納米科技是什麼

納米科技是什麼

自十八世紀的六○年代起,英國棉紡織業使用瓦特製成的改良蒸汽機,大幅度增加了棉紗產量,並在極短時間內改良蒸汽機,應用到採煤、冶金、交通運輸等各行各業,這就是歷史記載的工業革命。
此後二百多年之中,人類除了經歷蒸汽機時代的第一次工業革命,實現產業機械化以節省人力;更經歷電機時代、原子時代、太空時代的第二次工業革命,以及在二十世紀中末期,由電子計算機與電腦資訊網路帶領我們進入第三次工業革命。
而在我們繼續邁開腳步進入二十一世紀的同時,第四次工業革命——納米科技時代——將伴隨而來;展望未來,人類將再一次傾倒於自己親手發起的革命,再一次沉醉於自己親手創造的文明。
改變世界的三次工業革命

■ 第一次工業革命
第一次工業革命的實際性質是技術的革命:以機器替代人力;以大規模的機器製造生產,替代手工生產,此舉不但大大降低生產成本,更提高勞動效率。一八四○年之後的英國廣泛應用蒸汽機,以蒸汽機生產的工廠取代以手工生產的工廠,促進了紡織業、毛紡業、採煤業等輕工業的發展。這時,在生產力和生產關係方面都發生了重大變革,各式機器的製造與改良如雨後春筍般的發展起來,引發機器製造業的興盛,而逐漸發展成為機械等重工業。至此第一次工業革命基本完成,英國成為世界上第一個工業國家,工業革命也使得傳統經濟生活發生了無與倫比的巨變。
這整個工業革命,以英法德美俄為主。法國的工業革命起自於十八世紀初,到十九世紀中完成;而德國、美國、俄國一直到十九世紀的八○年代,才陸續完成工業革命。這波工業革命,是以蒸汽機為主要標誌。
第一次工業革命的影響力席捲整個歐洲的政治、經濟、社會、文化、科學、藝術,尤其對數學、物理、化學、機械的相互影響,更是直接貢獻於工業革命的持續創造與發展,進一步地使輕、重工業的製造發生巨大變革。

■ 第二次工業革命
十九世紀末期的工業革命,由於熱力學與電磁學的物理理論發展漸趨完備,主要以內燃機與發電機替代了蒸汽機。內燃機與發電機藉由燃燒煤或石油,而產生穩定和大量的電力,使得電力成為現代文明的主要能源,支配著整各社會經濟生活的脈動,這個波段稱為第二次工業革命。
電力的優點在於容易傳輸與可作為訊息的傳遞。因此電力時代主要表現在電力的使用和訊息傳輸兩方面。在電力使用方面,有發電機、電動機和電燈等發明,在訊息傳輸方面,有電報、電話、電視和電腦網路等傳播工具。隨著電(發電機)汽(內燃機)的廣泛應用,石油、電力與汽車等工業成為二十世紀最大產業,而掌握石油、電力與汽車等工業即掌握世界的資源與財富。英、法、美、德、俄、日等典型的工業國家,均視石油為國家生存命脈。2001年的911事件之後,美國不惜發動有可能造成國力衰弱的阿富汗戰爭,名為反恐實為掌控中東石油區而戰,與九○年代美對伊拉克的戰爭相同,均為石油而戰。
石化工業帶來各式各樣的商品(如塑膠產品),提供人類新的使用材料替代傳統衣服用料、容器用品與各式工具的附屬品,這些石化材料常與高附加價值機器緊密結合在一起,如汽車、飛機等交通工具,能帶來大量的財富,這就是台灣台塑公司為什麼汲汲營營涉足油品市場與汽車工業。隨著電力的方便取得,各式家電產品如雨後春筍般的發展起來,家電產品的方便性:與功能性,使人類的日常生活都必須仰賴它的服務,而且再也不須耗費大量勞力。至此,古老社會結構徹頭徹尾的改變,人類的文明似乎達到空前的進步。
綜合石油工業時代的特點,(1)根基於使用石化產品為原料;(2)電氣機器的精密化;及(3)大量販賣的商業行為,這些特點造成現代商業都市的形成與工業區工廠的集中,使人類脫離鄉村的自然環境,而生活在人口集中化的都市中。

■ 第三次工業命
進入二十世紀中後期,人類開始使用電子計算機(Calculator,即俗稱的電腦。第一台電子計算機ENIAC是由美國賓州大學於一九四五年研製成功)及資訊傳遞技術,文明的演變過程更加快速、猛烈,自此為第三波的工業革命。
電子計算機與資訊網路傳遞的發展與改進,大大改善人們生活的便利性與溝通。電子計算機是一種以機械與電子元件組合的機器,可以做數學運算、數據處理及記憶,其運算速度快、誤差小、數據處理量大及數據記憶長久。美國英特爾(Intel)公司的Pentium 4型中央處理器(CPU)的運算頻率可達1×109赫茲(1 GHz)以上,大大地取代本須由人腦服務的工作,如龐大的電腦文書與繪圖軟體,為電子計算機應用的良好範例。而軟體製造業也悄悄地取代石油與汽車工業,成為世上最大的產業,美國的微軟公司(Micrsoft Corporation)就是最好的例子。
二十世紀末期,資訊傳遞技術的突破與成熟,可將文字、圖畫、語音快速傳至遠處,成為二十世紀末最偉大的成就。以電腦為媒介的虛擬網路產業,為此時期的新興產業,其影響力已迅速席捲各個產業,替經濟投入一股活力,也替不少年輕人創造無可倫比的財富(如雅虎的楊致遠,是大家最熟悉的例子)。雖然網路產業因全球不景氣與過度膨脹而泡沫化,但網路產業仍為未來經濟發展的主軸之一,因為掌握新資訊就是掌握先機。以電話為工具的電信產業,也正積極加入網路的產業裡。
「資訊網路化能力」已經成為綜合國家力量主要標誌之一,現今我們正處於一個前所未有的時期。在經歷三波的工業革命之後,接下來又將進入一個怎麼樣的時代呢?
在人口急劇成長、地球資源日益短少的情況下,輕、薄、短、小,和多功能性的電腦和家電品,成了大家的最愛;希望越來越精密準確的電子儀器和高速網路通道,也是置身數位網路時代的迫切問題。綜而言之,體積小、傳輸高的下一代電子產品,正將我們推向另一波工業革命的高潮——納米科技應運而生。納米科技就是二十一世紀初喧騰一時的技術革命,它也將會是史上的第四波工業革命。
現在,全球視納米科技為下一波產業技術革命,為下一階段製造工業的核心領域,因此也勢必會重新劃分未來世界高科技競爭的版圖,更可能替人類生活帶來不可避免的衝擊。

■ 21世紀科學的集大成者
納米科技主要包括:(1)納米物理學或介觀物理;(2)納米化學;(3)納米材料學;(4)納米生物學;(5)納米電子學;(6)納米加工學;(7)納米力學,等七個獨立相對的分支領域,納米科技可謂是二十一世紀科學的總稱。簡易說,納米科技為納米尺寸下的科學技術。納米英文是nanometer,是長度的單位,數學符號為nm,nano在希臘文原是「侏儒」的意思。一納米為十億分之一公尺(1nm =1×10-9m),相當於3到4個原子串聯起來的長度,以一公尺比為地球直徑,一納米大約為一個玻璃彈珠的直徑。
在納米尺度下,一般傳統科學理論、技術均已不適用。因為納米尺寸的物理性質與普通尺寸的物理性質是截然不同的,一旦物質尺寸小到一納米至一百納米範圍,常會產生新的特性與現象,例如,最近研究結果已知,蓮花表面之納米結構使污泥無法沾附(註1)、金的顆粒大小在5納米時熔點大幅下降(註2-3)、納米尺寸的二氧化鈦(TiO2)的導電性數倍於普通尺寸的二氧化鈦等(註4)。
超小物質的研究起自一九七○年代,即所謂超微粒(ultra-fine particle)研究。因超微粒的大小多半為微米尺寸,微米英文是micrometer,也是長度單位,數學符號為μm。一微米為百萬分之一公尺(1μm =1×10-6m),再小下去即為納米尺度,故至一九八○年代起,超小物質的研究自然變成納米尺度材料(即所謂納米材料)的研究。
但研究者也發現許多納米材料的物理性質已與同一材料普通尺寸的物質大不相同,既不能用傳統物理(即古典物理,如力學、電磁學)解釋,也不能用量子物理(二十世紀初期所發展出的物理理論,用來解釋原子、分子與電子的行為)解釋。由於傳統物理多半解釋物質整體的行為,屬於巨觀行為,而量子物理解釋原子、分子與電子的行為,屬於微觀行為。納米尺寸剛好介於普通尺寸與原子尺寸(原子尺寸單位為埃,英文為angstrom,數學符號為Å,1Å=1×10-10m)之間,故用以解釋納米材料或納米科技的新物理理論,稱之為介觀(mesoscope)物理。
從一九九○年代至今,由納米科技發展出的新史觀——介觀物理,將主導納米科技或納米材料衍生出來的應用,現今世界各先進國家為了在這場新世代的產業革命中搶得先機,無不積極投入大量的金錢與人力,除了納米科技本身的誘人前景外,現在納米科技的發展速度令人吃驚而引起國際注目,如單電子電晶體(single electron transistor, SET)與傳統電晶體不同的地方為:單電子電晶體式控制一個個電子的運動,而傳統電晶體是控制電流的運動。而單電子電晶體僅能於低溫下發揮功能,若能於室溫下工作,則目前正在研發的室溫單電子電晶體(註5-6)將達到最大應用價值。
早在一九五九年,著名的物理學家暨諾貝爾獎得主費曼(R. Feynman)曾設想:「如果有朝一日,我們能把百科全書全部儲存在一根針大小的空間內,並能移動原子,那麼這將會給科學帶來什麼?」
一九八一年賓伊(G. Binnig)與勞爾(H. Rohrer)於瑞士IBM公司,發明掃描穿隧式顯微鏡(scanning tunneling micrscope, STM,見圖一)(註7),主要是利用一根探針的針尖來探測物體的表面形貌,此儀器可觀測到物體表面的原子排列。六年後(一九八六年)這二位科學家獲諾貝爾獎。
再三年後,伊格(D. Eigler)在美國IBM公司利用掃描穿隧式顯微鏡探針,將35個氙原子(Xenon,化學符號為Xe)排列成IBM三個英文字母(見圖二)(註8),這是人類首次操縱原子,用原子或分子製造機器將不再是夢想。這些是微小世界裡人為技術的濫觴,十多年的匯集,逐漸澎湃形成今日的納米技術。雖然納米技術還有一大段路要走,但納米技術成為新世紀科學的主導先驅已是不爭的事實。

美國「國家納米技術創新」計畫
美國前總統柯林頓在二○○○年宣佈一項美國國家二○○一年科研計劃「國家納米技術創新」(National Nanotechnology Initiative, NNI)(註9),投資四億九千七百美元發展納米技術,參與的國家單位包括國家科學基金會(National Science Foundation)、國防部(Department of Defense)、能源部(Department of Energy)、國家太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)、商業部(Department of Commerce)、國家衛生院(National Institutes of Health)等,與美國國家二○○○年科研計劃比較,各單位投注的金額均大幅上漲,國家太空總署的漲幅更高達400%。
納米科技不只限於基礎科學研究,它的應用價值更在其他領域的開發;這個投資金額僅次於生物醫學計劃的十億美元。
在面臨二十一世紀高科技發展的競爭中,納米科技的發展,將會是國家高科技發展政策中不可或缺的一環。未來可以將美國國會圖書館所有資料放在一個方糖大小記憶體內的費曼幻想,終有實現的一天。

■ 生物分子推進器
一九六六年由維奇(R. Welch)主演的好萊塢電影科幻片「驚異大奇航」(Fantastic Voyage),敘述人類首度進入人體的奇妙旅程,當時大大賣座,成為票房新寵——在那時候,進出人體還真的是科技神話。但在三十多年後的今天,乘著縮小的潛水艇進到人體腦部,清除血管中的血塊,避免中風或死亡,這般夢幻的情節,不只是好萊塢的電影了,在現實生活中,也將逐漸實現。
在癌症的化學治療或放射線治療中,化學藥劑或放射線除了殺死癌細胞外,往往也殺死人體原本健康的細胞,所以會有憔悴、掉頭髮等副作用,甚至引起後天性心臟病等。根據美國《科學》雜誌的報導,二○○○年美國科學家蒙提馬羅(C. Montemagno)領導一群美國康乃爾大學科學家,應用納米技術成功製造出與病毒大小差不多的生物分子推進器(註10)。
這個生物分子推進器分為三部份,以鎳(Nickel,化學符號為Ni)為軸,以F1-腺嘌呤核【艸甘】三磷酸合成酵素(F1-Adenosine triphosphate synthase, F1-ATPase)為馬達和螺旋槳。螺旋槳長750納米至1,400納米、直徑150納米,以合成酵素為燃料推動螺旋槳,轉速最大每秒可轉8次,續航力150分鐘。你能想像它在你身體裡活動嗎?無須懷疑,日後加以改良,這台生物分子推進器可望載運醫療器材與藥品進入人體,在不致影響人體的情況下,進行清理血管、抵抗病菌等醫療行為。
生物分子推進器對未來醫學上的第一項優點是免開刀:可直接到達病人的患部作治療,免於傳統開刀破壞人體。第二項優點是免吃藥:藥物直接用於病處,將藥力侷限於患部,或針對人體內病變的壞細胞加以摧毀,不損壞好的細胞,免於影響人體其他器官。第三項優點是專人醫師:生物分子推進器使用酵素為燃料,可取之於人體,用之於人體內;醫療潛水艇可長期停留體內做健康觀測,就如同納米醫生機器人進入體內做診療一樣。
由於DNA的大小剛好為納米尺寸等級,故納米生物學為納米技術應用的另一個重要分支。將生物大分子精細結構和其功能聯繫,進而按自己的意志剪裁接嫁,製造具有特殊功能的生物大分子,這就是未來納米生物學的發展。納米技術使人類能夠更加清楚描繪基因圖譜,可以控制基因的改變、改善缺陷的基因,解決目前人類的各種遺傳疾病,甚至利用此基礎創造更完美的人,與上帝比美。目前基因工程已與農業、食品化學工業的結合,製成大量的基因食品,人類的食品結構也將隨之發生變化。只是,基因食品雖然豐富我們食品的種類和數量,卻也帶來未知的潛伏危險。

納米材料的應用
一九八二年掃描穿隧式顯微鏡(STM)發明(註7)後,研究原子分子世界的學門迅速轉變為納米科技的先驅;一九九○年使用掃描穿隧式顯微鏡(STM)移動與操縱原子與分子的排列(註8),啟發了直接引發以分子或原子製造特定功能之電子產品的想像,例如:還在實驗階段的量子電腦,用少許的原子(註11-12)為元件,讓電腦體積大幅縮小、運作更快、更節省能源。在速度方面預估二○○三年後,量子電腦只要數分鐘,即可完成目前電腦要花上數百年才能完成的計算!或許不久的未來,將超小的電腦植入人腦,幫助人腦工作將不是夢。

增加儲存容量
納米技術也已應用在光碟片的製作上。光碟片(CD)是以人造點陣來儲存記憶資料,光碟片上每個儲存點大小為500納米、儲存密度為108 bit/cm2,每片光碟儲存容量約為640MB(mega bit, 1MB=1x106bits)。而DVD光碟片的儲存容量是一般光碟片的8~16倍,約4.7GB-8.5GB(giga bit, 1GB=1x109bits),可儲存二小時的電影十部以上。若納米技術持續進步,儲存點縮小十分之一,達到50納米,則儲存容量可擴大一百倍,一片光碟就有64GB的容量。若進一步以一個原子當作一個儲存訊號,則每片光碟儲存密度可達1,014 bit/cm2,容量就大到640TB(tela bit, 1TB=1x1012bits),是現在光碟的一百萬倍。

材料顆粒納米化
納米材料的出現,有別於傳統材料特性,因此引起材料界的關注,例如納米碳管(註13)抗斷裂的能力比一般鋼鐵材料高十二倍,蓮花表面之納米結構使污泥無法沾附、金的顆粒大小在5納米時熔點大幅下降、納米尺寸的二氧化鈦的導電性數倍於普通尺寸的二氧化鈦等,電阻溫度係數甚至可以下降到負值、納米銅材料(註14)比普通銅要堅固數倍以上等。
納米材料的製作主要集中在顆粒納米化,形成納米晶體、納米非晶體等,以及由它們組成的薄膜,或將絲、管、和微孔都納米化。如目前日本出現許多抗菌的日常用品,就是將抗菌物質進行納米化處理,在生產過程中添加進去,因此抗菌內衣、抗菌茶杯便生產出來了。又如於玻璃表面塗一層納米化二氧化鈦的薄膜(註15),那麼普通玻璃馬上就變成具有自己清潔功能的自淨玻璃,不用人工清洗了。
現在電腦材料普遍納米化,如半導體加工業台灣積體電路公司與聯華電子公司可將元件製成線寬僅130納米,現在的電腦已不可同日而語。在體積上面,桌上型電腦可縮小成筆記型電腦、筆記型電腦可縮小成掌上型電腦。

能量轉換最大化
納米化的電池材料(註16),則可用很小的體積容納很大的能量,且能量轉換的效率更高;用納米碳管做成的電池,比傳統電池持久一倍,重量卻只有傳統電池的一半而已。未來使用納米電池的電動車將全面取代汽車或柴油車,不但節可以省能源,更可以潔淨空氣,一舉數得。

什麼是納米碳管?
在納米材料裡,納米碳管(註13)是最知名的一種納米材料。納米碳管的中空結構是第三種純碳結構,此種中空結構稱之為「碳簇」(Fullerene,亦或富勒烯)。第一種純碳結構是石墨結構,第二種是鑽石結構。在介紹納米碳管前,先介紹碳簇的開山祖師——碳六十(Buckminsterfullerene)。
碳六十原是太空中所發現的物質,一九八五年英國化學家柯爾托(H. Kroto)成功解出碳六十的結構(註17)。美國化學家史莫利(R. E. Smalley)首先於地球用雷射激光在石墨上製造出碳六十(註18),另一位德國化學家柯爾特舒馬(W. Kratschmer)可以一次製造出數克重的碳六十(註19),後來這三位化學家合拿了一九九七年的諾貝爾化學獎。
碳六十顧名思義為60個碳原子組成的中空球體,其直徑僅為1納米長。碳六十(化學符號為C60),因其形狀剛好像一顆足球,故又稱Buckyball(中文譯為巴克球),可稱為納米世界的足球。筆者於英國留學時,深感英國人對足球的熱愛,於是和同事利用掃描穿隧式顯微鏡的探針來移動碳六十(見圖七)(註20),踢了一場世上最小的一場足球比賽。
爾後,科學家們又製造出碳七十、碳八十四,甚至碳一百多的碳球。一九九一年,日本NEC公司研究員飯島澄男(S. Ijinma)在研究碳簇時發現一種直徑1-30納米的圓筒形碳材料,此即為後來的納米碳管(Carbon Nanotube),納米碳管是目前自然界中發現的最細管子,具熱傳導性、導電性,強度佳、化學性穩定,而且又柔軟。因碳六十等碳球與納米碳管有相似的化學結構,故凡是有此種中空的純碳結構,我們截去碳六十冗長的英文名字Buckminsterfullerene的一半,統稱為Fullerene。

■ 每年一千億美元的市場
在商業用途上,納米碳管可用於電視、個人的平面電腦顯示器(註21-22)與記憶晶片(註23)。美國Molecular Electronics公司預定兩年後,製造出納米碳管的記憶晶片,這種納米碳管晶片的開關速度,將是傳統電晶體的一百萬倍。納米碳管顯示器的厚度如同紙張,將比傳統陰極電視及液晶螢幕顯示器薄上千萬倍,省電自是不在話下,且納米碳管顯示器可捲曲的特性,將大大減低搬運的困難。
納米碳管顯示器目前已進入試驗階段,飯島澄男預估,二○○五至二○一○年左右就可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面納米碳管顯示器。韓國三星公司在一九九九年年四月公開展示納米碳管顯示器的原型機,二○○○年底已做出十五吋螢幕的原型機。據《財星》預估,納米碳管顯示器市場大餅約為四百億美元。此外,納米碳管也用作為新的複合材料用於各處。納米碳管有極佳的儲氫能力(註24-25),可用來製造氫汽車燃料或電池等,可說是種蘊藏無限可能的夢幻材料。
另外,碳六十似乎也為愛滋病帶來一線曙光,碳六十的足球狀化學結構的鍵結,能快速地與HIV病毒結合,減低毒素與阻止HIV病毒擴散(註26),這將促使生技醫藥公司開發新的碳六十藥物。
繼矽取代石油和煤之後,納米碳管有可能取代矽,成為尖端產業的主要材料。
史莫利(R. E. Smalley)創辦了納米科技公司(Carbon Nanotechnologies Inc., CNI),史莫利在接受《財星》採訪時說:「納米碳管可以用來製造強度是鐵的一百倍的光纖,而且重量只有鐵的六分之一。」史莫利接著說:「如果將納米碳管和銅纜編織成支架,強度可以支撐一個位於二萬二千英哩高的的太空平台。」其著眼點就在納米碳管驚人的特性與應用,和商業發展上的潛力。
納米科技公司預估,納米碳管市場大餅每年可達一千億美元。如果價格降到每公克33美元,而且年產量可達1噸,將可供應產值達數十億美元的電腦及電視顯示器。如果價格降到每公克22美元,則更多產業都能運用納米碳管,例如可做雷達無法偵測的隱形飛機的機殼。如果降到4.4美元,則可運用於一般日常生活用品,例如手機、筆記型電腦、PDA的材料,可以防電磁干擾。然而美國最大創投雜誌《Red Herring》預估,要實現這樣的美夢,看來還要花好幾年時間。
一般預估到二○○三年,納米碳管價格可能降到每公克5美元。此外,量產技術也有待克服,目前能「量產」的納米科技公司每日也只能製造二十五公克,年營業額約四百萬美元。其他有能力量產納米碳管的公司不多,日本三菱和兩家美國公司各出三分之一資金成立的公司(Fullerene International),目前每日僅能製造三十公克。

納米時代來臨了!
以納米技術或納米材料為產業是一種全新的高科技產業,它不同於一般產品,可以進行直接的生產和銷售,而是必須先深入研究與生產試驗,才能進入市場。產品商品化的關鍵是在於生產的快速與低廉,及銷售的手法與策略,現階段納米產業仍在研究階段,然而納米技術的發展具有極高的附加價值,可帶動半導體工業、機器製造業、化學石油工業、各原料業等傳統產業的變革,同時也可以帶動生物、醫學等許多新興產業的發展,納米科技可說是整合了各個產業的發展。
美國前總統柯林頓於二○○○年總統任期最後一年,宣佈該國科學研究預算已近五億美元將投資於納米科技研究上,這等於宣佈二十一世紀進入納米技術時代。全球科技趨勢自此從微米轉入納米,納米技術的創新將帶來下一波的工業革命,納米技術將大大改變我們的生活方式,甚至我們還未料想到的瘋狂事物,都會受到影響。我們期許納米科技帶來的不單單只是技術上和經濟上的革命,更應是人類對自然的崇景、對自然資源的利用更加珍惜,與對自然和諧共存的尊重。

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