現任2015~ 交通大學 工學院 韋光華院長

• 1.奈米是什麼？什麼是奈米材料(nano technology)

• 2.奈米科技對人類生活有什麼影響？對工業生產有什麼革命性的改變？

• 3.想請你為讀者介紹交大奈米科技中心，奈米科技研究所

• 4.台灣還有一個叫國家奈米元件實驗室(NDL)，這跟交大的奈米科技中心有什麼不同？

• 5.未來高分子材料的產業發展前景如何？

• 6.可不可以解釋一下什麼是奈米複合材料？

• 7.ITO(銦錫氧化物)具有什麼特性，以及有什麼運用？

1.奈米是什麼？什麼是奈米材料(nano technology)

 講到奈米這二個字，大家都有不同的定義，有些人用尺寸來看，因為這是最自然也是最簡單的，一奈米指的是十的負九次方公尺，是一個很小的長度單位，而一個原子的大小大約是0.1奈米左右。我們指的奈米材料一般來講是尺寸介於數十個原子分子到100個奈米大小，但是有些尺吋在200奈米、300奈米的材料，雖然它的尺吋大於100奈米，但這些材料還是具有奈米的特性。所以只要材料的尺吋小到具有奈米的特性，即使他的尺吋大於100奈米，我們也可以稱之為奈米材料。就我的眼光來看，100奈米是可以做為區分奈米材料和非奈米材料的一個大概分界，但除了尺吋大小之外，還要注意的材料是否具有奈米的特性，奈米的特性指的是當物質小到某一個程度後，它會表現出一般物質所不具有的性質而是具有與原子或分子類似之性質，這稱為奈米的特性。所以我們可已以兩個方面來定義奈米材料，一個是尺吋，一個是特性。 

當一個料料小到奈米尺吋後，以一個球為例子，當一個普通的球縮到奈米級的大小後，球的表面積跟球的體積比較下，球的表面積會佔了極大部份，可以佔到20%、30%，而在微米（十的負六次方公尺）大小的球，其表面積大概只佔了1%而已，甚至連1%都不到。由這個例子，我們可以知道，當一個材料小到奈米級的大小後，其表面積會佔了極大部份，所以材料表面的特性會主導材料的特性，跟一般材料由於表面積佔的比例很小所以材料特性不是由材料表面性質主導有很大的不同。就拿銅為例子做說明，一般尺吋大小的銅線會導電，但當銅小到只有幾個銅原子的大小後，因為幾乎所有的銅原子都集中在表面，但在表面的銅原子會變成氧化銅，所以會造成奈米級大小的銅不會導電。銅會導電性質在當銅縮到奈米大小後就發生巨大的改變，其奈米特性會表現出來，造成銅不會導電。由銅導線的例子可知，當材料小到奈米尺吋後，其特性會改變，會表現出不同於一般材料大小的物理特性和光電特性。

2.奈米科技對人類生活有什麼影響？對工業生產有什麼革命性的改變？

 在柯林頓當美國總統時，有成立一個國家奈米科技委員會，把在分散在美國的國防部、能源部……等有關奈米研究的計畫整合起來。在成立之前，柯林頓的科學顧問曾說二十世紀有三大影響人類生活的發明，就是積體電路、人造高分子材料，及抗生素的發明，但在二十一世紀裡目前最有可能，也是最有潛力改變人類生活的科技就是奈米科技。所以柯林頓把這些分散的機構整合起來，向國會申請撥款成立一個國家級的委員會。奈米科技對人類的生活影響是非常大的，但需要時間發展，要對人類有所貢獻需要做很的實驗，很多的元件，要確定技術是成熟是的才行，至少要好幾年的時間。但最近比較有成果是在奈米生技上面，例如現在有DNA晶片，在你們前幾期有介紹過，也是奈米在生技上面一個簡單的應用。而奈米在除生技外其他方面的應用要有所突破則還需要幾年的時間。

奈米現在還在研究階段，實際上現在工業還沒有能力量產，所以我們可以來談談奈米在工業有什麼樣的潛力。我以量子點來做說明，量子點是一個零維奈米材料，也就是球體的奈米光電材料，以CdS所做成的量子點是一個很有名的量子材料，如果我們用直徑七個奈米CdS粒子做成量子點可以發出紅光，如果用直徑三個奈米CdS粒子做成量子點可以發出藍光，只要改變CdS所做成量子點的大小，就可以發出不同顏色的光，而且只要用同一種材料就可以達成發出不同顏色光的功能。在量子點發明之前，發出不同的顏色的光需要不同的材料才可以達成，而量子點發明後，只需要一種材料就行了，不需要把不同材料混合在一起，這是很神奇的，也是從來沒有發生過的。量子點的應用可以應用在生物上，如DNA、蛋白質的標記，因為量子點會發光，所以可以用量子點來觀察DNA、RNA的變化，可以來觀祭蛋白質的複製，也可以用來檢測疾病，這是非常高科技的應用。

交通大學掌握世界最新技與產業趨勢，成立奈米科技中心，奈米科技研究所，整合奈米科學、奈米技術人才，推動奈米科技研究，並進行國際奈米學術交流…

3.想請你為讀者介紹交大奈米科技中心，奈米科技研究所

 交大奈米中心是去年十一月成立的，主要可分為四個研究領域：奈米科學、奈米材料、奈米元件以及奈米生技四大部份。其中奈米科學是比較基礎的科學，研究怎麼樣操控原子分子使之能有次序的排列以及研究奈米結構的量子現像。奈米材料是研究奈米材料的物理性質、光電性質，像之前所提到的量子點就是一種奈米材料。再接下來就是奈米元件，是指奈米材料所做成的元件，如TiO2所做成的奈米塗料，是一種光催化劑，可用來塗在牆上，它的催化範圍是在表面上，可以淨化空氣中的有機物質加以分解，有環保的空能，這是比較簡單的。比較複雜的像molecular device(分子元件)，這也是一種技術，要如何把分子大小的東西放到元件裡做成分子元件，如量子點雷射，這就牽涉到元件，要如何設計一個元件將量子點放進去做成雷射，這比之前提到量子點用來照光的用途又進了一步，還有像單電子電晶體也是奈米元件的一個例子。至於奈米生技，如DNA晶片就是奈米生技的一種應用，將非常小的分子放在DNA上來檢測疾病。

雖然奈米中心分為四個研究領域，但其實這四個研究領域是密不可分的，前面有提到過，因為奈米科技是一個跨領域的科技，每個領域必須要有所溝通，要了解對方的領域是在研究什麼，有溝通才能進行腦力激盪，進行研究，也才能在奈米技術上有所突破。

4.台灣還有一個叫國家奈米元件實驗室(NDL)，這跟交大的奈米科技中心有什麼不同？

 國家奈米元件實驗室本來叫國家毫微米實驗室，事實上在單位上毫微米和奈米是相同的單位，後來為了統一名稱，所以才改成國家奈米元件實驗室。其實國家奈米中心是以半導體產業為主，所建立的技術和購置的設備都是在輔導台灣電子產業。而交大的奈米科技中心所研究的則比較general，可能在材料，可能在製程，可能在生物。這樣說好了，其實二者最主要的差別是國家奈米中心是採用top-down的作法，top-down就是像是把一張紙愈裁愈小，就像電子元件愈做愈小一樣，但當東西一直小到奈米級後，大小只有100個原子左右，這時候是不是考慮bottom-up是不是比較好呢，就是由小原子堆疊，堆到100個原子左右，而button-up就是交大奈米中心需要發展的新做法。top-down是將東西愈做愈小，從幾萬個原子切切切，切到100個原子大小，還是用bottom-up將一個一個原子排成100原子大小比較快？所以奈米科技現在有一條新的路，就是用bottom-up的方式從原子分子組裝起來做成奈米材料。事實上，bottom-up不是一個新的發明，人體就是一個bottom-up的例子，人是從一個受精卵慢慢分裂而成的，因此在生物科技方面都是採用bottom-up的作法，而NDL的作法也可以做到奈米級的大小，只不過是從大做到小，這是交大奈米中心跟NDL比較大的差異。

因為奈米技術跟生物技術比較相近，所以奈米跟生物的結合很快，比較容易在生物方面有所突破。就我看來，奈米科技大約有百分五十是跟生物結合，而剩下百分五十則是跟光與電的結合。

5.未來高分子材料的產業發展前景如何？

 我認為高分子材料最大的問題是環保的問題，所以用在民生用途上的高分子會逐漸減少，例如塑膠袋、塑膠椅，這此會有一些環保的問題產生。我覺得未來高分子材料發展會比較偏向功能性高分子，功能性高分子就是有某特定的功能，並配合其他的材料來作，比如說在半導體製程裡，有一種對光敏感的高分子材料，光照後會變質，可以將之洗掉，未曝光就留下來，利用這個特性，可以作出各種不同線路的pattern，我覺得這是一個很大的應用，因為用量很少，但確可以發揮極大的效用。另外就是發光二極體，比如大家用的大哥大來講，高分子發光材料有一個很大的缺點，不像無機發光材料一樣可以耐高壓，可以用很久，但用在手機方面，高分子發光材料用來做手機顯示螢幕是不錯的選擇，其優點是可以做大面積，可以做各種形狀可以彎，可以折，製程比較便宜，用料少，環保問題小，不像無機發光二極體易碎，一折就破裂，製程貴等。高分子發光材料壽命雖然較短，但因很多人一二年手機就換一次，所以螢幕的壽命並不須要特別長。

除了高分子在光電上的應用，還可以用在生物上，像drug deliver，送藥到身體是一很大的學問，通常你知道身體那裡有病，但吞了藥之後，但藥是在血管裡亂跑的，只有少部分作在用該作用的地方，樂效也不長，這會造成藥的浪費，也會造成身體的副作用，因為藥可能會作用在不是針對疾病的地方。所以目前有發明了一種高分子材料，末端是樹枝狀，上有官能基，可以綁上藥，這種材料在身體游動時，因為未端是官能基的關係，有專一性，對碰到身體中需要放出藥的地方，才會把藥放出去，而且不會一下就放完，會隨著時間經過而慢慢放出，這樣藥效會延長很多。通當我們吃藥後二小時，血液中藥的濃度是最高的，之後就快速的減少，藥效不長，但如用了像樹枝狀的高分子材料來傳送藥，藥是一顆顆的釋放，非常平穩，所有的藥都作用在該作用的地方，樂效則會變長很多，所以只需要很少的劑量即可。這樣可以減少身體的副作用，不需要吃大量的藥，

由之前的例子，可看出用在生物和光電的高分子是非常重要的，所以我個人覺得高分子的發展應該朝向生物和光電的高分子發展，而一般塑膠高分子的使用量應該減少，對環境才不會造成太大的負擔。

我們知道的塑膠是絕綠體，為何會有導電塑膠取代銅、鋁導線的可能？

導電塑膠會導電是因為摻雜了額外的雜質，增加了p電子，有了額外的p電子，電子就會流動，可以大大提高導電的特性。

我覺得取代銅鋁導線是沒有問題的，因為塑膠可以彎可以折，這是很大的優點，所以也有人用高分子材料來做光纖。但是導電高分子最大的問題是壽命，因為導電塑膠高分子材料是有機的，有機材料就像我們人一樣，是會老化的，所以導電高分子會隨著時間的經過，所摻雜的雜質會慢慢的老掉。不像銅導線一樣不會老化。所以塑膠導線作在產品壽命只有一、二年的產品上非常適合，像手機等一些壽命短的產品。

6.可不可以解釋一下什麼是奈米複合材料？

 人體就是一種奈米複合材料，骨格大部份都是無機，而肌肉是有機的，所以可以看做一個複合料料。有機材料的好處是可以做大面積，加工很容易，而且是彈性體，拉抻很好，拉一拉還會縮回來，無機材料如陶瓷則相反，無機材料很硬很脆，一碰就脆，拉抻不得但可耐高溫。如果我們把有機和無機的優點結合起來，做成複合材料，這樣一來材料就可以拉，可以折，耐高溫，就不是很好嗎？奈米複合材料就是從這觀點來出發，為什麼要做奈米級的呢？如果做micro級的(比奈米級大約一仟倍)，則有很大可能兩者的優點都拿不到，都只是剩下缺點，為什麼會這樣，實際問題是出在介面，介面太大了。如果做到奈米級的，兩種材料介面很小，介面很小的效應是當外界有應力時，容易把他帶到對這應力有比較好的抵抗力的另一材料去。所以兩種結合起來材料的優點都要有的話，就要做到奈米級的才行。

7.ITO(銦錫氧化物)具有什麼特性，以及有什麼運用？

 ITO是由氧化銦加上錫所組成的分子複合材料，這種材料很特別，它是透明的，也會導電，通常會導電的物體不見得是透明的，所以ITO可以做電極，也可以做成發光二極體外的一層透明層，發光二極體的光可以透出去，因為它是透明的，而利用它會導電的特性可以將電傳到發生二極體裡，非常方便。ITO所做成的導電玻璃也可以當做加熱器來使用，因為ITO所做成的導電玻璃導電後，會發熱，可以用來取代熱水器裡用瓦斯的加熱器。ITO用最多是在CRT顯示器上，在CRT上鍍上一層薄薄的ITO，因為CRT是利用高壓打在磷光粉上而發光，這些高壓對人很不好，如果在CRT上鍍一層ITO，利用他導電的特性，可以將這些從CRT射出來的高壓導走掉，減少對人身體的傷害。