●安然奈米生活●失敗只是邁向成功的過程●

何謂奈米

奈米 (nm) 是一物理量的描述，長度為 10-9 米，尺度上相當接近原子的大小。以物質的觀點而言，除了尺度效應外，於 1 nm 至 100 nm 間介觀視界 (Mesoscopic View) ，電子、光子、聲子自身與彼此之交互作用發生時，就產生材料的新性質，進而可以改變目前使用產品功能的可能性。
奈米技術是有關材料及系統的結構和元件，在奈米尺度時展現出顯著改善的或全然不同的物理、化學及生物特性和現象。主要目標是藉由掌控原子、分子、或巨分子尺度的結構或裝置來探索這些特性，並有效率的製造或使用這些裝置。

三大領域

奈米元件
以分子、原子為起點，製造具特殊功能的元件。為製造具特殊功能的元件，大體有兩種方法： " 由上而下 "(Top Down) 或 " 由下而上 "(Bottom Up) ， " 由上而下 " 技術係利用微加工等方法，將元件不斷微小化，而 " 由下而上 " 技術操控分子、原子，按照人類的意願進行設計與組裝。

奈米材料
奈米材料是指材料的幾何形狀達到奈米尺度，並具有特殊功能的材料，其主要類型包括：奈米粒子、奈米管、奈米薄膜、奈米塊材等。奈米材料的製作亦可分為兩種方法，由下而上的次微米組合法，而另一種則是由上而下將大結構鑿刻為小結構以創造出實體的方法。

奈米檢測與表徵技術
為了在奈米尺度上研究元件和材料的結構與性質，必須建立奈米檢測與表徵技術，以研究各種奈米結構的力、光、電、磁等性質。

各領域的挑戰

奈米技術的應用，涵蓋之範圍與領域相當廣泛，歸納出幾個方向，分述如下：

材料與製造

奈米技術改變我們未來製作材料與裝置的方法。挑戰包括：使用設計之材料合成、生物和生物活化材料的發展以及低成本之量產技術的發展，和確認導致奈米尺度材料功能失靈之起始原因。其應用包括：

(1) 不需機械加工的方式下，製作實際形狀之金屬、陶瓷及高分子奈米結 構材料。
(2) 使用具有最佳染料及顏料特性之奈米尺度粒子以改善印刷。
(3) 利用奈米接合及電鍍之碳化物以及奈米塗層以作為切割之工具，做為電子、化學及結構等之應用。
(4) 奈米尺寸量測之標準。
(5) 在單晶片上進行複雜多功能高。

奈米電子及電腦技術

新巨磁阻現象的發現在未來十年內，奈米技術將完全取代舊有的電腦磁記錄磁頭技術。其他有潛力的突破包括：
(1) 奈米結構的微處理元件，將持續低能量使用與低成本的發展趨勢，因此將提高電腦之效率達百萬倍。
(2) 具高傳輸頻率及高效用之光譜的通訊系統以增加提供至少 10 倍以上之頻寬，將可應用於商業、教育、娛樂及國防。
(3) 1000GB 容量的小而輕的儲存元件，其功能將超過目前達千倍。
(4) 具體積小、質量輕、省能源特性之積體奈米感測器系統，其具有收集、處理、通訊大量資訊的功能

醫藥與健康

生命系統係由奈米尺寸的分子行為所控制，而目前化學、物理、生物及電腦模擬等學門皆匯流在奈米尺度上的發展，此一跨領域跨學門的趨勢，可刺激奈米生物科技的發展，其具潛力的應用包括：
(1) 快速有效的基因序列可在診斷與治療產生革命性的影響。
(2) 使用遙控或及時活體元件有效及更便宜的醫療照顧。
(3) 新藥物的配方或輸送途徑。
(4) 更耐久之人工組織或器官。
(5) 視力或聽力輔助。

航空與太空探測

奈米結構材料可應用在設計及製造重量輕、強度高、熱穩定性高的之飛機、火箭、太空站及太空探測基地等，此外低重力、高真空之太空環境，可以幫助發展在地球上無法製造之奈米結構或系統。這些應用包括：
(1) 低動力、高輻射抵抗之高性能電腦。
(2) 微太空船之奈米設備。
(3) 奈米結構感測器及奈米電子儀器可促進航空電子學的發展。
(4) 絕熱及耐磨耗之奈米結構塗層

環境與能源

奈米科技在能源效率、儲存及生產上具有潛在巨大的衝擊，例如：
(1) 奈米催化劑的使用，可大幅提升化學工業的產能。
(2) 介孔性材料其孔隙大小約為 10~100 nm ，廣泛的應用在石油工業上，以移除微細之污染物。
(3) 以奈米粒子強化高分子材料可取代結構金屬元件在汽車工業之應用
(4) 奈米尺度之無機黏土或高分子材料可製造更環保、更耐磨的輪胎。

生物科技與農業

生命的基本元素，如蛋白質、核酸、脂、質醣等，皆因其在奈米尺度上之大小、型態的不同具有獨特的性質。生物合成與生物製程，提供新的方法製造新的化合物及藥物。而奈米技術對農業發展上的直接幫助有：奈米分子工程化合物可滋養農作物及防蟲、動植物的基因改質工程、動物體內基因及藥物的傳送，奈米陣列的 DNA 檢測科技。

國家安全

奈米技術在國家安全的關鍵應用上包括：
(1) 經由奈米電子技術提供之各種持續資訊。
(2) 利用奈米電子電腦技術所設計之更複雜的虛擬時境模擬系統，以提供更有效的訓練。
(3) 大量使用進步的自動化和機器人，降低部隊所需人力、危險性以及 改善車輛的性能。
(4) 達到軍事平台所要求的更高性能，同時降低失敗率及生命循環成本
(5) 提升化學、生物、核子感測能力以及災難防護。
(6) 設計改良的系統以用來核子擴散的監督及管理。
(7) 連結奈米及微機械。

各國奈米發展

奈米技術發展的歷史

1959 年 Richard P. Feynman 教授以 “There’s Plenty of Room at the Bottom” 為題演講，預測：
‧ 採用電子束之數原子寬之蝕刻線 (etching line)
‧ 新穎電腦用奈米尺度之線路
‧ 利用原子分子操縱之材料特性控制技術 等
1962 年 久保亮五教授提出次微米尺度金屬微粒子中電子之 [Kubo effect] 之概念。 [ 量子效果造成微粒子離散電子狀態之物性 ]
1966 年 發現 10nm 級超薄膜之量子限量化的效應（ quantum confinement effect ）
1969 年 提出超晶格
1974 年 谷口紀男教授於國際生產技術會議中提出 [ 奈米技術 ] 之概念
1975-1976 年 提出量子細線、量子點
1980 年 開發高速電子遷移電晶體 (HEMT:High electron mobility transistor)
1981 年 IBM 公司開發掃描隧道顯微鏡 (STM)
1986 年 K. Eric Drexler 在 ”Engines of creation” 書中提出，分子機械製作物質或分子的未來景象
2000 年 美國策畫 National Nanotechnology Initiative (NNI)
2001 年 日本策畫第 2 期科學技術基本計畫 (R 指定奈米 ‧ 材料為重點領域之一 )

美國奈米科技發展現況

美國把奈米技術揭示為其國家科學技術領域的最重要項目，自 2001 年度簽署為國家戰略，由聯邦政府作政策及經費主導，大學、研究機構、企業界全力投入，已居全球領先地位。
整個研發策略務求五項奈米工作領域能均衡發展，其中包括：
1. 基礎研究與教育 ：奈米尺度生物系統、奈米尺度結構、新行為及量子控制、元件與系統建造設施、奈米尺度環保製程、奈米尺度模擬與模式研究。
2. 重大挑戰項目 ：包括設計操控奈米結構材料；奈米尺度電子元件、光電元件及磁性元件；奈米尺度生產製程、催化劑、化學生產、環保及健康。
3. 卓越中心 ：提供支持四個新研究與教學中心，進行跨領域奈米尺度模擬及模式研究，提供設施從事奈米加工實驗。
4. 研究設施方面 ：改進奈米尺度檢測、製程及操作設備及軟體。
5. 提供學生獎學金 ，規劃奈米科學與工程相關課程，培育人才。

歐盟奈米科技發展現況

歐盟決定在 2002-2006 的五年中投入 13 億歐元的資金，通過建立歐洲研究區（ European Research Area ）的方式支持歐盟各國在奈米技術、智慧型材料和新製程方面的研究。其研究重點：

1. 長期跨學科綜合研究，利用和開發研究工具 ：

研究重點集中在分子現象、自組裝材料和結構、分子和生物分子機理和工程、無機、有機及生物材料和過程綜合開發的多學科和新方法。

2. 奈米生物技術 ：

目標是支持對生物和非生物實體綜合性研究，打開許多應用領域的新用途，例如加工生產和醫療及環境分析系統等。研究重點集中在 Lab-on-Chip 、生物實體界面、表面改性的奈米顆粒、改善藥物輸送和其它綜合奈米系統或奈米電子元件與生物實體的領域、生物分子或核的處理、改變和測定、生物實體的電子測定、微射流技術、促進和控制細胞在培養基上的生長。

3. 合成奈米結構材料和組件的工程技術 ：

目標是通過控制它們的奈米結構來開發高性能的高級功能和結構材料，也包括其生產和加工技術。研究重點集中在奈米結構的合金和複合材料、改進功能的聚合材料、奈米結構的功能材料。

4. 開發研究設備和控制儀器 ：

目標是開發新設備和儀器，以利奈米規模的分析和生產用，特性尺寸或分辨率的數量級定於 10 奈米。研究重點集中在奈米規模生產的各種先進技術（微影印刷技術）、突破技術、探索物質自組裝性質的方法和儀器、開發奈米規模的機器。

5. 衛生健康、化學、能源、光學和環境等領域之應用 ：

目標是通過綜合具有工業意義的材料和技術設備的研究開發成果來增強奈米技術在突破應用中的潛力。研究重點集中在：計算模擬、先進的生產技術、開發具有改良性質的新型材料。