材 料 在 生 活 的 應 用 周 文 釗 / 彰 化 高 ㆒㈨㈥㈤ 年 諾 貝 爾 物 理 獎 得 主 理 查. 費 曼 (Richard Feynman) 曾 在 ㆒㈨㈤㈨ 年 提 出 ㆒ 個 驚 想 法 : 將 ㆒ 整 套 大 英 百 科 全 書 全 部 写 在 ㆒ 個 針 尖 大 小 的 空 間, 以 科 觀 點 而 言, 只 要 縮 小 ㆕ 千 萬 倍 即 可 ㆒㈨㈥㈥ 年 播 映 的 科 幻 電 影 聯 合 縮 小 軍 (Fantastic Voyage) 曾 出 現 這 ㆒ 幕 : 注 射 針 筒 內 隱 藏 著 肉 眼 無 法 看 出 的 極 微 小 物 質 ㆒ 艘 載 ㈤ 裝 備 齊 全 科 家 的 潛 艇 潛 艇 隨 著 注 射 針 筒, 咻 的 ㆒ 聲 被 注 射 進 入 病 血 管, 科 家 精 準 來 到 充 滿 病 菌 的 患 部, 消 滅 細 菌 並 修 復 傷 口, 然 後 再 隨 眼 淚 排 出 體 外 在 37 年 前, 這 或 許 是 個 瘋 狂 的 想 像, 但 在 今, 卻 是 可 藉 由 科 技 真 實 呈 現 事 件 簿 時 間 發 展 西 元 1959 年 理 查. 費 曼 首 次 清 楚 提 出 操 作 及 控 制 微 小 物 質 的 概 念 西 元 1974 年 西 元 1981 年 西 元 1986 年 西 元 1991 年 西 元 1998 年 西 元 2000 年 西 元 2002 年 本 科 家 谷 口 首 次 使 用 科 技 (nanotechnology) ㆒ 詞, 描 述 小 於 微 的 機 械 及 物 質 IBM 研 究 員 發 明 掃 描 式 穿 隧 顯 微 鏡, 成 為 科 技 發 展 的 主 要 研 究 儀 器 德 萊 思 勒 (Eric Drexler) 發 表 Engines of Creation ㆒ 書, 使 料 科 技 成 為 熱 門 詞 彙 NEC 研 究 員 飯 島 澄 男 發 現 碳 管, 此 新 元 件 可 能 成 為 未 來 許 多 電 子 元 件 的 主 要 材 料 荷 蘭 Delft 科 技 大 由 Cees Dekker 所 領 導 的 研 究 小 組, 成 功 研 發 製 得 以 碳 管 為 材 料 的 電 晶 體 美 國 總 統 柯 林 頓 宣 布 國 家 創 新 計 畫 投 入 大 量 預 算 發 展 科 技 各 國 已 成 功 製 得 各 種 產 品, 包 括 民 生 用 品 如 衣 服 網 球 馬 桶, 以 及 軍 方 用 品 物 質 新 性 質 - 現 象 (nanometer) 是 ㆒ 個 長 度 單 位, 為 10 的 負 ㈨ 次 方 或 ㈩ 億 分 之 ㆒ 公 尺, 如 果 將 球 的 尺 寸 微 縮 ㈩ 億 分 之 ㆒, 則 只 剩 ㆒ 個 彈 珠 的 大 小 對 化 家 而 言, 級 物 質 包 含 幾 百 個 原 子 分 子, 但 是 彼 此 間 交 互 作 用 仍 相 當 複 雜, 而 許 多 性 質 也 因 而 隨 著 改 變 例 如 粒 子 不 再 呈 現 色, 而 且 原 先 非 常 穩 定 的 化 性 質, 也 因 達 到 級 的 大 小, 而 變 成 不 安 定 的 催 化 劑 ; 最 用 的 是 可 將 穩 定 不 易 變 質 具 毒 性 的 ㆒ 氧 化 碳 轉 成 ㆓ 氧 化 碳, 目 前 轉 化 率 可 達 50 % 60 %, 未 來 應 可 將 轉 化 率 提 昇 趨 近 100 %, 將 可 製 做 救 隊 最 需 要 的 防 毒 面 具 級 物 質 的 許 多 性 質, 例 如 透 光 導 電 導 熱 磁 性 腐 蝕 氧 化 活 性 等 性 質 均 極 可 能 產 生 改 變 也 就 是 進 入 級, 所 物 質 等 皆 可 能 變 成 ㆒ 種 新 物 質, 這 也 是 科 技 發 展 無 可 限 量 的 原 因 ㆒ 般 定 義 小 於 ㆒ 百 的 顆 粒 就 是 級, 製 做 出 來 的 產 品 就 是 產 品 這 種 顆 粒 表 面 積 比 例 較 大, 由 於 遠 紅 外 線 物 質 負 離 子 物 質 光 觸 媒 等 的 價 格 均 不 低, 若 是 粒 子 太 大, 表 面 積 比 例 太 小, 效 率 無 法 充 分 發 揮, 反 而 不 符 合 成 本 效 益, 科 技 正 好 突 破 此 ㆒ 困 境, 這 也 是 近 年 產 品 陸 續 市 的 主 要 原 因 西 元 2010 年 預 估 電 腦 產 業 以 及 半 導 體 將 因 科 技 而 爆 炸 性 進 展 西 元 2020 年 預 估 科 技 將 使 生 物 科 技 大 幅 躍 進 12
美 麗 新 世 界 - 應 用 是 現 今 最 流 行 的 科 技 詞, 聽 起 來 很 高 科 技, 但 是 在 我 們 生 活 環 境, 早 已 許 多 產 品, 不 知 不 覺 之 存 在 於 我 們 的 周 遭 殺 菌 ㆒ 級 棒 的 光 觸 媒 SARS 疫 情 爆 發 後, 光 觸 媒 成 為 暢 銷 商 品 之 ㆒, 在 總 統 府 帶 領 使 用, 很 多 機 關 團 體 都 噴 塗 了 光 觸 媒, 光 觸 媒 ㆒ 夕 間 也 成 為 熱 門 科 詞 要 瞭 解 什 麼 是 光 觸 媒, 須 先 瞭 解 何 謂 光 觸 媒? 光 觸 媒 反 應 的 原 理 如 圖 所 示, 工 業 常 使 用 的 ㆓ 氧 化 鈦 (TiO 2, 俗 稱 鈦 白 粉 ), 可 作 為 光 觸 媒 的 原 料, 藉 由 紫 外 光 或 太 陽 光 的 照 射, 使 觸 媒 表 面 的 電 子 因 吸 收 足 夠 能 量 而 脫 離, 脫 離 之 後 在 電 子 的 位 置 便 形 成 ㆒ 個 帶 正 電 的 電 洞, 此 正 電 洞 會 將 附 近 分 子 所 游 離 出 的 氫 氧 基 (OH - ) 氧 化 ( 即 奪 取 OH - 的 電 子 ), 使 其 成 為 活 性 極 大 的 氫 氧 由 基 (OH radical), 此 氫 氧 由 基 若 遭 遇 機 物 質, 將 從 機 物 質 奪 回 電 子, 機 分 子 因 鍵 結 被 破 壞 而 分 崩 離 析, 大 部 分 的 污 染 物 或 病 源 體 多 半 是 碳 化 合 物, 分 解 之 後 會 變 成 無 害 的 CO 2 和 H 2 O, 如 此 就 可 以 達 到 消 毒 及 殺 菌 的 目 的 具 毒 性 HCHO ( 醛 ) OH 由 基 OH - - CO 無 毒 電 子 因 為 ㆓ 氧 化 鈦 的 氧 化 力 強 化 性 質 安 定, 且 無 毒 性 所 以 1972 年 發 現 今, 已 成 為 口 罩 光 觸 媒 家 電 ( 冷 氣 空 氣 清 淨 機 除 濕 機 電 扇 ) 等 民 生 用 品 的 最 愛 ㆓ 氧 化 鈦 也 是 ㆒ 種 半 導 體, 要 使 ㆓ 氧 化 鈦 的 電 子 由 價 帶 (valence band) 躍 遷 傳 導 帶 (conduction band) 並 脫 離 材 料 表 面, 外 來 光 源 必 須 提 供 足 夠 的 能 量 才 能 使 電 子 跨 越 能 隙 (band gap),㆓ 氧 化 鈦 能 隙 的 寬 度 為 3.27eV, 所 對 應 的 波 長 為 380nm, 屬 於 紫 外 光 的 範 圍, 因 此, 波 長 超 過 380nm( 即 能 量 小 於 3.2eV) 的 光 源 無 法 使 ㆓ 氧 化 鈦 發 揮 光 觸 媒 的 功 能 H O 光 觸 媒 (TiO ) 電 洞 光 觸 媒 之 催 化 反 應 機 制 圖 ( 取 http://www.photocatalyst.co.jp) 紫 外 光 C60- 碳 ㈥㈩(Buckminsterfullerene) C 60 是 由 60 個 碳 原 子 所 組 成, 其 結 構 如 圖 所 示 外 形 像 ㆒ 顆 英 式 足 球, 是 目 前 已 知 對 稱 性 最 高 的 球 狀 分 子, 也 是 除 了 石 墨 (graphite) 及 剛 石 (diamond) 以 外, 第 ㆔ 個 被 發 現 的 碳 同 素 異 形 體 (allotropic form) C 60 分 子 的 直 徑 為 7.1 埃, 密 度 為 1.68 克 / 毫 升, 在 室 溫 呈 紫 紅 色 固 態 分 子 晶 體 它 與 鑽 石 ㆒ 樣 不 具 導 電 性, 但 在 18K 時 具 超 導 性 ; 研 究 顯 示, 它 是 以 晶 格 裡 的 電 洞 來 傳 導 電 流 ( 類 似 p 型 半 導 體 ), 若 加 入 其 它 分 子 ( 例 如 ㆔ 溴 烷 ) 來 拉 長 晶 格 間 距, 還 可 以 效 提 昇 其 超 導 相 變 溫 度 117K 料 來 源 : 科 技 網 :http://nano.nchc.org.tw/ 由 20 個 ㈥ 角 形 及 12 個 ㈤ 角 形 所 組 成 的 C 60 模 型 科 新 13
傳 導 帶 電 子 清 淨 空 氣 能 隙 3.2eV 380nm 抗 菌 光 觸 媒 (TiO ) 脫 臭 電 洞 淨 防 污 價 帶 ㆓ 氧 化 鈦 電 子 受 激 躍 遷 示 意 圖 根 據 ㆒ 位 韓 國 教 授 的 研 究, 紫 外 光 加 光 觸 媒, 半 小 時 後 附 著 其 的 細 菌 只 剩 百 分 之 ㆕㈩, 兩 小 時 內 幾 乎 全 部 死 光 但 若 室 內 ㆒ 片 漆 黑, 細 菌 不 會 死 目 前 尚 未 文 獻 記 載 光 觸 媒 也 能 殺 死 病 毒 且 再 於 紫 外 線 會 被 玻 璃 擋 住, 所 以 光 觸 媒 在 室 內 殺 菌 效 果 限 ; 另 外 也 電 影 院 標 榜 噴 塗 光 觸 媒, 根 本 是 在 欺 瞞 消 費 者, 烏 漆 抹 黑 的 電 影 院 哪 來 紫 外 光? 又 如 何 消 毒? 光 觸 媒 具 分 解 污 染 物 質 的 能 力, 在 應 用 具 空 氣 清 淨 脫 臭 防 污 淨 抗 菌 等 功 能 應 用 高 科 技 將 ㆓ 氧 化 鈦 製 成 級 顆 粒, 則 可 大 幅 度 增 加 表 面 積 與 體 積 的 比 例, 溶 於 後 塗 在 牆 壁, 當 機 物 污 染 物 或 細 菌 吸 附 到 牆, 接 觸 光 觸 媒 就 會 被 分 解 成 光 觸 媒 之 ㈤ 大 功 能 ( 取 http://www.photocatalyst.co.jp) ㆓ 氧 化 碳 和, 達 到 殺 菌 的 效 果 可 待 機 ㆒ 百 的 電 池 ㈥ 年 前 工 研 院 的 研 究 員 發 現, 將 不 織 布 表 面 做 化 處 理 之 後, 可 運 用 在 可 重 複 充 電 電 池 的 電 池 隔 膜 材 料,㆒ 方 面 可 增 加 電 池 的 使 用 壽 命,㆒ 方 面 可 增 加 電 池 的 可 充 電 次 數, 由 ㆔ 百 ㈤㈩ 次 提 高 到 ㈤ 百 次, 延 長 電 池 使 用 年 限 約 ㆒ 年 如 果 電 池 正 負 極 也 做 化 處 理, 效 用 還 可 提 升, 容 電 量 最 高 可 提 高 兩 倍 ㆔ 1 1 倍, 而 體 積 則 可 縮 小 原 來 的 或 2 3, 以 臺 灣 的 技 術 來 看,㈤ 年 內 電 池 的 發 展 可 望 使 手 機 待 機 長 達 ㆒ 百 ( 目 前 最 長 ㆒ 星 期 ) 穿 出 健 康 的 布 料 目 前 國 內 己 將 會 放 出 遠 紅 外 線 和 會 產 生 負 離 子 的 兩 種 級 材 料 與 纖 維 組 合, 紡 成 紗 再 織 出 蓮 花 效 應 (Lotus Effect) 蓮 花 效 應 主 要 是 指 蓮 葉 表 面 具 超 疏 (superhydrophobicity) 以 及 潔 (selfcleaning) 的 性 由 於 蓮 葉 具 疏 不 吸 的 表 面, 落 在 葉 面 的 雨 會 因 表 面 張 力 的 作 用 形 成 珠, 換 言 之, 與 葉 面 的 接 觸 角 (contact angle) 會 大 於 140 度, 只 要 葉 面 稍 微 傾 斜, 珠 就 會 滾 離 葉 面 因 此, 即 使 經 過 ㆒ 場 傾 盆 大 雨, 蓮 葉 的 表 面 總 是 能 保 持 乾 燥 ; 此 外, 滾 動 的 珠 會 順 便 把 ㆒ 些 灰 塵 污 泥 的 顆 粒 ㆒ 起 帶 走, 達 到 我 潔 淨 的 效 果, 這 就 是 蓮 花 總 是 能 ㆒ 塵 不 染 的 原 因 料 來 源 : 科 技 網 :http://nano.nchc.org.tw/ 14
燈 管 油 漆 高 鈣 高 鐵 牛 奶 藥 顏 料 液 晶 螢 幕 電 風 扇 化 妝 品 口 罩 高 爾 夫 球 桿 頭 OK 繃 衣 料 骨 訂 臉 盆 馬 桶 冷 氣 汽 車 塗 料 光 觸 媒 消 毒 生 活 的 科 技 產 品 具 備 保 暖 抗 菌 除 臭 功 能 的 布 料, 然 後 做 出 各 式 衣 服, 以 及 製 造 出 前 ㆒ 陣 子 最 熱 的 商 品 口 罩 另 外 還 OK 繃 和 痘 痘 貼, 應 用 的 原 理 是 ㆒ 樣 的, 只 是 布 料 不 用 那 麼 細, 因 此 可 以 增 加 遠 紅 外 線 和 負 離 子 材 料 劑 量 OK 繃 和 痘 痘 貼 可 以 預 防 細 菌 感 染, 又 可 以 促 進 細 胞 活 化 減 少 傷 痕, 是 医 療 材 料 的 新 革 命 不 沾 污 垢 的 釉 目 前 我 們 所 使 用 的 馬 桶 臉 盆 等 陶 瓷 做 成 的 衛 浴 設 備, 看 起 來 摸 起 來 都 非 常 光 滑, 但 若 用 高 倍 率 顯 微 鏡 檢 視, 會 發 現 其 實 陶 瓷 表 面 凹 凸 不 平, 因 此 污 垢 容 易 沾 附, 細 菌 隨 之 孳 生 和 成 公 司 和 東 陶 公 司 己 相 繼 發 展 出 級 釉 料, 塗 釉 藥 的 陶 瓷 表 面 變 得 非 常 光 滑, 污 垢 就 不 容 易 附 著 如 果 衣 服 纖 維 含 陶 瓷 顆 粒, 可 製 成 不 沾 灰 塵 又 保 暖 的 衣 物, 例 如 市 面 已 外 套 的 產 品 相 似 的 道 理, 最 近 ㆒ 些 大 汽 車 廠 正 研 發 殊 的 塗 料, 塗 佈 在 汽 車 外 殼, 這 樣 的 汽 車 就 不 需 要 洗 車 了 殺 菌 用 的 燈 管 光 觸 媒 做 到 級 大 小, 直 接 鍍 到 光 燈 管 玻 璃 纖 維 表 面, 由 於 材 料 粒 子 極 小, 完 全 不 會 影 響 玻 璃 的 透 光 性, 而 且 鍍 在 相 較 之 凹 凸 不 平 的 燈 管 表 面, 也 非 常 牢 固 家 電 產 品 加 裝 空 氣 清 淨 燈 管 的 已 捕 蚊 燈 電 熱 器 烘 碗 量 子 點 (Quantum Dots) 量 子 點 是 準 零 維 (quasi-zero-dimensional) 的 材 料, 由 少 量 的 原 子 所 構 成 粗 略 說, 量 子 點 ㆔ 個 維 度 的 尺 寸 都 在 100 (nm) 以, 外 觀 恰 似 ㆒ 極 小 的 點 狀 物, 其 內 部 電 子 在 各 方 向 的 運 動 都 受 到 侷 限, 所 以 量 子 侷 限 效 應 (quantum confinement effect) 別 顯 著 由 於 量 子 侷 限 效 應 會 導 致 類 似 原 子 的 不 連 續 電 子 能 階 結 構, 因 此 量 子 點 又 被 稱 為 造 原 子 (artificial atom) 科 家 已 經 發 明 許 多 不 同 的 方 法 來 製 造 量 子 點, 並 預 期 這 種 材 料 在 ㆓㈩㆒ 世 紀 的 電 子 (nanoelectronics) 極 大 的 應 用 潛 力 料 來 源 : 科 技 網 :http://nano.nchc.org.tw/ 科 新 15
機, 但 是 最 引 注 意 的 是 附 殺 菌 燈 管 的 電 風 扇, 由 於 燈 管 表 面 積 很 大, 清 淨 空 氣 效 果 很 好 藥 化 妝 品 黃 藥 材 化 之 後, 可 以 提 高 體 的 吸 收 率 與 發 揮 医 療 功 效, 取 過 去 費 時 的 熬 煮 方 式 化 妝 品 的 關 鍵 技 術 在 於 製 作 級 的 囊 球, 以 及 將 所 需 的 活 性 成 分 放 進 去, 使 囊 球 可 以 沉 到 表 皮 層 內, 增 加 產 品 效 果 而 級 黃 則 可 以 加 在 酒 裡, 加 速 熟 化 過 程, 會 讓 酒 變 得 更 為 香 醇 技 術 也 可 應 用 到 食 物 的 製 作, 例 如 小 孩 成 長 過 程 必 須 多 喝 的 牛 奶, 牛 奶 的 成 分 ㆒ 般 是 碳 酸 鈣 和 焦 磷 酸 鐵, 所 以 多 添 加 鈣 鐵, 營 養 會 更 好 但 是 碳 酸 鈣 加 多 了 容 易 沉 殿, 若 為 避 免 沉 澱 而 添 加 安 定 劑, 牛 奶 又 會 變 得 過 於 濃 稠 不 好 喝 ; 而 焦 磷 酸 鐵 被 體 吸 收 率 較 低, 但 若 換 成 添 加 其 它 鐵 的 化 合 物, 牛 奶 易 產 生 鐵 味, 顏 色 也 會 變 成 淡 紅 色 為 克 服 這 些 問 題, 只 要 將 碳 酸 鈣 和 焦 磷 酸 鐵 製 作 成 級 大 小 的 超 微 細 粒 子, 加 入 牛 奶, 不 但 不 易 產 生 沉 澱, 亦 可 減 少 安 定 劑 的 使 用, 也 較 容 易 被 體 吸 收 医 療 材 料 可 被 體 吸 收 的 縫 合 線 和 骨 釘 也 是 科 技 的 產 物, 以 前 開 刀 縫 合 的 縫 合 線 須 拆 線 骨 科 手 術 所 植 入 的 不 繡 鋼 骨 釘, 也 要 再 開 ㆒ 刀 取 出 目 前 已 以 級 的 玉 澱 粉 和 類 似 葡 萄 糖 結 構 的 聚 乳 酸 顆 粒, 混 合 後 製 作 出 會 被 體 吸 收 的 縫 合 線 和 骨 釘, 避 免 傷 者 拆 線 或 多 挨 ㆒ 刀 的 痛 若 高 球 桿 頭 化 過 去 們 在 高 爾 夫 球 桿 頭 塗 油, 讓 桿 頭 變 平 滑, 缺 點 是 必 須 常 塗, 而 且 會 使 桿 頭 看 起 來 髒 髒 的, 高 爾 夫 球 桿, 用 級 顆 粒 將 顯 微 鏡 凹 凸 不 平 的 桿 頭 鋪 平, 使 得 桿 頭 變 得 堅 硬 而 平 滑 熱 的 省 思 隨 著 科 技 逐 步 邁 向 商 業 化 產 品 的 市 場, 大 家 對 於 發 展 科 技 的 爭 議 也 逐 漸 擴 大 目 前 歐 洲 已 經 許 多 團 體 開 始 質 疑, 是 否 應 該 規 範 科 技 的 發 展 研 究 證 據 指 出, 碳 管 能 夠 將 藥 物 傳 遞 腦 部 的 物 質, 同 樣 可 能 將 毒 物 帶 入 體, 這 些 微 細 的 物 質, 甚 可 能 是 ㆒ 個 石 綿, 另 ㆒ 方 面 也 擔 心 萬 ㆒ 物 質 被 細 菌 吸 收 之 後, 可 能 進 入 食 物 鏈 而 導 災 難 性 的 結 果 相 對 於 目 前 熱 而 言, 對 是 否 危 害 類 及 生 態 的 趼 究 可 說 是 ㆒ 片 空 白 在 科 技 美 景 的 背 後, 類 應 同 時 思 考, 是 否 也 該 付 出 ㆒ 部 分 的 錢 力 研 究 的 潛 在 危 險 畢 竟 在 類 科 技 史 已 核 能 複 製 羊 等 充 滿 爭 議 的 科 技 發 明, 這 也 是 全 球 熱 潮 應 的 省 思 光 觸 媒 (Photocatalyst) 工 業 化 後, 們 生 活 準 雖 獲 得 改 善, 但 是 伴 隨 而 來 的 卻 是 環 境 污 染 以 及 能 源 危 機, 光 觸 媒 技 術 就 在 這 樣 的 時 空 背 景 因 應 而 生 光 觸 媒 技 術 能 效 處 理 液 相 污 染 物 的 氯 苯 機 物 氯 酚 化 合 物 氰 化 物 屬 離 子 等 污 染 物 質 ; 在 空 氣 污 染 方 面, 光 觸 媒 技 術 也 能 效 處 理 如 氧 化 氮 (NOx) 氧 化 硫 (SOx) 等 污 染 物 質 由 於 光 觸 媒 在 反 應 僅 扮 演 催 化 劑 角 色, 本 身 並 不 會 消 耗 掉, 又 沒 不 良 副 作 用, 因 此 成 為 防 治 空 氣 及 河 川 污 染 的 綠 色 尖 兵 為 了 擴 大 光 觸 媒 的 應 用 範 圍, 本 已 成 功 開 發 出 可 見 光 (390~780 nm)適 用 的 光 觸 媒 ; 另 ㆒ 方 面, 應 用 科 技 將 ㆓ 氧 化 鈦 製 成 級 顆 粒, 則 可 藉 由 大 幅 增 加 表 面 積 與 體 積 的 比 例, 提 高 光 觸 媒 作 用 的 效 率 這 些 發 展 預 期 將 帶 動 更 多 的 光 觸 媒 應 用 料 來 源 : 科 技 網 :http://nano.nchc.org.tw/ 16