奈米科技是一門跨領域(multidisciplinary)的學問。也就是說,製作奈米材料與元件的技術並非某一理工學門的專利,反而是開放給所有領域的人來合作研發。以黃金奈米粒(gold nanoparticles)子為例,常見的即有電化學還原(electrochemical reduction)、化學還原(chemical reduction)、雷射剝離(laser ablation)與電弧/蒸氣(electrical arc/vapor)等方法。正所謂戲法人人會變,巧妙各有不同。同一種奈米材料,因著每一個人的本領、技術與專業不同,可以用許多不同的方法製得。以下將逐一介紹。每文所介紹的方法,皆附有影片網址可連結到YouTube瀏覽,讀者可同時搜尋其他的相關影片。 首先,電化學還原法是將黃金線作為正電極,在高電壓(36 V)下與沸水中,加入食鹽為電解質與檸檬酸鈉為還原劑,將黃金電解成3價陽離子並同時還原成奈米金粒子(圖一,裝置與產物)。此法屬於具電化學背景之人會想出來的製程。一般要將黃金溶解非常困難,必須使用王水(aqua regia,一份硝酸加三份鹽酸),而此法不必用到強酸,是其一大優點。生成之奈米金粒子或膠態金(colloidal gold)為粉紅色,與黃澄澄之黃金塊材迥異,此乃奈米材料有趣現象之一。所謂膠體粒子(colloid)為粒徑小於1000 nm之顆粒,其每單位質量之表面積(比表面積,specific surface area)較一般粉體為大,所以粒子間之作用力、表面能與反應性也較高。而奈米金之粒徑通常在10 nm以下。(影片與圖片來源:http://youtu.be/mK4xL8D66Xg

圖一:以電化學還原法製備奈米金

          第二種方法為化學還原法,是將檸檬酸鈉作為還原劑加入氯金酸(chloroauric acid,HAuCl4,一份鹽類加一份三氯化金)水溶液中,形成奈米金之膠態溶液(如圖二所示)。氯金酸可用類似前述電解法來製備,但只需要鹽酸而不必用到王水(http://en.wikipedia.org/wiki/Chloroauric_acid)。請注意圖中奈米金之顏色一開始為紫色,若繼續實驗則會變成紅色,表示粒徑逐漸變大。(影片與圖片來源:http://youtu.be/-rbz3uLZvPc

圖二:以化學還原法製備奈米金

第三種方法,稱為雷射剝離法,其原理與近視患者所接受的雷射手術類似,且與第四種方法同樣屬於物理專長的人會想到的技術。該法使用50 W之皮秒(picosecond)雷射,在丙酮中對金屬進行剝離使碎片成為奈米粒子,其優點為不用添加任何化學藥品(除了溶劑),且適用於多種金屬。在影片中吾人可看到多種金屬奈米粒子的顏色皆與原塊材不同,例如奈米銀粒子變為金黃色而非白花花。(影片與圖片來源:http://youtu.be/kOy0yuWpUzU

圖三

最後一種方法,即電弧/蒸氣法(圖四A),是將2條黃金線作為電極,在水中以80 W之微波爐換能器(microwave oven transformer)將金線汽化為蒸氣。金原子冷凝後,即成為分散在水中之奈米金粒子(圖四B)。此法每小時可汽化20 mg之黃金。(影片與圖片來源:http://youtu.be/3NE2M_TzE5c

圖四(A):以電化學還原法製備奈米金

圖四(B):以電化學還原法製備奈米金