化学材料的应用与发展课件.ppt

1、化學材料的製造與應用化學材料的製造與應用主題：奈米科技組員： 石依庭 4a040055 李峻昇 4a040063 侯鈞棋 4a040100 王瑜琛 4a040065 李怡玟 4a040059目錄目錄一、奈米科技歷史二、奈米的特性與製造三、奈米科技的潛在危害四、奈米科技的應用五、國內、國外未來發展一、奈米科技歷史奈米科技歷史1959年12月29日物理學家理察費曼在加州理工學院出席美國物理學會年會，作出著名的演講在底部還有很大空間，提出一些奈米技術的概念，雖然在當時仍未有奈米技術這個名詞。他以由下而上的方法（bottom up）出發，提出從單個分子甚至原子開始進行組裝，以達到設計要求。他說道，至少

2、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。 1962年，日本東京大學的久保亮五教授提出了量子限制理論，用來解釋金屬奈米粒子的能階不連續，這是很重要的里程碑，使得人們對奈米粒子的電子結構、型態和性質有了進一步的了解。 1981年，掃描隧道顯微鏡（STM）的發明被廣泛視為奈米元年。 1980年代，IBM的安貝旭等人做出多晶體的金環，金環直徑小於400奈米，線寬在數十奈米左右。當外加磁場時，金環產生震盪電阻，這種現象稱作磁阻效應，而這種效應明顯和環的小尺寸有關，主要是金環內的電子受到金環奈米尺寸的干擾，而在環內兩側震盪。 一般塊狀金是電的良導體，電阻值很小，不受磁場的影響。但上

3、述奈米金環的結果顯示，當金粒子小到奈米尺度時，其物理性質與大尺寸時不同，這個現象可以用來製作新的奈米電子元件。 1984年德國葛萊特等人利用惰性氣體蒸發凝結法，製得鐵、銅、鉛及二氧化鈦的奈米粒子。其中，二氧化鈦的奈米顆粒具有良好的延展性，可以改善陶瓷材料的脆性。 1982年瑞士IBM公司的科學家格爾德賓寧（Gerd K. Binnig）及亨利希羅勒（Heinrich Rohrer），開發出掃描隧道顯微鏡，它主要是利用一根非常細的鎢金屬探針，針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流，同時，物體表面的高低會影響穿隧電流的大小，依此來觀測物體表面的形貌。 四年後，也就是1986年，這兩位科學家和發明

4、穿透式電子顯微鏡的厄恩斯特魯什卡共享諾貝爾物理獎。 到了1985年，史馬利、柯爾和柯洛托在石墨上利用雷射雷射，讓它蒸發而成碳黑，純化後得到的碳簇置於質譜儀中分析，發現兩種不明物質，質量分別是碳的60倍與70倍，因此這兩種不明物質被稱作C60與C70。 C60的形狀像一顆足球，有20個六邊形及12個五邊形的面，共32面的封閉球體。 1985年，史丹福大學的奎特教授以及IBM的格爾德賓寧（Gerd K. Binnig）及亨利希羅勒（Heinrich Rohrer）共同發明了原子力顯微鏡。它也是利用一根探針來掃描物體的表面，當探針靠近待測物體時，探針與物體之間產生作用力，這作用力可以是吸引力或排斥力

5、，並可藉此分析物體表面的形貌。最重要的是，這種儀器可觀察的物體不僅是半導體或金屬，也可以是絕緣體。現在很多生物樣品的觀察，已經大量使用這種設備。 1990年，美國IBM公司的艾格勒利用這種儀器，把35個氙原子（xenon，化學符號是Xe）排成IBM三個字母。這是人類歷史上首次操縱原子，用原子或分子製造機器，也不再是夢想。 1991年，克雷需莫和霍夫曼發展出一次可以做出數公克重C60的方法。現在，科學家也嘗試利用C60的性質製成各種藥物。 1996年霍伊兒也合成出二氧化鈦（TiO2）奈米管。二氧化鈦本身是一個極佳的光觸媒材料，廣泛應用在醫療保健，例如消滅細菌或是殺死病毒。開發出奈米管狀的二氧化鈦

6、，應用範圍也會更多樣化。目前，科學家已嘗試把二氧化鈦奈米粒子或奈米管應用在光敏化有機太陽電池上，做為光電轉換材料，現在已經可以達到實用水準。 2001年在日本舉行的奈米碳管發現十周年研討會中，韓國三星公司展示用奈米碳管做成的場發射全彩色電視螢幕。這個電視的螢幕是由多層壁奈米碳管的前端，產生場發射電子做為電子源，而應用在平面顯示器上。至於醫療用小型X光產生裝置的電子源，也可以應用奈米碳管。奈米科技已被視為新一波產業革命的源頭技術，歐美日本等國家的政府部門，近年來均編列大幅預算，推動國家級奈米基礎科學、工程技術之研發；學術界及產業界亦相繼投注大量人力資金於這場奈米科技的全球競賽中，希冀於專利與產品

7、開發上搶得先機。 美國，在1993年成立第一個奈米技術研究機構來源請求，2000年七月，美國政府向國會提出國家型奈米科技推動與落實計畫書 20002001年，各國相繼針對該國產業現況，紛紛提出奈米科技發展計畫。日本成立奈米材料研究所（Tsukuba）、歐盟成立奈米電子技術聯盟（IMEC）、德國成立六個奈米技術卓越群、中國（北京）成立奈米國家科研中心，台灣工業技術研究院亦於2002年一月，成立奈米科技研發中心。 全球有30餘國規劃及投入奈米領域研發，投入範圍包括物理、生技及電子等前瞻領域研究，及奈米新材料的製造與特性開發來源請求。產業界也透過新建立的奈米材料特性及關鍵技術，開發新產品及改善產品性

8、能，來提升競爭力。 目前為止，奈米科技尚處於一個國際間相互既交流又有點競爭的萌芽階段。二、二、奈米的特性與製造奈米的特性與製造特性：隨著尺寸的減小，一系列的物理現象顯現出來。這其中包括統計力學效應和量子力學效應。並且，同宏觀系統相比，許多物理性質會改變。一個典型的例子是材料的表面體積比。奈米技術可以視作在傳統學科上對這些性質詳盡描述的發展。進一步講，傳統的學科可以被重新理解為奈米技術的具體應用。這種想法和概念上的互動對這個領域的發展起到了推動作用。廣義上講，奈米技術是科學和技術在理解和製造新材料新器械方向上的推演和應用。這些新材料和技術大體上就是物理性質在微尺度上的應用。 和這些系統的定性研究

9、相關的領域是物理、化學和生物，以及機械工程和電子工程。但是，由於奈米科技的多學科和學科交叉的特性，物理化學、材料科學和生物醫學工程的學科也被視作奈米技術重要和不可缺少的組成部分。奈米工程師們住眼觀新材料的設計，合成，定性描述和應用。例如在分子結構上的聚合物製造，在表面科學基礎上的計算機晶片分布設計，都是奈米科技在當代的應用例子。在奈米科技中，膠狀懸浮也有很重要的地位。 材料在奈米尺度下會突然顯現出與它們在宏觀情況下很不相同的特性，這樣可以使一些獨特的應用成為可能。例如，不透明的物質變為透明（銅）；惰性材料變成催化劑（鉑）；穩定的材料變得易燃（鋁）；在室溫下的固體變成液體（金）；絕緣體變成導體（

10、矽）。物質在奈米尺度的獨特量子和表面現象造就了奈米科技的許多分支。製造：製造： 奈米製造技術是電子、光電、機械、生物方面各種奈米元件的基礎製程技術，是提高元件密度及增進奈米系統優越性能的前提，也是降低單一元件成本必經的途徑。 結構材料：結構材料： 由於奈米碳管之優異強度，高強度重量比（strength-to-weight ratio）之新型複合材料之開發，可應用於汽車、航太、建築業等，在此方面的關鍵點為成本考量與均勻品質奈米碳管之量產技術。奈米碳管可用以製造導電塑膠及高效率幅射屏蔽複材，在紡織工業方面，亦具應用潛力。此外，若可克服技術及成本問題，製成奈米碳管電纜，可兼具奈米碳管於結構強度與導電

11、性之優點，將為能源運輸之一大突破。電子工程：電子工程： 奈米碳管在量子效應下展現之電學性質，製成電子工程中之邏輯元件與記憶體，預期可巨幅提升電腦之速度與資料儲存密度，目前最大的礙障在於成本價格太高及奈米碳管連結技術上之困難。Nantero公司已宣稱將於3-5年內推出基於奈米碳管之 1 terabyte NRAM（non-volatile RAM）。此外，奈米碳管之高導熱性，可以應用在奈米電路中高熱量之散佈。 燃料電池：燃料電池： 奈米碳管具吸附氫氣與碳氫化合物之功能，可以應用在航太與汽車工業上燃料電池的氫氣儲存槽。其他：其他： 奈米碳管具彈性且細長的優點，可作為原子力顯微鏡（AFM）或掃描隧道

12、顯微鏡（STM）之探針，大幅提高解析度。碳米碳管的其他潛在應用，包括太陽能電池效能之提升、感測器之開發，及吸收式電磁遮蔽應用。三、奈米科技的潛在危害三、奈米科技的潛在危害和生物技術一樣，奈米科技也有很多環境和安全問題（比如尺寸小是否會避開生物的自然防禦系統，還有是否能生物降解、毒性副作用如何等等）。奈米技術的潛在危害可以廣義的劃分為下面幾個方面:(1)奈米顆粒和奈米材料對健康和環境的潛在危害(2)分子製造(或高級奈米技術)的危害 (3)社會危害 奈米科技大量應用在藥妝用品，如防曬油等，雖然產品沒有強調是奈米技術，但宣稱清亮透明、透明感或是物理性防曬等，主要成分有氧化鋅（zinc oxide）、

13、二氧化鈦（titanium dioxide），則為奈米成分的防曬油。 海生館副研究員、東華大學海洋生物多樣性與演化研究所助理教授陳德豪，以奈米金屬氧化物對魚類之生態毒理為題進行研究，成果刊登在最新一期的國際期刊海洋污染學誌（Marine Pollution Bulletin）。 陳德豪針對氧化鋅、二氧化鈦等奈米金屬氧化物，以斑馬魚為模型物種，在暴露0.1到10ppm不同濃度下，觀察其胚胎及游泳行為。 結果發現二氧化鈦對魚胚胎發育沒有明顯影響，但會出現游泳速度、活動力下降。陳德豪推測，應是奈米顆粒進入斑馬魚的腦部，造成細胞傷害，進而影響行為。 底棲魚貝吸收底棲魚貝吸收 人類吃進潛藏風險人類吃進潛

14、藏風險 至於氧化鋅，不僅隨濃度增加，胚胎孵化變慢，游泳速度、活動力也出現異常。 陳德豪指出，氧化鋅除因顆粒大小造成的毒性外，其解離產出的鋅離子過多，對生物毒害更甚於二氧化鈦。 陳德豪說，奈米顆粒對環境影響，國內外目前仍在實驗室的生物毒性研究，但一般推測，奈米顆粒會跟水中雜質、有機物、污泥結合，沉降到底泥後，底棲性的魚類或螺貝類會吃底泥，透過食物鏈進入生物體，並會累積體內。 成大化工系特聘教授陳志勇指出，奈米對人體、環境的影響，目前尚在研究，沒人敢保證一定沒毒。尤其是化妝品，皮膚毛孔大於奈米，奈米進入人體，即使只塞在毛孔，對身體的排汗功能也不好。但他也質疑市面所謂的奈米產品，根本未達奈米級。四、

15、奈米科技的應用四、奈米科技的應用奈米就是十億分之一公尺，若將台灣島縮小為十億分之一，大小約和一粒鹽差不多；原子直徑平均約零點二奈米，去氧核醣核酸（）直徑二點五奈米，生物細胞一千奈米，打針時的針孔約一百萬奈米。同樣的物質在傳統大尺度與奈米尺度中，會表現出完全不同的透光、導電、導熱、磁性等物理性質，另外腐蝕、氧化等化學作用穩定性也不一樣；也就是說，進入奈米尺度後，所有物質都等於變成一種新物質，這也是奈米科技發展無可限量的原因。不過這些應用大都屬於高科技產業領域，坊間現有的奈米產品，仍以傳統產業為主，利用微小的特性加強原有產品性能。 一般定義小於一百奈米的顆粒就是奈米級，製作出來的產品就是奈米產品，

16、這種極微小顆粒可填平凹凸表面、透光性高（小就是薄）、可穿過皮膚以及人體容易吸收；還有就是微小物質的表面積比例較大，可提高遠紅外線物質、負離子物質、光觸媒的工作效率。 舉例來說，以八塊小方糖和用八塊小方糖組成邊長兩倍的大方糖相比，兩者體積一樣，但八塊小方糖表面積有四十八面（每塊六面乘以八塊），而大方糖卻只有廿四面（每面為小方糖四倍，共六面），由此可知微小顆粒的表面積比例較大。由於遠紅外線物質、負離子物質、光觸媒都不太便宜，若是粒子太大、表面積比例太小，效率無法充分發揮，不符合成本效益，奈米科技正好能突破此一困境，這也是近年來相關產品能陸續上市的主因。 奈米科技引爆了本世紀產業革命奈米科技引爆了本

17、世紀產業革命 奈米科技如今已廣泛應用，甚至可說引爆了本世紀的產業革命，世界各國包括歐美及日本都已投入大量的研究人力與資金積極發展的新科技也逐漸地進入熱烈競爭的狀態。台灣在高科技產業蓬勃發展的榮景下，對於奈米科技的發展，當然也要全力的投入，希望能協助台灣繼續保持甚至更加發揚光大在IC半導體產業成就後，建立另一波高科技產業在全球所必需具備的競爭力。包括工研院、國科會等國家一級學術機構都以投入經費，進行各項研究計劃，已開發生技、資訊、微機電、通訊業技術與奈米結合的創新革命技術。目前無論是消費性電子產品、傳統產業、或是民生工業，都已成功的運用奈米技術，發展出非常的多新產品與商機，也由於影響範圍廣及高科

18、技及傳統產業，其商機與未來發展甚至有取代半導體的態勢！奈米科技因奈米科技因SARSSARS而廣為人知而廣為人知今年四月底、五月初的SARS風暴仍令人記憶猶新，使得相關的醫療防護用品開始被大量需求；這也是我們開始大接觸各種奈米產品的契機，市面上出現了各項奈米科技技術應用在醫療防護上所開發出來的相關產品，例如：奈米觸媒塗佈層的口罩、奈米光觸媒空氣清淨器等。這說明了奈米科技已逐漸地商業化，不知不覺地應用在人類日常生活許多事物中，舉凡防垢布料(利用10到100nm的表面纖維製造)、化妝品(將5到80nm大小的矽土表層黏土粒子作化遮光劑應用在防曬產品中，可有效阻擋紫外線入侵)、抗菌藥品，以及防塵玻璃(在

19、汽車玻璃上加上奈米二氧化鈦分子層，這些分子會和紫外線發生作用，鬆開玻璃上的灰塵，只要灑水或下雨天時，灰塵就會均勻地被帶離玻璃表面，而不留下任何痕跡)等，都已用到奈米科技。 新奈米技術開發要突破的瓶頸新奈米技術開發要突破的瓶頸 奈米科技帶動全球產電子資訊、生醫科技、精密製造、尖端材料及化學工程等各方面革命性的躍進，已受國內各界認同；但是在奈米技術領域研究過程中，產生了許多研究上瓶頸，如：現有製造設備缺乏、加工環境不適、量測的方法不正確和儀器精準度不夠等問題。因此，如何開發較簡便的奈米製造技術已成為趨勢。此外奈米是世界各國都積極投入的新技術，國內要發展米科技，也會面臨全球性的激烈競爭！台灣在3C產

20、品居於世界製造業的關鍵地位，在相關奈米技術的開發上，也已出現無機奈米記錄媒體，奈米介面處理之電池隔離膜，以及電子被動元件等，雖然其成果與歐美國家相距不遠，然若未能即時將奈米材料科技投入產業應用，甚至有可能讓與台灣經濟命脈息息相關的3C產業，喪失原來的優勢與國際競爭力！五五、國內、國外未來發展、國內、國外未來發展1.美國美國（國外）（國外）美國國家科學委員會（National Science Board）於西元2003年底批准國家奈米科技基礎結構網路計畫（National Science Board Approves Award for a National Nanotechnology Inf

21、rastructure Network，簡稱NNIN），由美13所大學共同建構支持全國奈米科技與教育的網路體系。此計畫目的不僅在提供美國研究人員頂尖的實驗儀器與設備，並能訓練出一批專精於最先進奈米科技的研究人員。 美國發展最新奈米細胞製造技術 奈米技術可製造出粒子小於人類血管大小的物體，此技術當前可運用在藥物的包裝技術上，可以精確地確保藥物的用量，未來將運用在癌症化學治療的相關技術上作更進一步的研究。啟動癌症奈米科技計畫為廣泛將奈米科技、癌症研究與分子生物醫學相互結合，美國國家癌症中心（NCI）提出了癌症奈米科技計畫（Cancer Nanotechnology Plan），並將透過院外計畫、院

22、內計畫與奈米科技標準實驗室等三方面進行跨領域工作。計畫設定了六個挑戰 預防與控制癌症：發展能投遞抗癌藥物及多重抗癌疫苗的奈米級設備。 早期發現與蛋白質學：發展植入式早期偵測癌症生物標記的設備，並發展能收集大量生物標記進行大量分析的平台性裝置。 影像診斷：發展可提高解析度到可辨識單獨癌細胞的影像裝置，以及將一個腫瘤內部不同組織來源的細胞加以區分的奈米裝置。 多功能治療設備：開發兼具診斷與治療的奈米裝置。 癌症照護與生活品質提昇：開發改善慢性癌症所引發的疼痛、沮喪、噁心等症狀，並提供理想性投藥裝置。 跨領域訓練：訓練熟悉癌症生物學與奈米科技的新一代研究人員。2.歐盟歐盟（國外）（國外）1.歐盟的國

23、際奈米科學研究政策歐盟計畫為五個主要區域：研究與發展（R&D）、基礎建設（infrastructure）、教育與訓練（education and training）、創新（innovation）以及社會層面（societal dimension）。上百億歐元的經濟營收。歐盟議會也強調提高社會大眾對於奈米科技的認知，也同樣屬於整體奈米根據發展計畫的一部分。另外，公眾健康、安全、環保問題及消費者保護也同樣被包含在此項議題之中。 目前，奈米科學及奈米科技仍屬於新興的R&D領域，其所必須解決與進行研究的對象都存在於原子與分子的階層中。 奈米科學在未來幾年內的應用是眾所矚目，且必將對所有的科技產生重大影

24、響。在未來，奈米科技 的研發工作也將對人體保健、食物、環保研究、資訊科學、安全、新興材料科學及能源儲存等領域產生重大的改變。 西元20042006年歐盟所進行的第六期架構計畫（FP6）中，奈米科技與新興材料研發的經費約為歐元13億，而歐盟議會也有意提高經費並延長研究時程（由西元20072013年）。同時為凝聚與加強所有歐盟會員國在奈米科學方面的研究，因此在規劃上歐盟議會也有意召集民間與其他單位的專家凝聚共識，以強化整體歐盟在此方面研究領域的力量。3.3.台灣台灣（國內）（國內）西元2000年12月中華民國行政院科技顧問會議與西元2001年一月第六次全國科學技術會議（全國科技會議）之結論，均指出

25、奈米科技為台灣未來產業發展重點領域方向，國科會遂於西元2002年十一月廿一日成立工作小組辦公室，負責國家型計畫之規劃，奈米國家型科技計畫工作小組之成員由國科會、行政院科技顧問組、中研院、中華民國教育部、工研院、經濟部、行政院原子能委員會及行政院環境保護署等單位共二十五位代表組成。 國科會並於西元2002年一月十五日召開第一五五次委員會議，討論奈米國家型科技計畫構想；於西元2002年六月第一五七次委員會議中通過奈米國家型科技計畫審議，自西元2003年一月正式開始推動，並決定自西元2003年至西元2008年間，投入經費新台幣231.9億元於奈米科技發展；並於同年九月一日正式成立奈米國家型計畫辦公室，執行整體計畫之領導、策劃與管考。