納米科技是什麼?



納米 (nano) 其實是毫微米 (nanometer ,符號是 nm) 的縮寫,它是長度單位之一。 1 納米 (1x10 -9 m) 相等於十億分之一米,是非常細小的長度。人類頭髮的直徑大約有 6 萬至 8 萬納米。而一納米的長度就大約等於十個氫原子並列一直線的長度。如果一件物件的大小是少於 100 納米,那麼這件材料就可叫作納米材料了。你可能會奇怪為什麼以 100 納米做界線而不是 1000 或 10 納米呢?

原因是如果一物料的大小是少於 100 納米時,其物理和化學性質都會有很大的變化。例如,納米物件的表面效應就擔任了很重要的角色。由此看來,將立方體分做越小的小立方體,那麼總表面面積與體積的比 (total surface area to volume ratio) 就會越大。所以如果我們有一堆總重量為 一克 的金粒,而每粒金粒的大小則小於 100 納米的話,那麼它們的表面面積就會顯得十分重要。

然而,我們知道物件表面 ( 相對物件內部 ) 是非常不穩定的,而且在化學反應中會最活躍。因此,增加表面面積即是大大地加快了該物質的化學反應、表面吸收的能力及催化能力。而且納米材料的熱特性、機械特性與及光學特性與體積大的物質的屬性相差甚遠。例如一片黃金的熔點大約是 1000 o C ,但若果是一粒大小只有 2 納米的黃金,它的熔點就降低至 330 o C 。還有,納米物質的吸光能力亦會顯著地加強。此外,當物件的尺碼小於 100 納米時,一種新的效應 ( 這種效應並不能用經典物理學解釋 ) 亦開始顯現出來。就因為在納米尺度下出現了這些變化,新一類的物質就產生了。

我們可以製造到粒狀、納米大小的物質嗎 ? 我們可以用砌積木的方法將分子或原子砌成新一類的物質嗎 ? 答案是對的。這種納米技術的而且確存在,而且正因為這種先進技術,納米科學才可行。可以一粒一粒地移動原子一向都是科學家的夢想。

諾貝爾得獎者理查‧費曼於 1959 年曾說過 : 「如果我們觀察原子的技術可以發展得完全,這技術就可以大大地幫助解決化學上及生物學上的問題,而這種科技的發展我想是不能避免的。」其實,現在利用掃描式穿隧電子顯微鏡 (STM) ,我們就可以處理原子。掃描式穿隧電子顯微鏡是一件可將物體表面的的物質放大至原子級的儀器,而它可以用來能移動原子,去創造多種有趣的原子結構 ( 見圖一 : 鎳上的氙 ) 。發明掃描式穿隧電子顯微鏡確實是有革命性的改變,而且它的確是研究納米技術的必需品,而發明這件儀器的人亦成為了 1986 年諾貝爾物理學獎得主。

除了對基礎科學有深厚的興趣外,另一個驅使我們研究納米科學的原因當然就是它的應用。 現在有很多人都相信 納米 科學可以帶來一個新的工業革命。簡略地說, 納米 技術已經應用在四個方面 : (1). 納米 電子學 : 擁有嶄新功能的電子儀器,它們擁有高速度及低能量消耗的優點 ; (2). 納米 材料科學 : 新的物料擁有新特質 - 可以完美地培植而不含有雜質及瑕疵,是製造 納米 儀器的理想材料 ; (3). 納米 生物學 : 包括去氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 的基因圖譜 ; (4). 納米 醫學 : 發明、設計及生產 納米 級的新藥物。


取材自:香港大學物理系 - 王健博士