奈米材料簡介

奈 米 的 概 念 Source: 科 資 中 心 - 奈 米 科 學 與 技 術 導 論

奈 米 (Nanometer) 人 高 1 奈 米 (nanometer) = 十 億 分 之 1 米 ( 10-9 m) 針 頭 紅 血 球 分 子 及 DNA 氫 原 子 100 萬 奈 米 1 千 奈 米 20 億 奈 米 1 奈 米 0.1 奈 米

奈 米 科 技 是 個 新 名 詞, 卻 不 是 新 領 域 自 然 界 的 奈 米 科 技 : 植 物 中 用 來 進 行 光 合 作 用 的 細 胞

奈 米 材 料 之 簡 介 奈 米 級 (Nano-scal): 1~100 nm 奈 米 材 料 定 義 : 微 結 構 中, 晶 粒 大 小 尺 寸 為 奈 米 級 材 料 之 尺 寸, 如 厚 度 寬 度 或 直 徑 等 為 奈 米 級 奈 米 材 料 的 特 性 材 料 表 面 與 界 面 效 應 小 尺 寸 效 應 量 子 尺 寸 效 應 宏 觀 量 子 隧 道 效 應 宏 觀 物 理 性 能 高 強 度 和 高 韌 性 高 熱 膨 脹 系 數 高 比 熱 和 低 熔 點 導 電 率 和 磁 化 率

奈 米 材 料 的 表 面 特 性 奈 米 微 粒 直 徑 (nm) 微 粒 內 總 原 子 數 ( 表 面 原 子 / 總 原 子 數 )x100(%) 10 4 2 1 3 x 10 4 4 x 10 3 2.5 x 10 2 30 20 40 80 99

人 類 社 會 的 發 展 階 段 世 代 區 分 使 用 的 尺 寸 單 位 技 術 與 工 具 農 業 時 代 c m ( 公 分 ) 農 業 工 具 工 業 革 命 m m ( 毫 米 ) 機 械 設 備 微 電 子 時 代 µ m ( 微 米 ) i c 電 子 元 件 二 十 一 世 紀 n m ( 奈 米 ) 分 子 技 術

奈 米 材 料 的 應 用 和 傳 統 材 料 的 思 路 沒 有 兩 樣, 主 要 取 決 於 物 性 的 展 現 與 貢 獻 換 言 之, 端 視 其 在 聲 光 電 磁 熱 力 生 化 等 領 域 的 用 途 上 呈 現 傑 出 的 性 能 為 人 類 創 造 文 明, 或 是 人 類 文 明 提 昇 上 的 需 求 奈 米 材 料 的 應 用 範 疇 相 當 廣 泛, 由 於 各 種 不 同 的 奈 米 材 料 具 備 各 自 的 獨 特 效 應 因 而 導 致 其 處 在 外 場 ( 如 電 場 磁 場 ) 的 作 用 下, 會 呈 現 不 同 的 特 異 性 能, 可 應 用 於 高 性 能 催 化 劑 超 導 材 料 發 光 材 料 特 殊 塗 料 電 子 元 件 以 及 醫 用 材 料 等 經 濟 價 值 相 當 高 的 領 域 方 面

奈 米 材 料 和 技 術 的 應 用 前 景

奈 米 科 技 應 用 的 超 微 小 特 性, 彷 如 西 遊 記 中 孫 悟 空 縮 小 去 辦 事 無 往 不 利 奈 米 生 物 科 技 會 像 電 影 驚 異 大 奇 航 (Inner Space) 一 樣, 讓 微 小 機 器 在 人 體 內 檢 測 治 療

奈 米 技 術 最 驚 人 的, 是 透 過 對 物 質 極 微 細 尺 寸 的 操 縱, 技 術 上 已 經 能 直 接 移 動 原 子 如 果 可 以 隨 意 操 縱 組 成 物 質 的 原 子, 就 能 任 意 改 變 創 造 物 質 當 人 類 完 全 掌 握 奈 米 技 術 時, 就 如 同 找 到 點 石 成 金 的 仙 女 棒

仿 生 物 奈 米 材 料 奈 米 結 構 所 造 成 的 蓮 花 效 應 蜜 蜂 的 導 航 系 統 螃 蟹 的 橫 行 霸 道

奈 米 陶 瓷 材 料 在 科 技 領 域 的 應 用 方 向 高 效 率 / 新 型 能 源 轉 換 材 料 光 - 電 / 熱 - 電 能 源 轉 換 材 料, 儲 氫 / 電 池 材 料 奈 米 陶 瓷 光 學 薄 膜 提 高 透 光 率 例 如 TFT-LCD PDP 透 明 導 電 板 環 保 材 料 光 觸 媒 殺 菌 自 淨 功 能 環 境 減 污 材 料 奈 米 陶 瓷 材 料 的 機 械 應 用 超 硬 切 削 刀 具 鍍 膜 抗 衝 擊 抗 磨 耗 耐 高 溫 機 械 汽 車 零 組 件

採 集 荷 葉 水 芙 蓉 榕 樹 姑 婆 芋 四 種 植 物 樣 本, 來 探 討 蓮 花 的 超 疏 水 效 應 和 表 面 結 構 間 的 關 係 四 種 植 物 樣 本 如 左 圖 所 示 其 中 荷 葉 和 和 水 芙 蓉 具 有 超 疏 水 性, 榕 樹 和 姑 婆 芋 的 親 水 性 較 強

利 用 接 觸 角 大 小 來 判 斷 植 物 樣 本 疏 水 性 大 小

雖 然 水 芙 蓉 的 接 觸 角 比 荷 葉 小, 但 實 際 動 態 觀 察 時, 水 芙 蓉 的 疏 水 性 比 荷 葉 好 所 謂 動 態 觀 察, 即 是 將 葉 面 和 水 平 成 一 固 定 角 度 傾 斜, 以 觀 察 液 滴 滑 動 的 情 形

世 界 上 最 小 的 吉 他, 全 長 10 m 含 六 根 絃, 每 根 50nm 寬

中 國 古 代 鑄 劍 大 師, 可 能 已 經 創 造 奈 米 晶 體 結 構, 使 得 凡 鐵 鑄 成 的 寶 劍 既 不 鏽 蝕, 又 能 削 鐵 如 泥

奈 米 銅 材 銅 是 良 導 體, 而 奈 米 銅 是 絕 緣 體 奈 米 瓷 材 瓷 器 是 易 碎 品, 而 奈 米 瓷 器 材 料 可 在 室 溫 下 任 意 彎 曲 奈 米 碳 管 奈 米 碳 管 的 強 度 是 鋼 的 100 倍

奈 米 尺 寸 元 件 的 優 點 需 要 的 材 料 少 用 於 製 造 的 能 量 低 運 轉 的 耗 能 低 對 環 境 的 破 壞 小 具 有 新 的 性 能 功 能 密 度 增 高 運 轉 速 度 加 快 安 全 性 增 加

奈 米 陶 瓷 材 料 的 特 殊 製 程 用 奈 米 微 粒 燒 結 而 成 的 奈 米 陶 瓷 材 料,( 如 Si 3 N 4 Al 2 O 3 ZrO 2 SiC 等 ) 具 有 高 強 度 和 高 韌 性, 且 其 他 之 機 械 性 質 也 可 得 到 明 顯 的 改 善, 因 為 奈 米 陶 瓷 的 晶 粒 細 化, 晶 界 數 量 大 幅 度 增 加, 使 得 陶 瓷 的 強 度 韌 性 和 超 塑 性 大 為 提 昇, 同 時, 其 電 磁 光 熱 等 應 用 性 能 也 都 可 能 發 生 極 大 的 變 化 奈 米 超 微 顆 粒 材 料 的 製 備 物 理 製 備 方 法 真 空 冷 凝 法 物 理 粉 碎 法 機 械 球 磨 法 化 學 製 備 方 法 氣 相 沉 積 法 化 學 沉 澱 法 水 熱 合 成 法 溶 膠 凝 膠 法 微 乳 液 法

奈 米 顆 粒 之 分 散 1. 急 速 凍 結 2. 分 散 劑 3. 高 能 量 分 散

奈 米 複 合 陶 瓷 材 料 第 二 相 之 強 韌 化 的 機 制 細 組 織 抑 制 晶 粒 成 長 和 促 進 異 常 晶 粒 的 長 大 微 裂 紋 可 使 破 壞 韌 性 提 高 1~3 倍 晶 粒 內 產 生 次 晶 界, 使 基 體 再 細 化 而 產 生 增 強 作 用 殘 留 應 力 的 產 生 使 晶 粒 內 的 破 壞 成 為 主 要 形 式 高 溫 時 阻 止 差 排 移 動, 提 高 耐 高 溫 性 能 控 制 彈 性 模 數 熱 膨 脹 係 數 等 可 改 善 材 料 的 強 度 和 韌 性 等

超 塑 性 奈 米 陶 瓷 材 料 ZrO 2 ( 粒 徑 < 300 nm) + Y 2 O 3 穩 定 劑 所 製 成 的 奈 米 陶 瓷 顆 粒 的 超 塑 性 達 到 800 % ZrO 2 ( 粒 徑 <300 nm) + Y 2 O 3 穩 定 劑 + 20 % Al 2 O 3 ( 助 燒 結 劑 ) 製 成 平 均 粒 徑 為 500 nm 的 陶 瓷 材 料 陶 瓷 超 塑 性 達 到 200 % ~ 500 %

抗 污 陶 瓷 產 品 具 有 超 平 滑 表 面 ( 奈 米 級 ) 強 化 表 面 負 電 斥 力 來 排 斥 帶 負 電 的 污 物

奈 米 馬 桶 ( 釉 料 ): 不 沾 污 垢 自 潔 功 能 奈 米 涼 風 扇 : 涼 風 除 臭 & 殺 菌

奈米TiO2 - 最佳的光觸媒原料 奈米TiO2是最常 用來製作光觸媒的物質(觸媒是一種化學物質 亦 即催化劑 觸媒可以促使化學反應發生 或加速 反應的速度 而光觸媒(Photo catalysis) 就是 經過光的照射 可以促進化學反應的物質) TiO2 粒子除了具有奈米材料的特點外 還具有光催化 性能 奈米TiO2 - 最佳的環境清淨利器 因為光觸媒最 擅長於處理空氣中極低濃度的有害化學物質 況 且本身不會釋出有害物質 因此是極優異的環境 淨化用觸媒 光觸媒可以產生消臭 殺菌 抗菌 防污和除去有害物質等等功能 比臭氧 O3 負離子更有氧化能力 又比活性碳有更強的吸附 力 同時並能分解細菌 把這些機能應用於生活 中 是目前研究和開發光觸媒的最大目的

奈 米 化 妝 品 - 包 括 珍 珠 乳 液 除 皺 乳 液 防 曬 乳 液 等 利 用 光 通 過 高 折 射 率 奈 米 粒 子 的 部 分 吸 收 與 漫 射, 使 反 射 光 呈 現 珍 珠 般 色 澤, 或 增 加 光 反 射 量 來 淡 化 皺 紋

奈 米 線 的 應 用 奈 米 線 舉 例 如 下 圖 所 示, 是 以 具 有 優 異 的 光 學 電 學 力 學 性 能 等 為 特 徵, 特 別 是 屬 於 半 導 體 和 金 屬 者 具 廣 泛 應 用 潛 力

奈 米 線 的 應 用

奈 米 結 構 材 料 的 應 用 廣 義 的 奈 米 結 構 材 料 包 括 奈 米 多 孔 (nanoporous) 材 料 及 表 面 有 奈 米 凹 击 面 的 材 料 奈 米 多 孔 材 料 具 有 一 定 的 孔 隙 率, 且 其 孔 徑 大 小 為 奈 米 級, 因 此 有 相 當 高 的 比 表 面 積 及 充 當 分 子 篩 的 能 力, 可 應 用 於 催 化 分 離 及 感 測 等 方 面 利 用 表 面 形 成 的 奈 米 凹 击 結 構 製 作 潑 水 性 塗 層 是 另 一 項 用 途 廣 泛 的 技 術, 以 具 自 組 裝 能 力 有 機 材 料 製 作 塗 料, 均 勻 披 覆 物 體 表 面 經 乾 燥 後 形 成 如 蓮 花 表 面 的 奈 米 結 構, 以 獲 得 疏 水 性 或 潑 水 性 效 果

高 效 率 奈 米 淨 水 設 備 新 型 的 奈 米 級 淨 水 劑 具 有 很 強 的 吸 附 能 力, 其 吸 附 力 是 普 通 淨 水 劑 的 10~20 倍, 可 將 污 水 中 的 懸 浮 物 和 鐵 銹 異 味 等 污 染 物 除 去, 通 過 奈 米 孔 徑 的 過 濾 裝 置, 還 能 把 水 中 的 細 菌 病 毒 去 除 細 茵 病 毒 的 直 徑 比 奈 米 大 而 被 過 濾 掉, 水 分 子 及 礦 物 質 元 素 被 保 留 下 來, 經 過 奈 米 淨 化 後 的 水 體 清 澈, 沒 有 異 味, 成 為 高 質 量 的 純 淨 水, 完 全 可 以 飲 用

奈 米 碳 管 奈 米 碳 管 有 單 壁 和 多 壁 奈 米 碳 管 兩 種, 前 者 直 徑 約 1nm, 後 者 管 端 是 由 五 圓 環 碳 分 子 封 閉 如 下 二 圖 所 示 單 壁 奈 米 碳 管 多 壁 奈 米 碳 管

奈 米 碳 管 具 有 很 好 的 強 度, 以 同 尺 寸 的 不 銹 鋼 比 較, 奈 米 碳 管 強 度 是 不 銹 鋼 的 100 倍, 但 重 量 僅 為 不 銹 鋼 的 六 分 之 一, 且 具 有 很 好 的 彈 性, 即 使 彎 曲 90 以 上 也 不 會 折 斷 同 時 奈 米 碳 管 也 具 有 高 導 電 度 (0.1-0.03μΩcm) 及 高 熱 傳 導 度 (1500-3000W/mK) 附 表 ( 奈 米 碳 管 與 其 他 材 料 之 機 械 性 質 比 較 表 ( 單 位 為 GPa)) 單 層 奈 米 碳 微 管 多 層 奈 米 碳 微 管 鑽 石 傳 統 碳 纖 鋼 Expoxy resin 木 頭 Young's modulus 1054 1200 910-1250 350 208 3.5 16 Tensile Strength 150 150 ----- 2.5 0.4 0.05 0.08

利 用 奈 米 碳 管 這 種 微 小 素 材 可 以 製 造 出 強 度 達 鋼 100 倍 的 材 料

奈 米 電 子 與 光 電 早 在 1959 年, 費 曼 曾 對 未 來 的 物 理 學 做 了 一 個 精 彩 的 預 言 : 當 人 類 能 在 原 子 尺 寸 上 進 行 操 縱 時 將 得 到 具 有 大 量 獨 特 性 質 的 物 質, 如 果 能 在 原 子 和 分 子 水 平 上 製 造 材 料 和 元 件 就 會 有 許 多 嶄 新 的 發 現 電 子 學 未 來 的 發 展 將 以 更 小 / 更 快 / 更 冷 為 目 標 : 更 小 是 指 提 高 晶 片 的 集 積 度, 更 快 是 實 現 更 高 的 運 算 和 處 理 速 度, 而 更 冷 則 是 進 一 步 降 低 晶 片 的 耗 能 要 實 現 此 一 目 標, 則 電 子 元 件 尺 寸 勢 必 將 進 入 奈 米 技 術 尺 度 範 圍, 這 顯 示 在 不 久 的 將 來, 奈 米 電 子 與 光 電 元 件 將 成 為 21 世 紀 資 訊 時 代 的 核 心

電 子 元 件 的 尺 寸 1st transistor Quantum-dot turnstile Quantum corral Nanotube transistor One-atom contact 1960 1980 1990 2000

奈 米 電 子 技 術 發 展 趨 勢

薄 膜 式 FED Motorola 5.6 color FED Futaba 7 color FED

奈 米 科 技 -- 人 造 紅 血 球 人 造 血 液 包 括 紅 血 球 血 小 板 和 免 疫 抗 體 從 血 液 中 分 離 血 紅 蛋 白, 外 部 用 人 工 合 成 的 脂 肪 膜 包 裹, 從 而 生 產 出 人 造 紅 血 球 正 常 血 球 與 人 造 紅 血 球 直 徑 同 為 200nm 人 造 紅 血 球 可 保 存 2 年

有 機 / 無 機 混 成 (Hybrid) 材 料 的 應 用 開 發 初 期 : 周 邊 的 應 用 產 品, 如 鏡 片 車 窗 保 護 塗 料 近 年 來 的 研 發 : 高 科 技 產 品, 如 在 介 電 常 數 導 熱 性 折 射 率 及 結 構 安 定 性 的 控 制, 以 應 用 於 電 子 半 導 體 和 光 電 產 品

微 奈 米 機 電 系 統 範 例

奈 米 武 器 細 微 之 處 見 神 奇 武 器 卷 奈 米 技 術 的 迅 猛 發 展, 特 別 是 微 機 電 系 統 的 初 步 成 功, 為 軍 事 科 技 工 作 者 研 製 奈 米 武 器 奠 定 了 物 質 基 礎 他 們 盡 情 發 揮 想 像 力, 研 製 出 千 奇 百 怪 的 戰 場 精 靈

軍 事 通 訊 -- 微 波 陶 瓷 濾 波 器 粉 體 材 料 奈 米 化 的 優 勢 燒 結 溫 度 降 低 能 源 / 時 間 成 本 成 份 / 組 成 穩 定 性 品 質 因 子 Q 頻 率 溫 度 係 數 0 ppm/ 降 低 頻 率 飄 移 現 象

奈 米 武 器 的 特 性 奈 米 武 器 實 現 了 武 器 系 統 超 微 型 化, 使 目 前 車 載 機 載 的 電 子 戰 系 統 濃 縮 至 可 單 兵 攜 帶, 隱 蔽 性 更 好, 安 全 性 更 高 奈 米 武 器 實 現 了 武 器 系 統 高 智 慧 化, 使 武 器 裝 備 控 制 系 統 資 訊 獲 取 速 度 大 大 加 快, 偵 察 監 視 精 度 大 大 提 高 奈 米 武 器 實 現 了 武 器 系 統 集 成 化 生 產, 使 武 器 裝 備 成 本 降 低 可 靠 性 提 高, 同 時 使 武 器 裝 備 研 製 生 產 周 期 縮 短

奈 米 高 分 子 複 合 材 料 一 種 分 散 相 尺 寸 小 於 100nm ( 至 少 有 一 維 方 向 ) 的 無 機 物 補 強 高 分 子 複 合 材 料 奈 米 層 狀 結 構 無 機 物 高 表 面 積 與 分 散 相 無 機 物 與 高 分 子 間 強 烈 的 吸 引 力, 將 比 原 始 高 分 子 在 剛 性 等 性 質 有 大 幅 提 昇 熱 膨 脹 係 數 下 降 氣 體 阻 氣 性 下 降 耐 溶 劑 性 提 昇 等 優 良 特 性 可 應 用 於 防 彈 衣 物 鋼 盔 防 彈 裝 甲 複 合 夾 層 等 用 途

科 技 衣 的 下 一 步 奈 米 粒 做 衣 服 : 防 曬 百 分 之 百 西 裝 背 心 孕 婦 裝 都 防 電 磁 波 抗 紫 外 線 衣 UPF 係 數 50 陶 瓷 纖 維 衣 吸 收 遠 紅 外 線 保 溫

顛 覆 性 的 改 變 世 界 各 國 都 投 入 奈 米 科 技, 聽 起 來 像 神 話 卻 一 一 出 現 德 國 研 發 奈 米 牙 膏, 利 用 微 細 黏 膠 顆 粒 能 自 動 修 補 蛀 牙 裂 縫 英 國 研 發 奈 米 氣 喘 警 告 手 錶, 透 過 奈 米 微 量 偵 測 技 術 提 早 警 告 有 致 喘 物 質 美 國 正 發 展 間 諜 功 能 的 智 慧 灰 塵, 灰 塵 中 奈 米 偵 測 裝 備 可 以 收 集 資 訊 日 本 的 奈 米 玻 璃 照 到 太 陽 後, 奈 米 微 粒 氧 化 會 自 動 清 洗 窗 戶 髒 污 韓 國 發 展 出 奈 米 碳 管 顯 示 器, 螢 幕 厚 度 不 到 一 公 分

材 料 微 小 化 的 趨 勢 化 纖 製 品 或 紡 織 品 中, 添 加 奈 來 微 粒 可 抗 菌, 添 加 金 屬 微 粒 可 抗 靜 電 塗 料 之 抗 菌 與 防 油 污 使 家 電 導 電 奈 米 材 料 導 入, 可 使 其 彩 色 化 ( 傳 統 使 用 碳 黑 ) 生 醫 材 料 或 藥 物 微 粒 化 後 可 使 以 皮 膚 直 接 吸 收, 不 需 經 過 腸 胃 體 液 的 考 驗 個 人 彩 色 影 像 輸 出 印 表 機, 染 料 化 之 顏 料 墨 水 微 機 電 裝 置 或 電 路 板 之 微 細 化 將 帶 來 生 活 應 用 電 子 產 品 的 便 利 性 耐 燃 物 質 微 細 化 後 之 功 能 特 性 提 升 傳 統 色 料 微 分 在 塗 料 油 墨 上 色 彩 及 功 能 特 性 上 之 提 升