3) 奈米導向劑 將以奈米磁性顆粒為載體的藥物注 入人體後，藥物在外磁場的作用下 會聚集於體內

10、的局部 (4) 其他如分子機器人、生物導彈及其 他奈米生醫材料,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,7. 在分子組裝上的應用 (1) 奈米材料的發展分為三個階段 a. 製備奈米粒子、合成塊體、評估表 徵、探索特殊性質 b. 設計奈米複合材料 c. 分子組裝等 (2) 奈米級微粒的尺寸大小及均勻程度 仍是技術瓶頸,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huan

11、g Chen,8. 在其他領域上的應用 (1) 生物技術-如抗菌劑： a. 奈米氧化鋅粉末在陽光(尤其在紫外 線)的照射下，在水和空氣中能自行 分解出自由移動的帶負電的電子（e- ），同時留下帶正電的空穴（H+） b. 空穴激活空氣中的氧變為活性氧(有 極強的化學活性)，能與多種有機物 發生氧化反應（包括細菌內的有機 物），把大多數病菌和病毒殺死,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,c. 殺菌效果：奈米氧化鋅的濃度為1%時， 在5分鐘內金黃色葡萄球菌的殺菌率為 9

12、8.86%，大腸桿菌的殺菌率為99.93%。,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(2) 奈米洗衣機、抗菌衣：抗菌效果可達99.9% a. 洗衣機內部塗上一層奈米材料可抑制黴菌 的生長 b. 奈米層狀銀系無機抗菌防黴母粒與纖維， 具有抗菌功效，如大腸桿菌及金黃葡萄球 菌的抗菌效果都達到99.9%，對淋病及肝 炎病毒的預防有很大功效 c. 可製成抗菌衣物，也能用在家電製品、日 用品、文具、玩具、醫療用品及建築材料 等,國立宜蘭大學食品科學系 National Ila

13、n University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,奈米銀抗菌機制 破壞細菌細胞膜，或強烈吸引細菌體中蛋白的硫氫基並迅速結合，降低細菌原生物的酵素活性，產生抗菌作用；同時藉由緩釋銀離子，發揮持久的抗菌效果,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,奈米銀殺菌作用與一般抗生素藥物之比較表,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Sc

14、ience,陳輝煌 Hui-Huang Chen,表 奈米銀對致病(食品)菌之抗菌作用,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(3) 奈米保健食品：可降低自由基的活性 a. 科學家最早投入研發的奈米保健食品 是奈米硒（Se） b. 奈米硒具有高生物活性、高純度、穩 定性 c. 奈米硒去除自由基的活性為無機硒的 五倍，在免疫調節及抑制腫瘤的靈敏 度上，也比有機硒提高許多,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department

15、of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(4) 奈米過濾(nano-filtration) NF為介於RO及UF之間的過濾方式 ，常用於除礦化(demineralization)和 濃縮去除分子量在100500的物質,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(5) 軍事領域-如吸波材料： 奈米金屬粉末對電磁波有特殊的吸 收作用 a. 可作為軍用高性能毫米波隱形材料 b. 可見光-紅外線隱形材料和結構式隱 形材料 c. 手機輻射屏蔽材料,I

16、I. 我國奈米技術產業化近況,表VI-3 奈米材料技術商品化時程圖,表VI-4 工研院奈米技術開發成果表,表V-5 國內已經利用奈米技術開發的產品與公司一覽表,III. 展望,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,2. 奈米尺度下之新特性提供了新的 應用契機 (1) 2010至2015年間奈米技術市場規模 約美金一兆元。 (2) 台灣如能佔到3%市場即為1兆台幣 的產值。,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Departmen

17、t of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,3. 美國富比士雜誌(forbes) 針對奈米科技的實際應 用選出了2003十大排行 榜 (1) 滑雪設備保養臘 提升選手的速度外也 同時兼具更佳的操控 性,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(2) 會呼吸的防水雪地 外套 透氣、防水、而且 還不易弄髒,(3) 防皺/抗沾染服飾 布料本身奈米結構 所構成的保護層將 使得外界的液態髒 污無法滲透甚至附 著，亦有抗皺能力,國立宜蘭大學食品科學系

18、 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(4) 深層保養面霜,(5) LCD的替代產品 OLEDs 有機電激發光(organic light-emitting diodes；OLEDs)技術具有多項比液晶 (LCD)更優良的特性：亮度更強、更 省電、可視角更廣。,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(6) 奈米科技 DVD與 書籍介紹,國立宜蘭大學食品科學系

19、National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(7) 太陽眼鏡 內部由150nm與20m厚的 特殊材料沉積而成，並在 太陽眼鏡表面鍍上3-10nm 的抗反射層。 (8) 奈米級防曬用品 高防曬係數(sun protection factor；SPF)，且具有阻隔 UVA與UVB的能力。,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(9) 高科技網球拍 (10) 高科技網球 a

20、. 1970年代-鋁、1980年代- 碳纖、1990年代-鈦，目 前則是奈米材料。 b. 奈米材料所製成的球拍 具有比過去材質百倍以 上的強度。 c. 奈米材質製成的網球有 不易變形的更長壽命。(Davis Cup指定用球),國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,IV. 奈米生技醫學市場 1. 奈米生物學(nanobiology)研究與應用 (1) 細胞內各種胞器的結構與功能的研究 (2) 細胞內外生物物質、能量與訊息傳導 的研究 (3) 生物反應機制的研究：修復、

21、複製及 調控等生物程序 (4) 奈米級生物分子工程的發展：分子機 器人及奈米訊息處理系統。,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,2. 醫學診斷與監測 (1) 分子雷達 a. 光學相位差層析技術(OCT)，分辨率可達微 米級 b. 精密度高，可以更早期診斷出癌組織病變 以每秒2000次完成生物體內活細胞的動態 影像，觀察活細胞的動態，發覺單一病變 細胞 c. 不會如CT、X光、核磁共振一樣殺死活細 胞,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan Univer

22、sity, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(2) 微小探針技術 奈米監測器 3. 有機奈米生醫材料： (1) 人造皮膚以及實現人工移植動物器官 (2) 直接用於治療各種細胞等級疾病的奈 米生物導彈,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,4. 免疫治療： (1) 指利用或刺激人體免疫系統(免疫細 胞、抗體、細胞激素)以達成治療免 疫性疾病(癌症、過敏、自體免疫、 感染等)之目的 (2) 是最具市場價值之生物

23、科技,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,5. 惡性腫瘤治療： (1) 找尋有效成分配合放化療治療惡性腫瘤 a. 可增強放化療敏感性 b. 增加放化療對腫瘤毒殺效應 c. 減輕對人體正常細胞之毒性反應 d. 提高機體積能如造血及免疫活性 e. 預防復發移轉 f. 提高生存率及生活品質,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(2) 以de

24、xtran包覆磁性氧化鐵,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,6. 奈米醫藥應用 (1) 奈米級生物藥品不會使細菌產生耐藥 性 a. 遇水對細菌發揮更強的殺傷力，產品 的抗菌效果更強 b. 吸附力及滲透力強，能深入皮下組織 ，進行消炎滅菌 c. 奈米醫藥產品可能成為某些抗生素的 替代產品,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,(2) 在

25、產業界的應用 a. Quantum Dot公司(美國)利用奈米科技 偵測比DNA還小的量子分子 * 當人體有心臟病、中風、感染現象， 相關的量子分子就會發亮，而且持續 多天 * 加上顏色，觀察哪些蛋白質和哪些疾 病有關，及藥物在人體中如何運作,b. C. Sixty公司(加拿大)，利用奈米技術 (fullerenes)成功研發抗愛滋藥物 阻止HIV病毒擴散，已並用於動物實驗,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Department of Food Science,陳輝煌 Hui-Huang Chen,V. 食品添加市場 1. 食品添加物 (1) 健康食品 雖為一般食品，但是在醫學臨床及研究 報告卻有療效。 (2) 健康食品管理辦法 88年8月實施“健康食品管理辦法”，每年 有400億的健康食品市場。 (3) 營養保健食品市場潛力 美國、日本、大陸等國的健康食品項目 達數千種。,國立宜蘭大學食品科學系 National Ilan University, Depar