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肝根寇
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1 篇名 : 淺談奈米科技之應用作者 : 王俊凱台南市私立瀛海高級中學二年一班指導老師 : 潘淑媛老師 1

2 壹前言奈米科技是指研究奈米級大小的技術與產品, 是極微小化的科技, 所涵蓋領域甚廣, 從基礎科學橫跨應用科學, 包括物理化學材料光電生物及醫藥等在產業方面, 則從民生消費性產業到尖端的高科技領域, 無不在發展奈米科技的相關應用已開發及待開發的應用不勝枚舉, 本論文所說明的僅是冰山一角而已本論文將針對奈米科技於材料能源環保資訊生技日常生活等等的應用加以說明由於奈米科技已成功的應用在日常生活上, 有鑒於大部份人們對於奈米科技的應用不甚清楚, 因此藉由此論文的研究期望使人們對於奈米科技的瞭解有所幫助貳正文一奈米科技概論 01. 奈米何謂奈米 (nanometer, nm)? 1 奈米等於 10 9 公尺 ( 十億分之一公尺 ), 相當於 10 埃 (A) 1 奈米大約是 2~3 個金屬原子, 或六個碳原子, 或 10 個氫原子排列在一起的寬度奈米科技是研究由尺寸在 0.1~100 nm 之間的物質組成的體系的運動規律和相互作用, 以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術自然界其實蘊藏著許多奈米科技的概念除了蓮花的疏水性奈米尺寸的纖毛, 具有自潔的功能 ; 鯨魚及海豚的皮膚擁有奈米尺寸的孔洞, 也有自潔的功能, 不但可以防止有害微生物的附著, 還可減少游行所產生的摩擦力另外, 像昆蟲在飛行時, 必須保持翅膀的平衡, 如果有一點點的灰塵沾上, 都會造成飛行上的問題因此, 有些翅膀較長的昆蟲, 其翅膀上也有奈米尺寸的結構, 具有自潔的效果還有蛾, 眼睛具有奈米尺寸的纖毛, 可減少光的反射, 飛行時不易被敵人發現 ; 此外, 還有許許多多的例子, 科學家們也已經運用這些原理, 發展出許多不同的產品奈米科技主要包括 (1) 奈米材料學 (2) 奈米化學 (3) 奈米體系物理學 (4) 奈米生物學 (5) 奈米電子學 (6) 奈米力學及 (7) 奈米加工學 ( 註一 ) 02. 奈米材料的特異性奈米科技就是將原子或分子組合成新的奈米結構, 並以其為砌塊 (building block)( 有蛋白質高分子及奈米碳管 ) 來設計製作組裝成新的材料元件或系統, 奈米結構的大小約 1~100 nm, 介於分子與 2

3 次微米結構之間, 元件的基本構造縮小到奈米程度, 不僅本身更小, 其量子效應 [ 亦即波 - 粒二象性 (wave-particle duality)] 也不容忽視, 它的許多物性均會改變, 如質量變輕體積縮小曲度變大表面積增加, 更重要的是導熱度 ( 銅的一百倍 ) 與導電性 ( 銅的一百萬倍 ) 增加, 連磁性也改變, 還具備高表面 / 體積比高密度堆積的潛力以及高結構組合彈性等特性 ( 如表一 ) ( 註二 ) 表一奈米材料與一般材料的不同性質結構機械光電磁不同處相變化的控制反應和燒結溫度低顯微組織控制形狀控制晶粒小至 20 ~ 100 nm, 強度約增加 5 倍超硬亮度約增加 10 倍基本導電性質改變新的超順鐵磁材料二奈米科技產品之應用目前上市的奈米科技產品大致可分為基礎材料化妝品醫療領域塑橡膠產品磁記錄媒體家電產品運動器材金屬產品纖維產品建材等等 ( 如表二 ) 表二奈米科技產品之應用領域奈米之特殊性能用途力學高強度高硬度塗膜陶瓷增韌性超塑性耐磨耗光學光學纖維光反射折射吸收電波隱形發光材料化學物理特性研磨拋光助燃劑阻燃劑油墨潤滑劑磁性磁流體磁記錄永磁材料磁儲存智慧型藥物電學導電材料電極壓敏電阻靜電遮蔽超導體化學催化化學反應催化劑熱學耐熱材料導熱材料隔熱材料低溫燒結材料感測性能偵測濕度溫度氣體等感應材料能源電池材料鋰電池燃料電池儲氫材料環保空氣清靜消毒污水處理廢棄物處理醫學細胞分離染色消毒殺菌藥物載體醫療診斷 01. 奈米科技於材料之應用 3

4 Au 超微粒子對光外光範圍的吸收率很高, 在基板上沈積一層 Au 超微粒子膜可作為紅外線感測器 ( 如圖一所示 ), 當膜厚達到 500μg/cm 2 以上時, 可吸收 95% 的光大量紅外光被金膜吸收後轉變成熱, 由膜與冷接點之間的溫差可測出溫差電動勢, 可製成輻射熱測量器圖一紅外線感測器 02. 奈米科技於能源之應用電池用奈米隔離膜, 有了這種奈米結構, 使得處理過的隔離膜, 即使經過長時間的庫存置放, 對於二次電池用的電解液, 仍然保有很好的潤濕性在電池的組裝製程中, 它可以快速吸附大量的電解液, 並直接接觸在所有不織布的纖維表面, 使得離子可以在陰極與陽極之間快速而有效的移動, 降低電池內阻, 並提高電池的循環壽命 ( 如圖二所示 ) 圖二使用奈米孔洞隔離膜之電池結構 4

5 03. 奈米科技於環保之應用奈米光觸媒被用在空氣清淨機 ( 圖三 ) 冷氣機風扇中部分有機氣體帶有臭味, 濃度很低時即會使人產生不愉快的感覺這些惡臭物包括氨硫化氫乙醛苯乙烯等使用光觸媒的空氣清淨機後, 這些惡臭物質因光觸媒的強氧化能力而分解, 消除了惡臭物質, 也減少了揮發性有機物質的存在圖三兩段式之奈米二氧化鈦光觸媒及貴重金屬觸媒反應器 2,500 ppm 甲苯 ( ),20 ppm 排氣 04. 奈米科技於光電資訊之應用傳統的映像管電視體積大又過於笨重, 如何順利移動它, 一直是令人頭痛的問題, 為了解決傳統映像管電視體積過大的問題, 電視機廠商推出了液晶電視電漿電視, 液晶電視及電漿電視比傳統映像管電視輕薄許多, 但是, 研發中的奈米碳管顯示器的功能又比目前的液晶電視及電漿電視優異許多奈米碳管具備了優異的場發射特性, 因此陰極由無數的奈米碳管組成的奈米碳管顯示器, 雖然有著相當大的尺寸畫面, 但它還是可以薄如壁畫事實上, 奈米碳管顯示器 ( 圖四 ) 的厚度, 可以小於 1 公分以內利用新製法製造的奈米碳管平面顯示器可以在厚度上與重量上輕薄短小, 但可以有著很大的面板, 而且還具備了高解析度無幅射低耗電量等優點 ( 註三 ) 5

6 圖四奈米碳管顯示器 05. 奈米科技於民生用品之應用蓮的出污泥而不染, 就是一個大自然中奈米科技的典型例子蓮葉表面上有許多微米 (μm) 級的突起, 突起上有許多奈米級的親油性絨毛, 水滴在上面會滾動而不沾附, 並把塵埃帶走, 這種結構造就了蓮花的特性運用這個觀念, 發展出特殊的表面處理技術, 應用於衣料化妝品運動器材家具廚浴設備醫療等, 已經與大眾的生活息息相關 ( 註四 ) (1). 奈米衣料紡織業運用奈米技術製作出來的奈米產品, 主要是將奈米粒子加到衣料上面, 根據所加的奈米粒子種類之不同, 製作出各種不同功能的奈米衣料在奈米遠紅外線鞋墊的皮鞋 ( 圖五 ) 奈米襪部份, 目前市面上販賣的產品, 主要是除臭抗菌的奈米鞋墊及奈米襪奈米鞋襪加入奈米遠紅外線奈米光觸媒及奈米銀等奈米粒子, 就可做出具備抗菌乾爽按摩功效的奈米鞋襪 ( 註五 ) 6

7 圖五奈米遠紅外線鞋墊的皮鞋 (2). 奈米化妝品近年來, 奈米化妝品如雨後春筍般出現, 到底什麼是奈米化妝品? 奈米化妝品指的就是利用奈米技術研發生產出來的化妝品常見的奈米化妝品有奈米防曬劑奈米保養品奈米保養品 ( 圖六 ) 種類很多, 較常見的有奈米膠原蛋白奈米珍珠粉等奈米保養品一般是將保養品的成分奈米化, 因為保養品很難被皮膚吸收, 真正能夠滲透進入皮膚裡的有效成份不到實際的萬分之一如果將化妝品奈米化, 就能夠滲透進入皮膚內層, 加強護膚的效果目前已有幾家化妝品公司成功的將成分縮小化, 並且將保養品包覆在如奈米碳球這種微小的空心膠囊中, 奈米碳球可使包覆在裡面的保養成分 ( 如維它命 C 及 E) 不受氧化, 還可將保養品帶到真皮層圖六奈米化保養品 7

8 (3). 奈米運動器材運動是一種超越極限的藝術, 好的運動員需要搭配更好的運動器材, 奈米運動器材將提供選手超越極限的機會奈米高爾夫球桿 ( 圖七 ), 是在桿頭表面鍍上人工鑽石薄膜, 在顯微鏡下, 一般的高爾夫球杆杆頭看起來是凹凸不平的, 奈米級粒子將看來凹凸不平的桿頭鋪平, 使桿頭變得既堅硬又平滑圖七鍍上一層人工鑽石薄膜的奈米高爾夫球杆 (4). 奈米建材近年來國內業者, 運用奈米科技開發了很多奈米建材, 如 : 奈米磁磚奈米玻璃奈米塗料等, 都是具有自潔或抗菌功能的建材常見的奈米自潔磚與自潔玻璃 ( 圖八 ) 可以分為兩類, 一類是利用蓮葉效應, 在玻璃與磁磚表面加上疏水性的奈米粒子, 如此一來, 磁磚與玻璃表面就具有奈米結構, 因而不容易沾塵污, 且下雨時水珠輕易滾落, 並將髒污一起帶走, 形成自潔的效果另一類奈米自潔磚與自潔玻璃, 是在其表面加上奈米光觸媒 ( 常見的是二氧化鈦光觸媒 ) 由於二氧化鈦光觸媒在光照射後具有相當強的親水性, 形成一層水膜, 灰塵幾乎沾附在水膜表面, 而不是直接沾附在自潔建材, 髒污就很容易在下雨時將跟著雨水一起離開, 除此之外, 奈米光觸媒在陽光 ( 紫外線 ) 照射下, 產生自由基, 這些自由基會破壞分子結構產生自潔殺菌與除臭的功能 ( 註五 ) 8

9 圖八奈米自潔磚與玻璃原理圖另一種常見的奈米建材是奈米漆 ( 圖九 ), 與奈米自潔磚自潔玻璃類似, 有的用疏水奈米漆的蓮葉效應, 達到不沾塵不沾油的自潔效果 ; 有的是在水性漆裡面加奈米光觸媒粒子, 達到自潔抗菌除臭效果奈米馬桶及奈米鏡面 ( 圖十 ), 都是蓮葉效應的應用, 其中以奈米馬桶最叫好, 先進國家廁所的設備都很現代化, 但不管怎麼先進, 清理廁所時, 還是要掩住口鼻暫停呼吸, 正因如此, 號稱不用刷子刷的奈米馬桶問世了一般的馬桶看起很光亮, 摸起來很光滑, 但實際上在高倍顯微鏡下, 它是凹凹凸凸不平的, 所以使用一段時間之後, 很容易藏污納垢, 因此如何保持馬桶乾淨是令人費心的事, 奈米馬桶是蓮葉效應的應用, 業者開發出來奈米級的釉料, 在馬桶上塗上奈米材料, 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沖一沖馬桶, 就可以使馬桶清潔溜溜了由於室內缺乏光線水氣充足, 容易滋生細菌, 因此一些業者, 也在衛浴設備中添加奈米銀來殺菌圖九奈米光觸媒水性漆 9

10 圖十奈米馬桶在壓克力中加入奈米顆粒的奈米浴缸奈米臉盆 06. 奈米科技於醫療之應用科學家正研究將奈米材料應用在藥物檢驗及治療方面, 目前已有不錯的發現在藥物方面, 科學家發現將藥物奈米化後, 比較能夠被小腸絨毛吸收, 藥效可更佳如果將中藥奈米化, 預期吸收效果較好科學家也發現, 使用巴克球治療愛滋病, 可以抑制愛滋病毒增生在檢驗方面, 運用奈米金粒子, 在婦女懷孕初期, 就可以從婦女血液中分離出胎兒的細胞, 可取代羊膜穿刺, 用來判斷胎兒是否有先天缺陷另外, 亦有以奈米磁性粒子應用在癌症或其他病症的診斷上例如 : 利用奈米氧化磁粒子做為顯影劑, 比傳統顯影劑有更明確的效果 ( 註五 ) 參結論奈米科技和我們生活息息相關, 奈米科技具有許多人不知道的功力, 在我們日常生活中, 有許多食物日常用品藥品衣料材料和油料需要借助奈米科技才能製成奈米科技在近幾年之發展極其迅速, 已經由奈米材料的合成和其物理與化學特性的觀察, 而逐漸擴展至設計製造和組合出具複雜構造的奈米元件我們可以樂觀的預期奈米科技將會很快的發展成為一項新興的產業技術由於我們深信奈米科技將是 21 世紀初期最重要且影響深遠的科技之一, 對於生活經濟社會與環境的影響具有決定性的影響奈米科技也是攸關台灣未來二十年經濟發展的關鍵產業技術, 對於我國在經濟發展的往上提升或向下沈淪具有關鍵性的決定力量, 因此本論文之目的即在於讓人們了解奈米科技之應用, 並期待人們對奈米科技產品有深一層瞭解 10

11 肆引註資料註一 : 徐世昌奈米科技的應用科學發展 2002 年 6 月 354 期 P. 60~63 註二 : 蔡信行孫光中奈米科技導論 ( 台灣 : 新文京開發出版股份有限公司,93 年 ) P. 144 ~ 160 註三 : 奇摩知識 + (2009/03/12) 註四 : 葉安義奈米科技與食品科學發展 2007 年 10 月 418 期 P. 42~47 註五 : 奇摩知識 + (2009/03/12) 圖一紅外線感測器蔡信行孫光中奈米科技導論 ( 台灣 : 新文京開發出版股份有限公司,93 年 ) p. 160 圖二使用奈米孔洞隔離膜之電池結構蔡信行孫光中奈米科技導論 ( 台灣 : 新文京開發出版股份有限公司,93 年 ) p. 159 圖三兩段式之奈米二氧化鈦光觸媒及貴重金屬觸媒反應器蔡信行孫光中奈米科技導論 ( 台灣 : 新文京開發出版股份有限公司,93 年 ) p. 346 圖四奈米碳管顯示器奇摩知識 +: (2009/03/12) 圖五奈米遠紅外線鞋墊的皮鞋奇摩知識 +: (2009/03/12) 圖六奈米化保養品奇摩知識 +: (2009/03/12) 圖七鍍上一層人工鑽石薄膜的奈米高爾夫球杆奇摩知識 +: (2009/03/12) 圖八奈米自潔磚與玻璃原理圖奇摩知識 +: (2009/03/12) 圖九奈米光觸媒水性漆奇摩知識 +: (2009/03/12) 圖十奈米馬桶在壓克力中加入奈米顆粒的奈米浴缸奈米臉盆奇摩知識 +: (2009/03/12) 11

CO 2 以鄰為壑的台灣建築產業

6 20114460台灣綠建築政策的成就台灣的建築產業消耗了大量的水泥, 也排放了很多的營建廢棄物, 建築物的壽命卻嚴重偏低建築的環保時代已來臨 1992 199212United Nations Commission on Sustainable Development, UNCSD1998 1996 CO 2 以鄰為壑的台灣建築產業 27.22 34 1 6 20114460 7 8 201144604