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奈米是什麼

2013-02-07 12:21:21
 

奈米 (nanometer)是一個長度的單位。1奈米 = 十億分之1(10-9 meter),約為分子或DNA的大小。

奈米結構的大小約為1 ~ 100奈米,即介於分子和次微米之間。在如此小的尺度下,古典理論已不敷使用,量子效應(quantum effect)已成為不可忽視的因素,再加上表面積所佔的比例大增,物質會呈現迴異於巨觀尺度下的物理、化學和生物性質。奈米結構除了尺寸小之外,往往還擁有高表面/體積比、高密度堆積以及高結構組合彈性的特徵。奈米科技涵蓋的領域甚廣,從基礎科學橫跨至應用科學,奈米科技主要包括: 1.奈米體系物理學、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。

牛頓雜誌曾經以地球作比喻:「一米」與「一奈米」的大小相比較,相當於地球的直徑與地球上的一顆玻璃彈珠。可見奈米是多麼的微小,它已經遠遠超過了人類視覺可及的範圍。一般來說,1奈米大約是「23個金屬原子」,或「10個氫原子」排列在一起的”寬度”。

奈米結構並非近年才存在,早在一千多年前,我們的袓先就有了制造和使用奈米材料的歷史。如我國古代利用燃燒蠟燭的煙霧制成炭黑作為墨的原料以及用於作色的染料,就是最早的奈米材料。 自然界中的荷花能出淤泥而不染,訣竅就在荷葉表面精密的奈米結構,污泥塵土不易附著,水珠落在其上呈現滾動而非擴散的狀態。

隨著科技的演進,科學家們逐漸發展出人造奈米結構材料製備與驗證等技術,物質進入奈米尺寸時所展現的特性及活力,往往與往常大不相同,如銅為良導體,奈米銅卻是絕緣體,而微米級與奈米級光觸媒的活性,因表面積不同而有千倍以上的差距,奈米結構的應用對人類而言,仿若再一次發現新大陸。

奈米微粒

奈米微粒是指顆粒尺寸為奈米量級的超細微粒,它的尺度大於原子簇(cluster),小於通常的微粉。通常,把僅包含幾個到數百個原子或尺度小於1nm的粒子稱為“簇”,它是介於單個原子與固態之間的原子集合體。奈米微粒一般在1~100nm之間,有人稱它為超微粒子(ultra-fine particle)。奈米微粒是肉眼和一般顯微鏡看不見的微小粒子。大家知道,自然中的紅細胞的大小為200~300nm,一般細菌(例如:大腸桿菌)長度為200~600nm,引起人體發病的病毒尺寸一般為幾十奈米,因此,奈米微粒的尺寸為紅細胞和細菌的幾分之一,與病毒大小相當或略小些,這樣小的物體只能用高倍的電子顯微鏡進行觀察。

  當小粒子尺寸進入奈米量級(1~100nm)時,其本身具有量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應,因而展現出許多特有的性質,在催化、濾光、光吸收、醫藥、磁介質及新材料等方面廣闊的應用前景。

廣義地說,奈米材料是指在三維空間中至少有一維於奈米尺度範圍或中它們作為基本單元構成的材料。如果按維數,奈米材料的基本單元可以分為三類:

A.
零維,指在空間三維尺度均在奈米尺度,如奈米尺度顆粒、原子團簇等。

B.
一維,指在空間有兩維處於奈米尺度,如奈米絲、奈米棒、奈米管等。

C.
二維,指在三維空間中有一維在奈米尺度,如超薄膜、多層膜、超晶格等。

奈米奇特的物性

  奈米微粒具有大的比表面積,表面原子數、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加,表面出小尺寸效應、表面效應、量小尺寸效應及宏觀量子隧道效應特點,從而導致奈米微粒的熱磁、光、敏感特性和表面穩定性等不同於正常粒子,這就使得它具有廣闊的應用前景。

奈米科技涵蓋的領域甚廣,從基礎科學橫跨至應用科學,包括物理、化學、材料、光電、生物及醫藥等。例如奈米科技專家利用一種一端呈輪狀的合成酵素來驅動微型螺旋槳,製造出大小僅十幾奈米的分子馬達,成為分子機械上的一大突破。又例如IBM已成功地採用半導體碳奈米管製成場效電晶體,並進一步製作出單分子邏輯閘,是為分子電子學上的一大進展。


在產業方面,奈米科技已經被公認為21世紀最重要的產業之一。從民生消費性產業到尖端的高科技領域,都能找到與奈米科技相關的應用。例如有名的「蓮花效應」(lotus effect)是指荷葉由於表面的奈米結構,因而具有抗水防塵的自潔功能,這個特性能用來改善高科技的戰機雷達天線罩,也可以運用來生產自潔玻璃及奈米馬桶等民生用品。