作者：駱榮富 老師 (材料科學與工程學系)

        我們以球形的「奈米金」為例，金奈米微粒半徑為0.16 nm，一顆直徑為5 nm金的奈米球約含有3,800個金原子，圖1表示金奈米粒子的電子顯微像圖。若奈米顆粒的粒徑達到1 nm時，所有原子幾乎暴露在顆粒的表面上！當物質結構達到奈米尺度時，物理、化學及生物性質真的如費曼教授所預料，而發生相當有趣且鉅大的變化。當結構尺寸小到奈米尺度時，表面原子的數量增加到不可讓人忽略的田地，這時其物質的特性自然逐漸偏離人們所熟悉的較大尺度的性質。以粒徑10 nm的奈米球為例，它的表面原子僅約占全部組成原子的20%，顯然奈米材料具有較高比例的界面排列的缺陷。這些不同物質結構賦與了奈米材料許多特殊的性質，遂激發起大眾對它有著廣泛的研究興趣。

 

        

        奈米材料的超小尺寸促成其表面原子數激增(或是說表面積對體積的比例大幅增加）與出現了量子效應的兩個基本特徵。當結構降至這種奈米尺度時，它的總體電子能階不再呈連續帶狀，易言之，這種電子能隙結構將隨著材料尺度微小化而有所改變，而呈現出半導體奈米粒的量子侷限效應(Quantum Confinement)。奈米材料可經由人為操控的手法，使得半導體材料衍生出很多有用的物理特性，以利發展成為諸多不同用途的元件及光電產品。

 

圖1. 金奈米粒子的電子顯微像圖

       

         我們已經觀察到奈米材料的燒結溫度與熔點均有大幅下降、化學反應特性與觸媒能力亦能明顯上升、原本是不導電且易脆的陶瓷材料卻變得既導電又具延展性、金屬的導電率可能下降、油溶性藥物有可能轉變成為水溶性、不透明的材料則會變得透明、光電半導體材料的吸光波長會往較短波長偏移、非均相催化物質進行有利的催化反應、以及化學感測器的靈敏度驚人的提高等現象。真是讓人眼鏡、大開眼界，同時也讓我們的想像力伴隨著奈米科技的到臨躍升到了ㄧ個「處處開花」的新境界。奈米科技的發展勢必對地全村的幾十億人口所面臨的生活問題有積極正面得貢獻。 

透過奈米化學平台與應用技術的開發，我們見到奈米觸媒、奈米碳管、奈米高分子複合材料、奈米高介電材材料、奈米微料合成、奈米纖維等項應用有了諸多新穎的效果，例如貴金屬元素屬惰性材料，但一經形為奈米微粒，其活性將大大提昇，能應用於環保或燃料電池之觸媒上，使成本更加低廉。又如界面化學的濕式分散技術，選擇特殊的分散劑與分散設備，來提昇顏料微粒的分散性，讓顏料更均勻持久，微墨滴不會阻塞墨匣噴嘴，墨水本身具有耐光、耐候、耐水的傑出性質。奈米微料技術除了應用於墨水顏料的分散，對於紡織品、化妝品、生醫藥物釋放材料、高級電子化學品工業如製作光組劑、彩色瀘光片、工程塑膠等應用具有無限潛在商機，可高達數百億美元之產值。

 

另外，研究人員將奈米黏土添加於高分子材料如Nylon、PET、ABS、PS、Epoxy等，發展成具高強度、高剛性、低吸水率、高阻氣率、尺寸安定性，耐濕耐熱、抗紫外線、抗菌、難燃的高性能奈米複合材料，實具豐富的產業效益。產品包含高組氣性的食品容器與醫療包裝、阻氣功能的電子產品基板、多孔性低介電常數薄膜材及高介電常數薄膜材或封裝材料。高性能奈米複材符合輕薄短小的訴求，能重複回收使用，極為環保。

奈米生物晶片可取代生理檢查的煩雜檢驗步驟，利用奈米技術可修護病變的基因與細胞，使之恢復正常與健康。奈米高分子陣列或堆疊顯現的性質已被看好，在光、電、通信、生醫等產業有極大潛力，例如：奈米粉體發展奈米觸媒與磁性流體之應用、奈米碳管與奈米線則可應用於電子場發射元件、儲能及量子閘、奈米薄膜使用於資料紀錄、量子井與奈米複合材構成之微晶、與生物機械模組。電子材料級奈米纖維可為高效能儲氫材料、感應器與感光材料。利用導電高分子可製作具有導體與半導體特性的分子纖維，成為下世代的導電材料。負離子纖維材料用於高效率過濾材，有防靜電、除塵、除臭等防治空氣污染的用途。光子晶體纖維(Photonic Crystal Fiber)的光傳遞功率將優於傳統光纖。       

                        

        歡迎同學們多與校內講授奈米科技相關的課程，或從事奈米材料研究的師長及研究所學長多請益。除了進一步了解奈米科技的某些項內容，你將會有意想不到的收穫與認識到本校許多來自工學院、理學院、資電學院、奈米科技研究中心、能源與資源研究中心的不同實驗室與研究團隊，他們均擁有與時俱進的前瞻研究創意與精彩研發成果。值得一提的是，本校光電系蔡雅芝老師與國家高速網路與計算中心計畫合作共同負責維護奈米科學網(NanoScience)，內容平易近人，範圍淺入深地且相當廣泛，並富有許多即時的最新研究發展報導，在此像大家推薦，網頁位置是http://nano.nchc.org.tw/aboutnano.php。另外，本校的奈米科技研究中心網頁亦有許多奈米材料與製程介紹，同學們也可利用奈米中心網頁所羅列許多國內外重要奈米科技的網站超連結，請同學們多加利用、查詢相關資料，http://www.nano.fcu.edu.tw/nanoslink.html。