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奈米科技簡介及產業應用

林宛青
一、奈米起源
納米技術的靈感,來自於已故物理學家理查德.範曼1959年所作的一次題為《在底部還有很大空間》的演講。這位當時在加州理工大學任教的教授向同事們提出了一個新的想法。從石器時代開始,人類從磨尖箭頭到光刻晶片的所有技術,都與一次性地削去或者融合數以億計的原子以便把物質做成有用的形態有關。範曼質問道,為什麼我們不可以從另外一個角度出發,從單個的分子甚至原子開始進行組裝,以達到我們的要求?他說:"至少依我看來,物理學的規律不排除一個原子一個原子地製造物品的可能性。
1982年,科學家發明研究奈米的重要工具──『掃描隧道顯微鏡』,揭示了一個可見的原子、分子世界,對奈米科技發展產生了積極促進的作用;1989年,美國史丹佛大學搬走原子團"寫"下史丹佛大學的英文拼字;1990年,IBM在鎳表面用36個氙原子排出"IBM"字樣;1991年,奈米碳管被人類發現,他的質量是相同體積鋼的六分之一,強度卻是鋼的十倍,成為奈米技術研究的熱點,為未來最佳纖維的首選材料,也將廣泛應用於超微導線、超微開關以及奈米級電子線路。
二、 奈米之定義簡介
  1. 一奈米(1nm;nanometer)是10的負九次方公尺(即十億分之一公尺),約莫是三到四個原子串聯起來的長度,肉眼是看不到的。
  2. 奈米現象:科學家在近半個世紀發現,物質在界於一奈米到一百奈米這個長度時,會發生特殊的物理現象,可能出現三種新特性:小尺寸效應量子隧道效應表面效應,其光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質也就相應地發生十分顯著的變化,這些現象統稱為『奈米現象』
表一、簡介奈米三大效應
  效應說明 分類 變化說明 應用
小尺寸效應 隨著顆粒尺寸的量變,在一定條件下會引起顆粒性質的質變。 光學性質 金屬超微顆粒對光的反射率很低,通常可低於l%,大約幾微米的厚度就能完全消光。 利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料,可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。此外又有可能應用於紅外敏感元件、紅外隱身技術等。
熱學性質 固態物質在其形態為大尺寸時,其熔點是固定的,超細微化後卻發現其熔點將顯著降低,當顆粒小於10納米量級時尤為顯著。 元件的基片不必採用耐高溫的陶瓷材料,甚至可用塑膠。超微顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業具有一定的吸引力。例如,在鎢顆粒中附加0.1%∼0.5%重量比的超微鎳顆粒後,可使燒結溫度從3000℃降低到1200∼1300℃,以致可在較低的溫度下燒製成大功率半導體管的基片。
磁學性質 小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同,大塊的純鐵矯頑力約為 80安/米,而當顆粒尺寸減小到 2′10-2微米以下時,其矯頑力可增加1千倍,若進一步減小其尺寸,大約小於 6′10-3微米時,其矯頑力反而降低到零,呈現出超順磁性。 利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性,已作成高貯存密度的磁記錄磁粉,大量應用於磁帶、磁片、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性,人們已將磁性超微顆粒製成用途廣泛的磁性液體。
力學性質 因為納米材料具有大的介面,介面的原子排列是相當混亂的,原子在外力變形的條件下很容易遷移,因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力學性質。 金屬一陶瓷等複合納米材料則可在更大的範圍內改變材料的力學性質,其應用前景十分寬廣。
量子效應 對介於原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言,大塊材料中連續的能帶將分裂為分立的能級;能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。 當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時,就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性。 導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體,磁矩的大小和顆粒中電子是奇數還是偶數有關,比熱亦會反常變化,光譜線會產生向短波長方向的移動。因此,對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應,原有宏觀規律已不再成立。
表面效應 隨著顆粒直徑變小,比表面積(表面積/體積)將會顯著增大 超微顆粒的表面具有很高的活性,在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。 利用表面活性,金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。
資料來源:華通產經研究室整理
  1. 奈米科技(nanotechnology):奈米科技是運用奈米尺寸特有的現象於材料和系統,在原子、分子、超分子層級探索其特性、控制其元件結構,其成功關鍵要素在於充分掌握材料及元件之製造及應用技術,並且要在微觀和巨觀的層次維持其介面的穩定性和奈米結構的整合性,故奈米科技為新材料的創出,提供新的方法,這些新材料不僅是更新、更強、更具彈性,而且材料本身更具交互作用、高靈敏度、多功能、及智慧化。
  2. 奈米材料製造方式:奈米粒子的製造方法多,主要可分為物理方法與化學方法。
表二、奈米材料製造方法
  分類 方式 特點 缺點
物理方法 真空冷凝法 用用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等粒子體,然後驟冷。 純度高、結晶組織好、粒度可控。 技術設備要求高
物理粉碎法 透過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。 操作簡單、成本低。 產品純度低,顆粒分佈不均勻
機械球磨法 採用球磨方法,控制適當的條件得到純元素、合金或複合材料的納米粒子。 操作簡單、成本低 品純度低,顆粒分佈不均勻
化學方法 氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成納米材料。 產品純度高,粒度分佈窄。 --
沉澱法 把沉澱劑加入到鹽溶液中反應後,將沉澱熱處理得到納米材料。 簡單易行。 純度低,顆粒半徑大,適合製備氧化物。
水熱合成法 高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成,再經分離和熱處理得納米粒子。 純度高,分散性好、粒度易控制。 --
溶膠凝膠法 金屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化,再經低溫熱處理而生成納米粒子。 反應物種多,產物顆粒均一,過程易控制,適於氧化物和Ⅱ∼Ⅵ族化合物的製備。 --
徵乳液法 -- 兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液,在微泡中經成核、聚結、團聚、熱處理後得納米粒子。 粒子的單分散和介面性好,Ⅱ∼Ⅵ族半導體納米粒子多用此法製備。 --
資料來源:華通產經研究室整理

三、奈米市場之未來商機預估

近年來,世界各國相繼投入奈米技術研發,美國於2000年投入2.7億美元,2002年倍增為5.2億美元,日本則超越美國,每年耗資十億美元;中國大陸與台灣亦將奈米技術列為國家重點科技計畫,國內於工研院成立應用奈米技術中心,預計未來六年內斥資新台幣230億元,致力研發奈米材料、奈米電子、奈米光電、奈米化學品及奈米生物科技等五大領域,相關產業產值可望於2008年達到新台幣3,000億元,主要是化纖、造紙、橡塑膠及鋼鐵等傳統產業,將有八百家廠商投入;預估2012年產值可達一兆元,主要是電子、半導體、生技、材料、化工、鋼鐵、人纖及橡塑膠等高科技及傳統產業。
根據統計,2001年全球奈米科技相關產品銷售額約260多億美元。而根據美國國家科學基金會預估,迄 2015年,奈米相關產品產值將高達一兆美元,此項市場商機預估奈米材料衍生產值將達3400億美元,超越奈米半導體商機。而在化工產業則有1,000億元之市場機會,因此對於發展材料與化工產品為主之基礎產業,具有莫大之潛力。玆將奈米市場在各領域之商機列表如下:
表三、奈米材料之未來(2015)市場商機預估
奈米產品商機 億美元/年
奈米材料 3,400
奈米半導體 3,000
奈米醫療 1,800
奈米化工 1,000
奈米航太 700
奈米量測工具 220
合計 10,120
資料來源: Dr.M.C.Roco ,(2001)美國國家科學基金會主持人

四、奈米材料之應用領域
半導體發展近三十年,2001年全球產值也不過近兩千億美元;奈米相關研究現在才剛起步,未來十到十五年內就要像噴射火箭一樣,快速爆發出將近一兆美元的能量,市場從何而來?若不是操控這些肉眼看不到小分子的儀器,在近十年內有革命性進展的話,奈米要從「科學」進展到「科技」,進而轉化為商機,速度不會如此之快。而未來明顯可見的是,來自於奈米現象對材料、電子、機械與生技四大領域將會產生革命性的影響,影響範圍廣及高科技及傳統產業,因而可取代現有技術的「商機」,也是預期未來其市場規模得以大幅成長的原因。玆將奈米材料之應用領域歸納於下表:
表四、奈米材料之應用領域一覽表
性能 用途
力學性能 高強度、高硬度塗膜、陶瓷增韌性、超塑性、耐磨耗
光學性能 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
電學特性 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
熱學性能 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
資料來源:工研院經資中心ITIS計畫整理(2002/09)

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