奈米就是这麽神 郭瑞年(清华大学物理系主任) 2005.9.18　中国时报 何谓奈米？ 奈米(nm)就是10的负9次方米，比厘米(10的负3次方米)、微米 (10的 负6次方米)都来得微小，其实已接近原子的大小(10的负10 次方米)。当 量测尺码从厘米减至微米、再减至奈米时，常见科学现象将由宏观进入微 观、而进入了介观世界。 　 　　奈米科技是近年来最热门的科技，举凡奈米太阳能板、奈米茶杯、奈 米口罩、奈米光触媒灯管等等，都是该项科技在今日民生的应用。无疑奈 米科技已对人类生活产生大影响，期在不久的未来还会陆续出现各种令人 惊羡的奈米发明…… 　　所谓奈米科技，就是缩小尺度至100奈米以内的科学技术，这种操控原 子或分子的科技，可说是「造物者的科技」。20世纪最伟大科学家爱因斯 坦曾说道 :「沉思那绵延不绝生命的意义，思考宇宙奇妙的构造，并谦卑 地试图了解大自然所展现知识中最小的部分。」这句话现在已被许多科学 家，当作研究奈米科技的座右铭。 　　奈米科技在近年受到全球重视，源自1996年至1998年美国国家科学基 金会委托世界技术评估中心(WTEC)，调查奈米超微粒子、奈米结构材料及 奈米电子元件的研究现况及发展趋势，认为奈米科技极具潜力，将是未来 最能突破且影响广泛的科技领域。美国前总统柯林顿更在2000年1月宣布 「国家奈米技术计画(National NanotechnologyI nitiative，NNI)，为 美国联邦政府科学技术研究与开发的第一优先计画。 　　科学家早在20世纪中已开始意识到奈米世界可能是极宽广且未知的空 间。1959年物理学家费曼提出 :「物理学的原理并未否决原子层次上制造 器具的可能性，如果有朝一日人类可以随意操控原子，让每一位元资讯存 在一百个原子上，全世界重要藏书的储存仅需要一粒尘埃的空间就够了。」 　　近来大力推动奈米科技的背景主要来自微电子学可能遭遇瓶颈的考虑。 根据摩尔定律预测，平均每两年矽晶上电子元件尺码将减少百分之三十， 而其数目将增加一倍；近二十年来随着半导体微电子蚀刻技术的成熟，促 成「由上而下」奈米结构的雕刻细化；又因微细结构侦测与操控的技术的 重大发明，到20世纪末期促使我们得以探索许多「 奈米」的新奇领域， 继续朝着了解大自然的奥秘迈进。 　　然而另一方面，由原子、分子的自由组装技术突破，使科学家们得以 设计超大分子和其他各种崭新奈米结构及材料，因而达成「由下至上」奈 米体系的成长组装。 　　此外，奈米亦为生物体的构筑单元尺度，我们可以大自然为师，效法 其创造生命物质之法则，而将其基本原则应用在奈米生命科技的设计与发 展上。 新物性促成产业革命 　　近年来高科技界发展制造奈米结构的能力突飞猛进，例如原子分子磊 晶术的发展，能够在半导体、氧化物与金属多层奈米薄膜结构进行介面控 制，其精准度达到近原子级，进而发展成奈米尺码的半导体电晶体元件与 积体线路。同时科学家对原子或分子的探测与操控，亦达到奈米尺度的准 确度，譬如扫描穿隧显微镜和原子力显微镜之发明等。 　　科学家发现在奈米尺度时，物质不再具有规则周期性的结构特徵；因 为边界占有比例的增加和粒子数的减少，量子效应将主导其物性行为；并 且奈米结构的几何形状、表面积的大小及相互之间的作用也将影响其性质， 因此展现出迥然不同且又新奇的物理、化学特性和现象。例如许多奈米材 料的颜色、熔点、和磁性与块材性质明显不同，并随着粒子尺码减缩而呈 现大幅的变化。 　　若要进一步了解这些新物性，量子物理的考量是相当重要的一环，我 们必须考虑电子波动性和量子特性。原来在物质中，自由电子是以波动方 式进行，而产生电子的绕涉与干涉作用，近年电子双狭缝干涉实验就是一 个有力的实证。并且，电子波可穿透奈米厚度的能障，形成穿隧效应，这 是扫描穿隧显微镜的基本原理，但也是造成电晶体尺码减至奈米时可能失 败的主因。 　　此外，物质波奈米结构中受到束缚，产生驻波而造成能量之量子化，根 据被束缚方向的数目，常见新颖奈米材料可分类为量子井、量子线、量子点 等。值得一提的是，化合物半导体的量子井如今已广泛地应用在发光及电子 元件上，目前科学家正努力尝试以奈米量子点为量子位元结构探讨量子运算， 替将来量子资讯系统的研发铺路；而最近引人注目之奈米碳管，是一项具极 高潜力的研究，可望发展成取代矽之未来电晶体技术。 　　奈米材料在台湾和全世界均有广泛的研发，不仅使奈米物理、化学等研 究愈来愈热门，导致在电子、光电与生物等先进领域之许多新颖发明与应用。 在奈米尺度下，这些跨领域研究单位彼此逐渐重叠，进一步提供新发现的机 会。 奈米太阳能板解决能源问题 　　此外，奈米材料还可普遍应用在民生科技上，包括奈米能源、奈米环保、 奈米医学、奈米机械、甚至奈米武器等领域。目前世界各国都投注大笔经费 研究奈米能源，利用奈米粒子体积小、活化性强、藉由阳光产生强大催化性 等特性，研发更能有效吸收太阳能的新型太阳能板，希望在未来人类不必再 靠挖掘数百万年才能形成的珍贵石油；国内近年对奈米能源的研发大力推动， 盼望对解决台湾未来能源需求，带来重大助益。 　　另外，利用奈米研发传输效率更佳的卫星通讯，增进卫星防御、侦测功 能；提高现有武器精准度，成为新一代奈米武器，更是先进国家努力研究的 方向；至於各样应用於日常民生之奈米科技，例如不沾茶垢、咖啡垢的奈米 杯、具杀菌功能的奈米口罩、奈米光触媒灯管等、记忆容量更大的奈米电脑 记忆体等，都已出炉，让人类生活更健康、更方便，这20年来奈米科技的发 展，可谓是百花齐放，直接对人类生活产生莫大冲击，而其重要性更是与日 俱增。 -- 曾经沧海难为水 除却巫山不是云 取次花丛懒回顾 半缘修道半缘君 --

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