奈米科技與生活 (一)

奈米科技是當今相當熱門的話題，而奈米技術的產品應用於日常生活的食衣住行育樂醫療等更是無所不在，其對人類生活之重大影響由此可想而知。本期之「奈米科技與生活」首先對奈米科技的發展與特性作一摘要性回顧，而奈米科技產品在日常生活的應用，將在下一期作詳盡的介紹。

在探討奈米科技之前，必須先對科學上長度的單位有所瞭解，表一簡單說明各長度單位的界定及其具適當代表性之物體。由表一可知，奈米可不是蓬萊米或在來米等穀類，它是長度的一個單位，約莫為三個氮原子串聯起來的長度。以實物來舉例，倘若我們將一公尺比喻為地球之直徑，則一奈米的長度約莫為一個玻璃彈珠之直徑大小。究竟奈米科技是什麼呢？奈米科技實乃奈米尺寸下之科學與技術，一般多數科學家對奈米科技的定義是，在 1–100 奈米尺寸等級的微小世界裡，研究、量測、操控或製造原子、分子或聚合物之基本性質或結構，並進一步將此特性加以應用之科學與技術之總稱。它是跨領域的高度密集結合，所涉及之領域相當廣泛，舉凡物理、化學、生物、材料及工程等方面皆與奈米科技有很深的關連性，因此之故，其應用層面也極為多元而廣泛，對人類日常生活之影響極具震撼力。

回顧人類科學史之發展，科技尺寸隨著科學的發達而越來越細微。西元前 2000 年代之農業時期，人類以農耕及捕魚獵獸為生活型態，其科技尺寸為農具等級的釐米階段。在沈寂很長一段時間後，西元 1750 年代肇始於歐洲的第一次工業革命，成功地將科技尺寸推向機械等級的毫米尺寸，此時蒸氣機的發明，帶動交通運輸、冶金、採煤等各項機械相關產業的蓬勃發展。隨後兩百多年間，科技尺寸依舊停留在毫米尺寸，並沒有明顯向更微小的階段邁進，儘管如此，人類在此期間還是開創了不少成果，諸如內燃機、電機、石化及太空科技等成就，此階段稱為第二次工業革命。

西元 1960 年代起，人類陸續發明了電子計算機、電晶體、積體電路及個人電腦，這些資訊技術的迅速發展，得以邁入第三次工業革命，並順利將科技尺寸推進到 CMOS 等級的微米層次。成千上萬的電晶體相嵌在微小的晶片上，使其功能越來越強大，而體積卻是越來越微小，進而造就了電腦資訊的大革命，提升人類科技文明，同時也大幅改寫了人類生活和工作型態。

歷經前三波工業革命後，接下來的人類科技又將會邁入怎麼樣的一個新世界呢？「科技始終來自人性」，大家耳熟能詳的 Nokia 廣告標語在此作了最佳的註解。在追求輕、薄、短、小、快速及多功能的下一代電子產品同時，科技尺寸精準地往下推展到分子等級的奈米尺寸，人類不知不覺已進入下一波的工業革命。近幾年來，分子層次的奈米科學一直是眾所矚目的科技新寵，隨著世界各國競相投入大筆經費在此領域之研發及訓練，奈米科學儼然成為新世代發展之趨勢，也被公認為 21 世紀最重要的科技產業，人類的第四次工業革命從此開展。

奈米科技的發展可追溯自諾貝爾物理獎得主費因曼 (Richard P. Feynman) 於 1959 年提出的概念：「如果有一天，人們可以按照自己的意志來排列一個個的原子，那將會產生怎樣的奇蹟呢？」此夢想直到 1982 年瑞士 IBM 公司蘇黎士研究實驗室 (Zurich Research Laboratory) 的賓尼格 (Gerd K. Binnig) 及羅樂爾 (Heinrich Rohrer) 兩位研究員發明「掃描穿隧式顯微鏡 (scanning tunneling microscope, STM)」， 及隨後 1986 年賓尼格和同事進一步發明「原子力顯微鏡 (atomic force microscope, AFM)」後，物質之奈米結構特性才得以清楚觀察，而奈米的謎樣世界也從此正式揭開序幕。

經過三年餘的時間，在 1990 年時，IBM 實驗室的伊格 (Don M. Eigler) 研究員利用 STM 在超高真空和極低溫的條件下，在鎳基板上操縱三十五個氙原子而成功排列成「I-B-M」三個英文字母，這是人類史上首次以自己的意志操控原子的排列。同年七月，第一屆國際奈米科學技術會議在美國巴爾的摩港市 (Baltimore) 舉行，此為奈米科技正式獨立成為一門學科的里程碑，更標誌著奈米科技正式誕生。

奈米科技之所以能在今日大放光彩，乃因物質於微小的尺寸下，其特殊之奈米結構會改變物質之基本物理化學性質，而異於一般大尺寸世界下之行為，例如力學性質、光學性質、電性質、磁性質、熱性質、表面性質等方面，皆會在奈米尺寸下展現出不同於大尺寸世界之特性。

舉例來說，一般巨觀的金塊是物化性極為穩定之物質，然當其尺寸縮小至奈米尺寸時，金粒子之表面原子比例大增，造成金粒子表面能量升高，而物理化學活性亦隨之大增，此特性可作為化學反應之活性劑或觸媒，而奈米尺寸下之金粒子，顏色會從金色變為鮮紅色，可用於驗孕試劑或其他醫學疾病之篩檢。成分為二氧化鈦的「鈦白粉」是化學工業裡極為常見的白色顏料，然當二氧化鈦顆粒細小到奈米等級時，其特殊之奈米結構在受紫外線照射激發後，電子會由價電帶躍遷至導電帶，而形成的電洞與電子對會進一步與二氧化鈦周圍的水分子與氧分子，分別進行氧化與還原反應，而產生具化學活性之 ‧OH⁻ 及 ‧O₂⁻ 自由基，此特性有「紫外線吸收劑」之效果，可應用於美白化妝品，而其「光觸媒」之效果，可運用於除臭、殺菌、去污、清靜空氣、淨水、發展新能源，甚至可用於食品添加物 (已獲美國 FDA 食品檢驗中心認可)。倘若我們能將這些奈米尺寸下獨特的奈米性質如具吸收、催化、吸附及輻射等特性加以強化、隔離並善加應用，相信奈米科技將會帶給人類更舒適美好的生活。(待續)

奈米技術組　林永昇