交大材科系 陳三元教授

1.什麼是奈米科技？就台灣高科技產業而言，在哪些領域有潛力因奈米科技產業化而增加產業附加價值？

2.想請您為同學們介紹目前最具潛力的1.材料科學研究主題及2.它們在產業的應用：

★2-1．壓電材料／壓電微機電材料／PZT 

★2-2．光電奈米陶瓷材料

★2-3．生化陶瓷材料：酵素膠囊基體

1.什麼是奈米科技？就台灣高科技產業而言，在哪些領域有潛力因奈米科技產業化而增加產業附加價值？

 雖然每個人對奈米科技的定義不盡相同，其實大部分都很類似。不外乎就是把東西做得很小，不論是東西本身很小或是結構很小都有可能，然後把這些奈米化的東西用到實際的應用上。舉例來說，防曬油的防曬係數就和材料的顆粒大小有關係。台灣人用的又跟美國人用的不一樣。美國人不防曬，他們的防曬油只是保護作用，避免被傷害。台灣人皮膚比較怕黑，所以需要防曬。所以材料中奈米顆粒的陶瓷粉底大小就會不一樣。不同顆粒大小的材料，防曬係數也就不同。 

奈米科技也可以應用到生醫方面。圖一中左邊是Stents，這種支架一支不鏽鋼大約一公分到兩公分，是用來撐開血管或心臟的儀器，一根大約要美金二十元。我朋友就把藥物做成奈米級的，放到這裡面去，一根就可以賣到一百六十元美金(圖一右)。把藥物奈米化，然後放在一個結構體裡面，這個結構體雖然不是奈米級的，但是因為這樣，附加價值就可以增加八倍。而且奈米技術可以應用的範圍非常得廣，可以應用在各種不同的產業。所以說，只要奈米技術能夠產業化的話，其實它對於整個產業的附加價值就會提昇非常得多。

2.想請您為同學們介紹目前最具潛力的1.材料科學研究主題及2.它們在產業的應用：

★2-1．壓電材料／壓電微機電材料／PZT

★2-2．光電奈米陶瓷材料

★2-3．生化陶瓷材料：酵素膠囊基體

★2-1．壓電材料／壓電微機電材料／PZT

我們可將材料分成金屬材料、高分子材料、和陶瓷材料三個部分。金屬材料就像鐵、鎳、銅等等這些金屬。高分子材料主要是含有碳的有機材料。這兩種以外的材料，就歸類為陶瓷材料。陶瓷材料又稱為無機材料，例如砷化鎵、氧化銅、碳化矽、氮化矽等等，通常是金屬對非金屬或者是非金屬對非金屬的化合物。所以說，陶瓷材料涵蓋的範圍非常廣，可以做的研究也就非常得多。

我過去從事壓電材料相關的研究已有十年以上，這類的材料也可以叫做鐵電材料。其中例如鋯鈦酸鉛（PZT），是具有很好的壓電性同時又具有記憶體。它可以利用壓力的作用轉變為電荷，反過來也可以是由電轉變成形變的輸出。例如說家裡的瓦斯爐，啪一聲就點起來了，因為裡面有兩片壓電片，你一轉，壓電片就會撞擊，等於是我們給他一個壓力，使壓電片產生電荷，天然氣進去就燒起來了，這就是由壓力來產生電。另外，眼鏡行的超音波洗震器，機器下面有許多壓電片，通電之後，壓電片的震動就會產生形變，於是產生一些波，把眼鏡洗乾淨，這就是電到壓的應用。所以說它是一個很特別的材料，有很多的應用及發展。又例如Notebook面板下的背光模組的變壓器，也可以採用壓電陶瓷，把它做成小小的變壓器，塞在筆記型電腦裡。這種變壓器可改變輸出的電壓，利用兩，三伏特的輸入電源，來產生十幾二十伏特電壓的亮度，將輸入的低電壓轉變為高電壓的輸出，來節省用電量。

至於壓電微機電材料，是結合壓電材料和微機電，例如，PZT壓電材料可以被用來當作微致動(microactuator)元件，你可以利用電壓的改變來控制它的微小形變量(on)，當停止通電後，形變恢復，於是又off掉了。有時候開關距離只有1 µm左右而已。這是一般用機械式的開關控制不了。這種材料和林樹均教授做的記憶合金（見第六刊）是都屬於智慧型材料之一。所謂智慧型材料就是材料本身具有偵測和控制的功能。再舉個更實際的例子，男生上廁所的自動沖水系統，也是壓電材料的應用。它裡面有一個感測溫度的感應器，平常感測到25℃，當你人站上去以後就變成37℃，於是就可以利用溫度來產生形變，於是就turn on了。有些自動的水龍頭也是用同樣的原理做的。

★2-2．光電奈米陶瓷材料

 陶瓷材料本身就具有發光的特性。它的發光原理都是類似的，經由電壓或是以不同的雷射激發之下，會產生不同的光。所以說很多陶瓷材料都可以作為光電的應用。當你把它做成奈米等級的時候，它又會產生許多新的發光的特性。例如有些材料若是改變它的組成或顆粒大小，就可以發出不同波長或不同顏色的光。假設把發藍光、紅光、綠光的材料混合在一起，印在玻璃上，激發之後就會發出白光。但是如果材料做出來顆粒很粗，印在玻璃上就很難看，如果做得很小，大約十到二十個奈米左右，印出來就是透明的一層膜。而且如果用不同的能量去激發它，就會產生不同的光，有不同的照明效果。

★2-3．生化陶瓷材料：酵素膠囊基體

 生化陶瓷材料方面，例如說酵素膠囊基體，它的結構就像果凍一樣，是由原子架構成具有彈性的物質，如果我們在這裡面加入酵素或者是藥物，讓這些酵素或藥物被包在這樣一個具有彈性的架構裡面，如果我們能把這個東西做在一片玻璃片或是塑膠片上，利用特殊高分子來感測氨氣，這樣子你上街買豬肉的時候，就可以把這一片插進肉裡面，如果發現變色了，表示有氨氣產生出來，表示那個豬肉是有問題的。

把藥物灌進奈米多孔的結構膠體，接著就變成了含有藥物的結構，我們把它插在皮下脂肪，這個藥物會慢慢釋放出來。藥物因為經過奈米的孔隙釋放，可以在人體中停留較長一段時間，也許可以在人體持續一天都有效。如果是一般的藥物，可能只有大約百分之五被吸收，其他百分之九十五就排掉了。

我們實驗室目前也有在從事一些組織工程相關性的研究。所謂的組織工程，舉例來說，老人家老了之後，走路時膝蓋就會痛，這是因為膝蓋上有一塊叫做軟骨，軟骨是沒有血管也沒有神經組織的，所以再生能力很差，所以軟骨如果受損的話，走路就會一跛一跛的。於是國外就開始想要試著培養一塊軟骨。於是就把軟骨挖一塊出來，在外面利用一塊中空的結構體，讓細胞一直在上面成長，長到可以之後再植回體內。而且當初的中空結構在體內必須能分解掉，而且通常這個中空支架都非常細，強度很弱。因此我們就找一些既有相容性又具有降解性的陶瓷材料，將它做成奈米級的，而且排列較整齊，因此就有足夠的強度來承載細胞的重量或壓力。