奈米就是這麼神 郭瑞年(清華大學物理系主任) 2005.9.18　中國時報 何謂奈米？ 奈米(nm)就是10的負9次方米，比釐米(10的負3次方米)、微米 (10的 負6次方米)都來得微小，其實已接近原子的大小(10的負10 次方米)。當 量測尺碼從釐米減至微米、再減至奈米時，常見科學現象將由宏觀進入微 觀、而進入了介觀世界。 　 　　奈米科技是近年來最熱門的科技，舉凡奈米太陽能板、奈米茶杯、奈 米口罩、奈米光觸媒燈管等等，都是該項科技在今日民生的應用。無疑奈 米科技已對人類生活產生大影響，期在不久的未來還會陸續出現各種令人 驚羨的奈米發明…… 　　所謂奈米科技，就是縮小尺度至100奈米以內的科學技術，這種操控原 子或分子的科技，可說是「造物者的科技」。20世紀最偉大科學家愛因斯 坦曾說道 :「沉思那綿延不絕生命的意義，思考宇宙奇妙的構造，並謙卑 地試圖了解大自然所展現知識中最小的部分。」這句話現在已被許多科學 家，當作研究奈米科技的座右銘。 　　奈米科技在近年受到全球重視，源自1996年至1998年美國國家科學基 金會委託世界技術評估中心(WTEC)，調查奈米超微粒子、奈米結構材料及 奈米電子元件的研究現況及發展趨勢，認為奈米科技極具潛力，將是未來 最能突破且影響廣泛的科技領域。美國前總統柯林頓更在2000年1月宣布 「國家奈米技術計畫(National NanotechnologyI nitiative，NNI)，為 美國聯邦政府科學技術研究與開發的第一優先計畫。 　　科學家早在20世紀中已開始意識到奈米世界可能是極寬廣且未知的空 間。1959年物理學家費曼提出 :「物理學的原理並未否決原子層次上製造 器具的可能性，如果有朝一日人類可以隨意操控原子，讓每一位元資訊存 在一百個原子上，全世界重要藏書的儲存僅需要一粒塵埃的空間就夠了。」 　　近來大力推動奈米科技的背景主要來自微電子學可能遭遇瓶頸的考慮。 根據摩爾定律預測，平均每兩年矽晶上電子元件尺碼將減少百分之三十， 而其數目將增加一倍；近二十年來隨著半導體微電子蝕刻技術的成熟，促 成「由上而下」奈米結構的雕刻細化；又因微細結構偵測與操控的技術的 重大發明，到20世紀末期促使我們得以探索許多「 奈米」的新奇領域， 繼續朝著了解大自然的奧祕邁進。 　　然而另一方面，由原子、分子的自由組裝技術突破，使科學家們得以 設計超大分子和其他各種嶄新奈米結構及材料，因而達成「由下至上」奈 米體系的成長組裝。 　　此外，奈米亦為生物體的構築單元尺度，我們可以大自然為師，效法 其創造生命物質之法則，而將其基本原則應用在奈米生命科技的設計與發 展上。 新物性促成產業革命 　　近年來高科技界發展製造奈米結構的能力突飛猛進，例如原子分子磊 晶術的發展，能夠在半導體、氧化物與金屬多層奈米薄膜結構進行介面控 制，其精準度達到近原子級，進而發展成奈米尺碼的半導體電晶體元件與 積體線路。同時科學家對原子或分子的探測與操控，亦達到奈米尺度的準 確度，譬如掃描穿隧顯微鏡和原子力顯微鏡之發明等。 　　科學家發現在奈米尺度時，物質不再具有規則周期性的結構特徵；因 為邊界占有比例的增加和粒子數的減少，量子效應將主導其物性行為；並 且奈米結構的幾何形狀、表面積的大小及相互之間的作用也將影響其性質， 因此展現出迥然不同且又新奇的物理、化學特性和現象。例如許多奈米材 料的顏色、熔點、和磁性與塊材性質明顯不同，並隨著粒子尺碼減縮而呈 現大幅的變化。 　　若要進一步了解這些新物性，量子物理的考量是相當重要的一環，我 們必須考慮電子波動性和量子特性。原來在物質中，自由電子是以波動方 式進行，而產生電子的繞涉與干涉作用，近年電子雙狹縫干涉實驗就是一 個有力的實證。並且，電子波可穿透奈米厚度的能障，形成穿隧效應，這 是掃描穿隧顯微鏡的基本原理，但也是造成電晶體尺碼減至奈米時可能失 敗的主因。 　　此外，物質波奈米結構中受到束縛，產生駐波而造成能量之量子化，根 據被束縛方向的數目，常見新穎奈米材料可分類為量子井、量子線、量子點 等。值得一提的是，化合物半導體的量子井如今已廣泛地應用在發光及電子 元件上，目前科學家正努力嘗試以奈米量子點為量子位元結構探討量子運算， 替將來量子資訊系統的研發鋪路；而最近引人注目之奈米碳管，是一項具極 高潛力的研究，可望發展成取代矽之未來電晶體技術。 　　奈米材料在台灣和全世界均有廣泛的研發，不僅使奈米物理、化學等研 究愈來愈熱門，導致在電子、光電與生物等先進領域之許多新穎發明與應用。 在奈米尺度下，這些跨領域研究單位彼此逐漸重疊，進一步提供新發現的機 會。 奈米太陽能板解決能源問題 　　此外，奈米材料還可普遍應用在民生科技上，包括奈米能源、奈米環保、 奈米醫學、奈米機械、甚至奈米武器等領域。目前世界各國都投注大筆經費 研究奈米能源，利用奈米粒子體積小、活化性強、藉由陽光產生強大催化性 等特性，研發更能有效吸收太陽能的新型太陽能板，希望在未來人類不必再 靠挖掘數百萬年才能形成的珍貴石油；國內近年對奈米能源的研發大力推動， 盼望對解決台灣未來能源需求，帶來重大助益。 　　另外，利用奈米研發傳輸效率更佳的衛星通訊，增進衛星防禦、偵測功 能；提高現有武器精準度，成為新一代奈米武器，更是先進國家努力研究的 方向；至於各樣應用於日常民生之奈米科技，例如不沾茶垢、咖啡垢的奈米 杯、具殺菌功能的奈米口罩、奈米光觸媒燈管等、記憶容量更大的奈米電腦 記憶體等，都已出爐，讓人類生活更健康、更方便，這20年來奈米科技的發 展，可謂是百花齊放，直接對人類生活產生莫大衝擊，而其重要性更是與日 俱增。 -- 曾經滄海難為水 除卻巫山不是雲 取次花叢懶回顧 半緣修道半緣君 --

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