奈米粉體合成與應用

1. 奈米粉體合成與應用 奈米科技

2. 奈米概念 人高 1 奈米 (nanometer) = 十億分之一米(10-9 m) 針頭 紅血球 分子及DNA 氫原子 106 nm 103 nm 1 nm 109 nm 0.1 nm 奈米科技 應用奈米尺度之相關知識，製作奈米材料，改善人類生活的科技。

3. 奈米改變生活 人生病時不用吃藥，只要在體內注入微型機器人，讓它在體內來回送藥，清掃動脈，甚至修復心藏、大腦和其他器官而不必外科手術。 奈米不是稻米 收割週期的不同。 農民收割稻米從春播到秋收要100天。 奈米工程收獲成果則無固定時間，但價值是稻米無數倍。

4. 17世紀牛頓由蘋果落地領悟出地心引力、自由落體的道理。 • 大自然的奧秘無窮盡，存在許多奈米尺度的現象: ~荷葉出汙泥而不染-具有奈米微結構之功能。 ~貝殼的生成-室溫下利用有機物作為模板自組裝無機/有機複合材料。 ~蜜蜂辨識方位-體內含有奈米磁性粒子如同羅盤可導航。 ~………. • 人類歷經第一次工業革命-瓦特發明蒸汽機(1765) • 第二次工業革命-電晶體的發明(1948) • 科技的進展至21世紀，人類可以著手研究近分子原子等級的 物質操控、設計和製造。21世紀奈米科技的衝擊下將引發第 三次工業革命嗎?

5. 奈米主導21世紀技術革命 • 美國自1991年把奈米技術列入『政府關鍵技術』，2002年預 算再編列4.19億美元進行奈米技術研發。 • 德國在1993年提未來10年有9項重點研發中，其中就有4個是 奈米技術。 • 日本2002年預計投入350億日圓奈米技術研究。 • 澳洲1993年將奈米列入優先開發項目。 • 台灣2001年於竹科成立奈米科技中心，未來六年再投入 231 億發展奈米科技，2010佔全世界年產值14000億美元的5%。

6. 奈米科技是新科技嗎?~奈米科技的崛起絕非偶然奈米科技是新科技嗎?~奈米科技的崛起絕非偶然 • 宇宙萬物皆由奈米級的原子與分子構成。 • 奈米尺度(1-100奈米)的材料如：觸媒、塗料等早已存在至 少數百年以上。 • 大多數生物系統是奈米科技。 • 此波奈米科技的進展導因於1980年代下列分析儀器的進 步，提供奈米尺度觀察、分析、物化性質研究與操控原子 和分子的工具與能力: 1.掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM) 2.原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM) 3.近場光學顯微鏡(Near-Field Microscope, NFM)

7. 奈米技術革命源於美國 2000年1月美國前總統柯林頓發表『國家奈米技術策略』提出 【奈米技術主導權】並說： 1.增加單位面積的記憶容量1000倍，將整個國會圖書館的資料儲存於 一塊方糖大小晶片上。 2.在原子與分子的領域上由下往上建構元件材料，可以更高密度、更 省材料、且減少污染。 3.發展奈米材料，其重量僅為鋼的十分之一，其強度卻是鋼的10倍。 4.提高現有P-III一百萬速度的電腦。 5.將奈米機械裝置應用到癌細胞偵測與基因、藥物傳送到器官上。 6.清除空氣與水中最小的污染物。 7.提升現有太陽電池的效率至2倍以上。

8. Internet上的奈米資訊 天涯若比鄰-網際網路地球村 他山之石可以攻錯

9. 工研院奈米科技研發中心 http://www.ntrc.itri.org.tw/about/background.jsp

10. 奈米創新網http://nano.stpi.org.tw/

11. 科技政策研究與資訊中心http://www.stpi.org.tw/

12. 奈米國家型科技計畫http://nano-taiwan.sinica.edu.tw/

13. 全國碩博士論文資訊網http://etds.ncl.edu.tw/theabs/index.jsp全國碩博士論文資訊網http://etds.ncl.edu.tw/theabs/index.jsp

15. 國科會http://www.nsc.gov.tw/

16. 國際奈米材料技術發展概況 全球2010年奈米技術之市場規模預估將超過1兆美元，加上奈米技術對於軍事、航太等國家安全相關科技之發展息息相關，因此吸引各國政府投入預算進行先期研究；歐美日各國業者也積極投入相關產品之開發。2001年世界各國政府投入12億6千萬美元來進行奈米技術 的研究開發，其中以美日兩國最為積極。 美國 美國聯邦政府積極投入奈米科技之研發，在柯林頓政府時代由美國國家科學與技術委員會(National Science and Technology Council, NSTC)針對奈米技術提出「國家奈米倡議」(National Nano Technology Initiative, NNI) ，針對美國聯邦政 府發展之奈米科技進行具體規劃與資源分配，NNI計畫具有下列幾項的特徵： 1.半導體微細加工部分另外獨立編列預算，從最基礎的項目發展奈米科技。 2.計畫涵蓋基礎研究、挑戰性研究、網路構築、強化研究基礎設施、社會倫理及 教育訓練推廣等項目。 3.國會及各相關部會積極參與，發揮各自角色功能。 4.組織架構及預算分配展現極度平衡。 5.成立諮詢委員會，以強化計畫執行的監督功能。

17. 2001年美國聯邦政府已投入4億2千萬美元預算進行奈米科技研究，2002年更提出5億6千8百萬美元預算，由國防部(Department of Defense, DOD) 、能源部(Department of Energy, DOE) 、司法部(Department of Justice, DOJ) 、環境保護署(Environment Protection Agency, EPA) 、太空總署(NASA) 、國家衛生院(NIH) 、國家標準與技術研究院(NIST)及國家科學基金會(National Science Foundation)等八個聯邦政府單位，從事基礎奈米科技與重大挑戰項目之研究，建立基礎研究設施，中心與研究網路，並進行奈米技術對倫理、 法律、社會之影響研究，同時亦進行奈米科技之教育培訓。

18. NII將美國聯邦政府在奈米科技研究區分為下表之15項目等研究領域，依各領域NII將美國聯邦政府在奈米科技研究區分為下表之15項目等研究領域，依各領域 及各單位之特性，規劃不同單位進行該領域之研究計劃。 美國為全球科技領先之強國，不論資金、技術、人力、環境均有新興科技之發展，美國聯邦政府結合產官學研合力研究奈米科技之方式，可為台灣之借鏡。

19. 日本 日本自1991年開始，陸續投入奈米技術之研究，在美國政府積極推動奈米技術影響下，2001年日本政府由科學省與經濟產業省推動奈米技術之研究，政府預算達到512億日圓，較2000年成長66%。由主導材質材料研究機構(23億日圓)、理化學研究機構(20億日圓)、原子力研究(1億日圓)、科學技術振興事業團(143億日圓)等，共同執行文部科學省187億日圓預算。另外經濟產業省計畫投入50億日圓推動高分子材料、無機、金屬、非晶質、複合材料及基礎知識六大項之材料基礎研究，目標是2007年以前將研究成果轉移產業應用；此外經濟產業省也計劃投入51.7億日圓預算，進行半導體與 資訊相關之奈米技術研究。

20. 台灣 在台灣，奈米科技已成為國家型計畫，計畫在未來5年內投入231億元經費進行研發，盼以美國NII為例，不僅規劃研究方向、進度、預期成果、基礎設施等課題，以期將經費作最有效之利用，也考慮奈米科技對社會、文化之衝擊，以及對產業之影響，同時注重奈米教育之推廣，希望奈米科技能如網際網路一 般，落實於生活之中。 奈米國家型計畫規劃範圍包括學術卓越、產業化技術、核心設施建置與分享應用、人才培育等四項分類計畫，此外，再計畫推動上億成立計畫審議小組、產業推動小組、國際合作推動小組 和行政院小組，其計畫詳如右圖所示。

21. 奈米科技研發體系 台灣政府將極力爭取未來十至十五年間一兆美元奈米產業的國際市場商機，包括奈米技術應用於材料與製程，十年後每年預估可創造三千四百億美元產值，應用在電子半導體產業每年可創造三千億美元。 工業技術研究院已於2002年元月成立「奈米科技發展中心」，進行下列各項研究： 1.半導體奈米材料製備暨基本物理化學性 質研究。 2.磁性奈米材料基本物理化學性質的研究 及其應用的探討。 3.金屬奈米材料基本物理化學性質的研究 及其在催化和特殊光學材料上的應用。 4.特殊奈米結構材料製備技術的發展及其 在光電產業上的應用。 5.掃描式微探測技術的發展及應用。 6.超分子化學和自組裝材料合成技術上的 發展。 7.奈米孔洞材料合成及應用。

22. 大陸 大陸被預測是未來20年新誕生的超級強權，其廣大土地及眾多的人口，將成為未來先進國家奈米產品進軍的首要目標市 場，而大陸亦積極在奈米技術領域上展現其特有的實力。 大陸奈米材料研究始於80年代末，”奈米材料科學”列入國家重點項目。國家自然科學基金委員會、中國科學院、國家教委分別組織8項重大、重點項目。自1999年到2001年間，共 資助項目530項，其中50萬人民幣以上的項目73項目。 在基礎研究和應用研究方面，500萬人民幣以上的項目25項。資助的總經費大約3億人民幣，大陸在奈米材料的專利數量佔世界總量的9%，這說明在材料領域大陸已具有與其他先進國家相當的基礎；生物醫藥領域雖然有一定的基礎，專利數佔世界總量的3%，但總體上還很薄弱；在奈米電子領域上處於明顯落後的狀態，專利數只佔世界總量的1%， 社會資金對奈米材料產業化亦有一定投入。

23. 奈米材料定義與範疇 早期材料領域研究人員僅以奈米晶體材料(nanocrystalline materials)涵括奈米材料，為因應研究範圍的擴大，研究人員逐漸將奈米粉體(nanoparticle)、奈米元件(nanodevice)、奈米多孔材料(nanoporous materials)納入奈米結構化材料(nanostructured materials)的範圍，甚至有奈米結構化表面(nanostructured surface)的塊材亦涵蓋在內。 為因應奈米材料的發展彈性，奈米材料的定義是指材料特徵長度，在100nm以下，此長度可以是粒子直徑、晶體尺寸、鍍層厚度等，且具有與一般物質不一樣 之性質的材料分稱之為「奈米材料」。 不過材料的尺寸範圍限定並不是那麼嚴格，而是著重於材料的性質是否有重大變異，即不同於微觀也不同於巨觀物質，而是具有嶄新的特性，所以，即使材料尺寸達到奈米的範圍，但材料性質沒有獨特的變化，也稱不上是奈米材料。

24. 奈米材料的製備大致上可分為物理與化學兩種方式：奈米材料的製備大致上可分為物理與化學兩種方式： 物理方式主要是由上而下(top-down)改變蝕刻技術的方式，使能製 備比0.01微米更小的材料尺寸。 化學方式則是由下而上(bottom-up)透過微乳化、溶膠凝膠等方式漸 漸往上成長為奈米粉體，如下圖所示。

25. 奈米材料分類 根據不同的分類依據，奈米材料也有不同的分類方式，如下表所示。 奈米維度與能隙(energy gap)之關係如右圖所示。

26. 奈米材料特性 物質中電子的波性及原子間的相互作用會受到尺寸大小的影響。由於奈米材料體積小，表面積相對增加，許多材料特性透過表面發生作用，材料之活性也因而提升。奈米材料的基本性質，例如熔點、磁性、電學性能、光學性能、力學性能和化學活性等都和傳統材料差異頗大，由下表可得知。

27. 奈米科學與技術之主要重點 下圖說明奈米科學與技術(Nanoscience and Technology)主要之重點在於奈米材料、奈米製程與檢測及奈米製品(包括元件與系統) 。

28. 奈米材料之核心技術 奈米特性檢測 ~物理特性(如電性、光學、磁性、熱性質等) ~化學特性(如活性、穩定性等) ~成份與微結構分析 ~各種顯微鏡(AFM、SEM、SPM、TEM…)分析及鑑定技術 ~粒徑分析、孔隙性檢測 ~表面能測定 ~機械性質測試 奈米特性操控 ~成分操控 ~尺寸操控 ~介面操控 ~膜層設計 奈米材料製作/合成方法 ~氣相法(氣相沉積法、雷射合成法等) ~液相法(化學沉澱法、溶膠凝膠法、微乳液法、水熱法等) ~固相法(機械研磨等) 奈米元件及系統製程及技術 ~分散技術 ~塗佈技術 ~懸浮技術 ~燒結及成型技術 ~成膜技術

29. 奈米材料與其他學科的關聯性 奈米材料科學是原子物理、凝聚態物理、膠體化學、固體化學、配位化學、化學反應動力學和界面科學等多種學科交叉混合而出現的新學科。由於奈米材料中包含許多未知過程和新奇現象，很難用傳統物理及化學理論進行解釋，所以從某種意義上來說奈米材料的研究發展，勢必會把以物理及化學為基礎的各種學科推向一個新的層次，也給新世紀的物理及化學帶 來新的研究觀點。 ~光、熱、電、磁等物理特性 奈米金屬材料的電阻值隨尺寸下降而増大，電阻溫度係數的下降甚至會 達到負值。 奈米金屬氧化物的電阻值隨尺寸下降而減小。 奈米氧化物和氮化物在低頻下，介電常數增大幾倍，甚至增大達一個數 量級，表現出極大的增強效應。 ~表面效應 粒徑為2nm時之表面積將會是5nm時的1.6倍，表面積的增加，會造成比 表面鍵態嚴重失配，進而出現許多活性中心，會使得表面出現非化學平 衡、非整數配位的化學鍵。

30. ~催化作用 粒徑為30nm的鎳可提高有機化學中加氫和脫氫之反應速率15倍。 在環二烯的加氫反應中，奈米粉體做催化劑比一般催化劑的反應速率提高10~15倍。 在甲醇水溶液中，加入奈米鉑催化劑(以氧化鈦為載體) ，進行光照射，可製取氫氣， 且產率比原來提高幾十倍。 ~複合材料 金屬的奈米粉體摻混入一般陶瓷中可大幅改善材料的力學性質。 奈米氧化鋁放入橡膠中，可提高橡膠的耐磨性和介電性。 奈米磁性氧化物與高分子複合，具有良好的微波吸收特性。 ~奈米生醫 以奈米磁性材料作為藥物載體，稱為生物導彈，即在磁性Fe3O4奈米粉體中，包覆表 面攜帶藥物的蛋白質，注射進人體血管，再利用磁場的導航輸送到病變部位才進行藥 物釋放，可減少肝、脾、腎等由於藥物而產生副作用，且也可減少藥物用量。 由此可見，奈米材料的出現，使人們對材料的基本物理效應研究不斷引向深入，且奈米粉體的獨特性質，在其他的學科，都有很好的發揮機會，奈米科技和其他科技的結合，更能達到一般材料所無法達到的特殊性。因此，奈米結構的出現，有利於人們進一步建立新原理，並為奈米材料體系的理論奠定下基礎。

31. 顛覆性的改變 世界各國都投入奈米科技，聽起來像神話卻一一出現。 德國研發奈米牙膏，利用微細黏膠顆粒能自動修補蛀牙裂縫。 英國研發奈米氣喘警告手錶，透過奈米微量偵測技術提早警告有致喘物質。 美國正發展間諜功能的智慧灰塵，灰塵中奈米偵測裝備可以收集資訊。 日本的奈米玻璃照到太陽後，奈米粉體氧化會自動清洗窗戶髒污。 韓國發展出奈米碳管顯示器，螢幕厚度不到一公分。 材料微小化的趨勢 化纖製品或紡織品中，添加奈米粉體可抗菌，添加金屬粉體可抗靜電。 奈米塗料之抗菌與防油污。 家電中導入導電奈米材料，可使其彩色化。(傳統使用碳黑) 生醫材料或藥物奈米化後可使皮膚直接吸收，不需經腸胃體液的考驗。 個人彩色影像輸出印表機，染料奈米化之顏料墨水。 微機電裝置或電路板之微細化將帶來生活應用電子產品的便利性。 耐燃物質奈米化後之功能特性提升。 傳統色料奈米化在塗料、油墨上色彩及功能特性之提升。 資料來源：成功大學黃肇瑞老師所著“奈米陶瓷特論”課程講義

32. 奈米材料的應用 食 衣 • 食品添加劑 天然色素: 胡蘿蔔素、玫瑰花瓣 天然纖維: 蘆薈 • 食品/飲料包裝(低吸溼/透氣特性) 葵花子包裝袋(PE/NanoClay) 罐頭軟包裝(Nylon/Nanoclay) 果汁瓶(PE/(Nylon/Nanoclay)/PET) 啤酒瓶(Nylon/Nanoclay、PET/Nanoclay) • 食品/飲料包裝(抗紫外線) 奈米TiO2/aPET (Novaclear) • 健康食品(Nano-Size、增加吸收、奈米破碎吸收) • 奈米中草藥(奈米止瀉劑、各種中草藥) • 生酒催化(去除醛類、甲醇類、奈米對撞機、奈米化處理) • 防污卡其布 (牛仔褲、工作服等Nano-Care) • 防污布料(瑞士) • 機能性布料 (抗UV、吸收遠紅外線、尼龍/機能性黏土) • 保溫潛水衣 (尼龍/機能性黏土)

33. 住 行 • 自潔建材 玻璃 水泥 石材、磁磚 • 衛浴設備 (奈米表面結構、Ag離子殺菌劑) 馬桶 洗手檯 • 家電產品 (光觸媒、奈米表面結構) 空氣清淨機 光觸媒環保健康扇 洗碗機 無菌防污除臭冰箱 防污洗衣機 吸塵器 • 汽車 Fuel Cell (Nanojet, 觸媒) Fuel Tank (減少HC 排放) NanoPorous Filter (減少Particle 排放) 內部奈米塗裝(降低磨擦) 減重 車身: 鐵→NanoComposite 車窗: 玻璃→PC Composite 車身，可改變顏色、形狀 Solar Roof →Solar Car Body • 電動機車、腳踏車、高爾夫球場電動車 鎳氫電池隔離膜 • 行動電話 Micro Fuel Cell (電極、觸媒)

34. 育 • 電子書 • 電腦 • Micro Fuel Cell (電極、觸媒) • 電池(電極、隔離膜) • 資訊儲存 • 光碟片 樂 • 電視 • CNT-FED • 整合型可撓式TFT-LCD • 類玻璃基板、塑膠基板 • 多功能光學膜 • 影音光碟片 • 運動器材 充氣球鞋 透明鞋底 網球(阻氣) 球拍(剛性強) 排球(不沾水、不沾污) 滑雪桿