甚麼是奈米科技?試詳細解釋(中英皆可)~20分

奈米科技乃根據物質在奈米尺寸下之特殊物理、化學和物性質或現象，有效地將原子或分子組合成新的奈米結構；並以其為基礎，設計、製作、組裝成新材料、器件或系統，產生全新的功能，並加以利用的知識和技藝。有別於傳統由大縮小的製程，奈米科技乃由小作大。
把奈米兩個字拆開，「米」是指「公尺」，「奈」（「nano」用n表示）是一種數值記號，與我們常用的「kilo」（用k表示）相同。只不過k代表一千，而n代表十的負九次方（十億分之一）。因此「奈米」是一種長度單位，指的是十億分之一公尺。望文生義，所謂的「奈米科學」是科學家將奈米尺度下所觀測到的自然現象，歸納發展出的科學理論；而「奈米科技」就是奈米尺度下的科學技術。

奈米科技（nanotechnology）包含量測、模擬、操控、精密安放和創製小於100奈米級的物質。操縱數個至數十個，最多一至二百個原子之科學。奈米技術之各項研究領域，並不局限在某一單一研究領域上，只要研究標的為奈米級之事務，均屬於奈米技術之範疇。
奈米科技簡單地說是經由奈米尺度下對物質的控制，以創造及利用材料、結構、裝置或系統。奈米結構是藉由原子、分子、超分子等級的操控能力以產生具有新分子組織的較大結構，這些結構具有新穎的物理、化學和生物的特性與現象。奈米科技的目標是去探討這些特性與現象，且有效地製造並利用這些結構。
奈米科技實際上並無統一的定義，一般說法係指物質在奈米尺寸下呈現出有別於巨觀尺度下的物理、化學或生物特性與現象。所謂奈米科技便是運用這方面的知識，在奈米尺寸等級的微小世界中操作、控制原子或分子組合成新的奈米尺度結構（奈米材料），以便展現新的機能與特性。以此為基礎，設計、製作、組裝成新的材料、器具或系統，使之產生全新功能，並加以利用的技術總稱。奈米科技的最終目標是依照需求，透過控制原子、分子在奈米尺度上表現出來的嶄新特性，加以組合並製造出具有特定功能的產品。

微米（μm） 與奈米（nanometer,nm）都是度量衡單位，1μm = 10 -6m，1nm=10 -9m。而材料尺度由微米到奈米所代表的意義並不只是尺寸的縮小，同時，新而獨特的物質特性亦隨之出現。在奈米的領域下（1~100nm），許多物質的現象都將改變，例如質量變輕、表面積增高、表面曲度變大、熱導度或導電性也明顯變高等，因此也就衍生了許多新的應用。奈米科技便是用各種方式將材料、成份、介面結構等控制在1~100 nm的大小，並改變其操控，觀測隨之而來的物理、化學與生物性質等的變化，以應用於產業。
奈米效應與現象長久以來即存在於自然界中，並非全然是科技產物，例如：蜜蜂體內因存在磁性的「奈米」粒子而具有羅盤的作用，可以為蜜蜂的活動導航；蓮花之出汙泥而不染亦為一例，水滴滴在蓮花葉片上，形成晶瑩剔透的圓形水珠，而不會攤平在葉片上的現象，即是蓮花葉片表面的「奈米」結構所造成。因表面不沾水滴，污垢自然隨著水滴從表面滑落，此奈米結構所造成的蓮花效應（Lotus Effect），已被開發並商品化為環保塗料

納米科技是一門應用科學，其目的在於研究於納米尺寸時，物質和設備的設計方法、組成、特性以及應用。納米科技是許多如生物、物理、化學…等科學領域在技術上的次級分類，美國的國家納米科技啟動計劃(National Nanotechnology Initiative)將其定義為「1至100納米尺寸間的物體，其中能有重大應用的獨特現象的了解與操縱。」。。。。。

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Nanotechnology is an experimental field of applied science and technology. It covers a broad range of topics and is focused on controlling and exploiting the structure of matter on a scale below 100 nanometers.[1] Nanotechnology has as its goal the realization of novel materials and devices with features on the nanoscale, drawing from fields such as colloidal science, device physics, and supramolecular chemistry. Much speculation exists as to what new technologies might be invented based upon these lines of research and what the implications for society might be if these become commonplace. In some regards, the term nanotechnology is a marketing term that has been used to sell existing lines of research in a new package. Although there are very high expectations as to what nanotechnology could be able to achieve, much of the actual progress in this field has yet to meet these expectations.

http://en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology

*奈米 (nanometer)是一個長度的單位.1奈米 = 十億分之1米(10-9 meter),約爲分子或DNA的大小,或是頭髮寬度的十萬分之一.
*奈米結構的大小約爲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)已成爲不可忽視的因素,再加上表面積所占的比例大增,物質會呈現回異於巨觀尺度下的物理,化學和生物性質.
*以無人不愛的黃金爲例,當它被製成金奈米粒子(nanoparticle)時,顔色不再是金黃色而呈紅色,說明了光學性質因尺度的不同而有所變化.又如石墨因質地柔軟而被用來製作鉛筆筆芯,但同樣由碳元素構成,結構相似的碳奈米管,強度竟然遠高於不銹鋼,又具有良好的彈性,因此成爲顯微探針及微電極的絕佳材料.
*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.所謂的奈米科技便是運用我們對奈米系統的瞭解,將原子或分子設計組合成新的奈米結構,並以其爲基本「建築磚塊」(building block),加以製作,組裝成新的材料,元件或系統.因此,在制程的觀念上,奈米科技屬於「由小作大」(bottom up),與半導體産業透過光罩,微影,蝕刻等「由大縮小」(top down)的制程相當不同.
*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,成爲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制成場效電晶體,並進一步製作出單分子邏輯閘,是爲分子電子學上的一大進展.
*在産業方面,奈米科技已經被公認爲21世紀最重要的産業之一.從民生消費性産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,也可以運用來生産自潔玻璃及奈米馬桶等民生用品.
總之,人類文明在歷經前兩個世紀的機械,電子乃至於資訊科技所帶來的工業革命,第四次工業革命的腳步儼然已隨著奈米科技的興起而到來,且由於其涵蓋領域甚廣,潛在的影響範圍遠超過半導體資訊産業,因此目前世界各國無不競相投注大量的人力與資金進行相關的研究開發.
【展望新科技】小奈米,大未來
文/吳茂昆(中研院物理所所長,中研院院士)節錄
*什麼是「奈米科技」
我們將面臨元件微小化後的許多根本難題,其中包括材料是否適用,元件制程遇到的瓶頸等.更重要的是:即使目前我們的科技已有相當成就,但能製作的元件,與自然界生物體內的許多精密元件比較,不僅在功能上遜色,在資源及能源應用的效率上,更是有天壤之別.
幸而,在上世紀末,由於科學與技術的快速進步,讓我們可以開始探索「奈米」的微妙世界,使我們向另一波工業革命-奈米科技的應用推進.奈米結構一方面是一個令科學家們充滿了幻想的神奇領域,其整體的發展使我們得以踏上開解大自然奧秘的第一步,滿足我們對大自然的好奇心.另一方面,前述之元件微小化所面臨的材料及技術瓶頸,也將因奈米科技的應用研發而有所突破.
奈米科技正在創造新一波的技術革命與産業,它對人類生活的影響將是全面的,不僅將改變我們製作事物的方法,同時也會改變我們所能製作事物的本質.預測未來奈米科技所産生的新材料,新特性及其衍生之新裝置,新應用及所建立之精確量測技術的影響,將遍及儲能,光電,電腦,記錄媒體,機械工具,醫學醫藥,基因工程,環境與資源,化學工業等産業.
甚麼是「奈米科技」 奈米是英文nanometer的音譯,nanometer是長度的單位,數學符號爲nm.一奈米爲十億分之一米(或公尺)(1nm = 1x10-9m).一個相當的比擬是,將地球縮小至直徑爲一公尺的圓球,則一顆約一公分的珍珠等比例縮小後的尺寸即約爲一奈米.今天我們談奈米科技,泛指那些根據1nm至100 nm尺寸大小之物質的特性所衍生的創新科技.
*量子力學的規範
【時報科學與人文】版面推出後,李政道院士寫的文章中指出,20世紀初,科學概念曾産生革命性的變化.透過普朗克,愛因斯坦,波爾,海森堡,薛定格,狄拉克,費米等偉大物理學家的開創性工作,建立了統馭微觀世界物質運行法則的量子力學和量子統計學.幾乎20世紀所有的科技文明都由量子力學和量子統計學這些理論的應用發展而來.根據量子力學理論,任何物質都呈現粒子與波(稱爲物質波,或德布洛利波-de Broglie Wave)的雙重性.
在巨觀狀態下,此量子性的表像完全可以忽略.而在微觀世界,德布洛利波是明顯存在且可測定的物理量.例如一般家用電視之映射管爲産生影像所發出的電子束,其相應的德布洛利波的波長約爲零點二奈米(~2x10-10公尺),相當於一個原子的大小,這時電子的行爲呈現粒子與波動的雙重特性,必須依循量子力學的規範.
我們日常生活中所接觸的大多數物質,是由超過兆億個原子以規則的排列形成特定的結構.以金飾爲例,一個普通的金戒指大約含超過兆億個(大於1023)金原子.其基本單位是一個立方晶體的原胞,所有原子以周期性的排列組合而成.科學家可以用量子力學原理僅就立方體的原胞結構做計算,然後依周期性的展延得到固體金塊的物質特性.由此我們可以完全瞭解金塊之所以具有高導電性,高化學穩定性,高熔點,具延展性及呈金黃色外觀等特質.
然而,在奈米尺度時,隨著尺寸的大小,其所含的原子數隻約在幾十個到上百萬個.此時,物質不再具有前述塊狀系統所具有的結構周期性特徵.在平常狀態下,系統內的電子波的長度約與整個系統的大小相當,這時電子的波動性在呈現物質特性時得以充分的展現,也就是量子效應將主導其物性行爲.
奈米結構的幾何形狀,表面積的大小及相互之間的作用也將決定其性質,而展現出顯著改善或全然不同的物理,化學的特性和現象.例如金的奈米微粒,不再具有導電性,其外觀顔色也隨顆粒大小而變,熔點下降到只有約攝氏六百度,且具有異常高的化學反應活性,這與我們所熟悉的黃金特質完全不同.因此,金的奈米微粒,不再可用爲飾物,但它在如藥物輸送治療疾病上的應用,將有極大的發展空間.
*「由下而上」之自組裝技術突破
科學家早在二十世紀中已開始認識到奈米世界可能帶來之寬廣的空間,但由於缺乏有效可行的對微細結構進行觀測與操控的技術而無多少進展.隨著半導體微電子所需之「由上而下」蝕刻技術的發展,及各種顯微技術-包括電子顯微技術,掃描隧顯微術等的成功發展,到二十世紀末,科學家已可偵測及控制個別原子或原子簇,進而建造及瞭解奈米結構.
另一方面,由原子,分子「由下而上」之自組裝技術突破,使化學家們得以開始設計超大分子及其他各種奈米結構及材料.進一步探究這些奈米結構所具有的神奇功能.更重要的是,大多數的生物體的基本元素如DNA,蛋白質等有機大分子,即是以奈米結構型態存在並運作.
奈米科技的發展讓我們可以開始掌握瞭解這些奈米結構的特性,並將之聚合成特殊功能的材料或新裝置,而得以有效率的製造或使用這些裝置.這些整體的發展使我們得以踏上開解大自然奧秘的第一步,滿足我們對大自然的好奇心.
奈米級材料具有高活性,大表面積,自我組裝,超晶格特性及特殊光電效應等功能.透過這些奈米特性,將帶來新的突破.以新世代儲能産品爲例,除可提供高儲能密度電池及高效率高壽命能源,來減少資源的消耗外;並可加速低污染,高效能電池的開發腳步,以減少空氣污染與石化能源的消耗.因此,奈米科技的發展可以帶來新的能源開發與應用概念,達到有效應用地球資能的願景.
心得感想
奈米電子元件,在元件密度,速度,耗能及成本上的效益,遠遠超過現有的半導體技術.此外,利用生物分子爲出發點探討相關之奈米技術,如分子光電元件,電子傳遞等,也將帶我們進入全新的領域.而結合生物材料或生物技術,應用於生醫領域,如生物晶片,生物感測器的開發.更進一步的我們可以應用奈米科技製造人工視網膜,人工嗅覺,人工味蕾,人工神經傳導來模仿生物技能.明顯的,上述的發展將可以完全滿足我們希望元件更微小化的需求.
如何將奈米科技的特性,轉成實際應用進而産生具體經濟成效,是今日所有科技發展先進國家重視奈米科技的最主要因素,也是建議推動國家型研究計畫的緣由.初期階段,考量目前産業發展優勢,以及未來奈米技術應用衍生的國際間競合關係,將以加速結合國內外科學技術的知識與經驗,提升及建立未來産業發展之關鍵基礎環境能力,且以特定産品爲載具驗證奈米技術之實用性等爲重點.
目前國際間奈米技術産業化的發展尚屬萌芽階段.因此,應重視具創新技術的發展活動和保障權益,使無形資産(如人才,智慧財産權)在未來知識經濟産業活動中發揮更積極的意義,縮減未來國內産業與先進國家相同(或類似)産業附加價值的差距,並漸漸形成與先進國的經濟發展中産業間活動更堅實的互補關係.
奈米介觀世界的特殊現象正逐漸被揭露,希望以此爲基礎,結合産業界的力量,創造産業新契機.相信,奈米科技之注入,將帶來新的機會,使得在奈米科技産業全面發展之時,成爲不僅是奈米産業産品的主要製造國,且是奈米産業産品製造技術的擁有國.所謂「小而美」,相信透過奈米科技的全面發展,必能實現「美好的未來不是夢」.