奈米科学技术.DOC

第十四單元 新材料 1、奈米材料簡介 從古至今人類對於客觀世界的認識是不曾停息的，且都遵循著一個規則就是從認識能直接用肉眼見到的事物開始，然後不斷地深入，慢慢發展成兩個層次:一為巨觀(Macroscopy)的領域，另一個則是指微觀(Microscopy)領域。這裡所提到巨觀領域的下限指的是以人類的肉眼所能見到的最小物體，上至無限大的天體宇宙。微觀領域是以分子、原子為最大的起點，下限為無限小的領域。然而微觀領域及巨觀領域的中間地帶，在近年來引起人們廣泛研究包括從微米(Micro-meter)、次微米(Submicron Meter)、奈米(Nanometer)的範圍。因為該領域中的三維尺寸非常微小的緣故，導致出現了許多新奇的物理性質。 什麼是奈米科技呢?簡單的說奈米科技就是在奈米尺寸下的科學技術，奈米為長度的單位，一奈米等於十億分之一公尺(lnm＝10-9m)，相當於三到四個原子串聯起來的長度。奈米科技(Nano-science Technology)誕生於二十世紀80年代的末期，發展至今大概可分為下列獨立的分支領域，包括：(l)奈米物理學;(2)奈米化學;(3)奈米材料學;(4)奈米生物學;(5)奈米電子學;(6)奈米加工學;(7)奈米力學。它的基本含義為在奈米尺寸(10-10~10-7m)範圍內認識及改造物質的本質，藉由直接操作和安排原子、分子進而創造新的物質。早在西元一九五九年，著名的美國物理學家、同時也是諾貝爾獎得主費曼(Richard Feynman)就曾想到：「如果有朝一日人類能將百科全書儲存在一根針的針尖大小的空間內，並能夠移動原子，那麼將能為科學帶來什麼?!」這對後世的人們來說，無疑是費曼對現今奈米科技發展所做的預言! 在奈米的體系之下，奈米尺寸的物理性質與一般尺寸的物理性質是大大不同的現象。對這些新奇的物理特性及現象的研究，勢必讓人們對現有的物理理論及規律去重新認識和定義，結果將導致新規律、新觀念的建立。 奈米科技的前景是如此地被人們看好，越來越多人投入在這方面的研究，使得關於這方面的論文數量急劇成長。到目前為止，有關奈米科技及奈米材料的國際性學術會議也相繼在世界各地召開。奈米科技是二十一世紀科技產業革命的重要內容之一，同時也是高度交叉的整合性學科，其牽涉的範圍包括物理、化學、生物學、材料科學、電子學。它不僅包含以分析、研究、觀測為主的基礎性學科，同時也存在以奈米加工及工程學為主軸的技術科學。因此，奈米科學與技術是一個結合高科技與科學前瞻性於一體的完整體系。 奈米這個術語最早被用在技術上是源自於西元一九七四年底的日本，但是直到二十世紀的八零年代奈米一詞才被拿來當作材料的命名。奈米在材料上的定義指的是把材料的顆粒限制在1~100個奈米(nanometer)的範圍。在奈米材料發展的初期，奈米材料指的是奈米顆粒或由它們構成的奈米薄膜和固體。到了現在對於奈米材料有了廣義的解釋:奈米材料是指在三度空間中至少有一維是處於奈米尺度的範圍，或者是由它們作為基本單元所構成的材料。如果是以維數分類，奈米材料的基本單元可分為三種:(l)零維，指的是在空間三維尺度均是奈米的尺度，如奈米尺度顆粒等;(2)一維，指的是在空間中有兩維處於奈米尺度，如奈米絲、奈米棒、奈米管等;(3)二維，指的是在三維空間中有一維是以奈米的尺度存在，如超薄膜、多層膜等。 縱觀奈米材料發展的歷史，大致可以把它劃分成三個階段:第一階段(西元1990年以前)主要是在實驗室中尋找以各種方法製備各種材料的奈米顆粒粉體、合成塊體(包括薄膜)，並研究評估技術的方法，探索奈米材料不同於常規材料的特殊性質。由於此階段研究的對象一般侷限在單一材料及單相材料，故國際上通常把這類的奈米材料稱為奈米結晶(Nanocrystalline)或奈米相(Nanophase)材料。第二階段(西元1994年以前)人們關注的焦點是如何利用奈米材料已發現的奇特化學、物理和力學性能及設計奈米複合材料。常用的方式有奈米微粒與奈米微粒複合、奈米微粒和常規的塊體複合及複合奈米薄膜，國際上通常把這些歸類於奈米複合材料。這一階段研究主要專注在奈米複合材料的合成及物性的探索。在第三階段(從西元1994年到現在)奈米組裝體系、人工組裝合成的奈米結構的材料越來越受到人們關注。它們的基本內涵是以奈米顆粒以及它們組成的奈米絲、奈米管為基本單元，在一維、二維和三維的空間裡組裝排列成奈米結構的體系。這些體系包含了奈米陣列體系、薄膜鑲嵌體系。也因為這些奈米顆粒、奈米絲及奈米管都能以規則的次序排列，凸顯了這一階段研究的重點在強調人們可以依照自己的意願設計、組裝、創造新的奈米體系，更有目的地使合成出來的體系依照人們所期望的特性而運作。就如同費曼(Feynman)先前所預言的，如果人類能夠按照自己的意志去操控、排列原子及分子，那將