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1、第十三章材料與奈米科技的發展與人物 材料科技 研究材料成分製造方法物理特性（硬度、延展性、熔點、密度、導電性、導熱性、熱膨脹系數等）化學特性（對酸鹼之抗腐蝕性、抗氧化性或防銹性、生化反應等）材料的分類金屬材料陶瓷材料聚合體（或稱高分子材料或塑膠）複合材料半導體材料 金屬材料 鋼鐵 純鐵：含碳量低於0.02%，韌性及塑性佳，然而硬度差普通碳鋼：含碳量為0.02%2.0%，強度高，韌性和塑性佳，應用範圍最廣鑄鐵：含碳量為2.0%4.5%，質硬且脆，塑性差，通常採用鑄造方式製造成品，一般常見於工具機之底座或是鑄成肖像 不銹鋼含有鉻、鎳等元素，可在表面產生一層保護膜以避免氧化生銹 304不銹鋼俗稱白鐵
2、，用量較多316不銹鋼之鉻、鎳含量與304不銹鋼差不多，但是316不銹鋼多含了1%3%的鉬，因此特別抗氯鹽的局部腐蝕，價格也比較貴，應用於對耐腐蝕性要求較高的環境 輕金屬 鋁合金：其中鋁合金具有質輕及耐蝕之優點而廣受使用，因為鋁合金外表會形成氧化鋁薄層以防止內部材料進一步氧化。常用於鋁門窗、飲料罐等。鋁銅合金及鋁鋅鎂相當堅韌，可作為飛機材料。鋁亦可用作電線，在一般的IC或發光二極體（LED）上，其電線有些會用鋁矽合金線 鋁也可用在三五族光電半導體上，如砷化鋁鎵（AlxGa1-xAs）等，只要改變鋁與鎵之濃度比，可做出不同波長的雷射二極體（LD）或發光二極體鎂合金具有相當低之比重，現今之行動電話
3、及筆記型電腦在輕薄短小及防電磁波外洩的要求下，其外殼材料已經逐漸使用鎂合金鈦合金純鈦的比重較鎂合金或鋁合金高。然而相較於鋼鐵而言，鈦合金具有質輕，強度較鋼硬，熔點高（1672），且不畏強酸、強鹼腐蝕之優點，一般應用於眼鏡架、高爾夫球具及航空器上。在飛機上，部分須要耐高溫的零件就必須以鈦合金來製作有色金屬 常見的有色金屬為銅及金，。銅（純銅熔點為1083）及銅合金之使用已有超過千年的歷史純銅（又稱紅銅）的導電性僅次於純銀，而銀很貴，所以電線、電纜幾乎全為純銅的天下；另外，由於銅的優良導熱性，使其在散熱器及熱交換器上亦居有主要之地位黃銅（銅鋅合金）青銅（銅錫合金）等 青銅器貴重金屬金、銀、白金及其
4、合金黃金（熔點1064）主要用在飾品及貨幣。由於純金的延展性非常的好，31克的金可展成300平方英尺，或是拉成毛髮般的細線純金定位為24K，為了增加強度、硬度及耐磨性，金與銅元素可依照不同比例製作成14K至18K的K金，作為裝飾、項鍊及戒指等之用黃金的比重高達，而純銅的比重為，所以配成K金後體積會變大，阿基米德即是利用此現象而判定花圈並非純金製成由於金的導電率高且不會產生氧化作用，所以目前之光電半導體工業的連接線均以純金線為主，1998年的使用量即高達數公噸之多銀（熔點962）的比重為，主要用於貨幣及食物容器。銀為最佳之導電體，但由於價格昂貴而無法做為一般導電材料。銀必須添加其它元素以增加強度
5、及硬度，主要的合金元素為銅，法定純銀之成分為92.5%的銀及7.5%的銅。銀的反射率高，所以被用於玻璃鍍銀作成鏡子；底片上的感光粒子主要為溴化銀（AgBr）；此外，銀可作成銀錫汞或銀錫銅汞合金（俗稱汞齊），廣泛應用於鑲牙材料白金（熔點1769）的比重為，其延性及展性均非常的好，可加工成錢幣、珠寶裝飾品，由於具有良好之耐蝕性及抗氧化性，在實驗室中常被用於高溫熱電偶、電化學的電極、坩堝、電路接點等。又具有獨特的觸媒作用而廣泛應用於石化工業；若利用白金作汽車觸媒轉換器，則可減少廢棄之排放量 低熔點金屬鉛、錫、鋅及汞鉛(熔點327)的比重為，廣用於子彈頭及釣魚、網魚之重錘等。而鉛合金之應用中，則以鉛銻
6、合金應用於鉛酸電池，鉛錫合金應用於焊接之銲錫，鉛鋅鎘合金應用於保險絲等之易熔合金，鉛銻錫合金應用於印刷用鉛版之活字合金錫(熔點232)的比重為（灰錫）或（白錫），灰錫與白錫之轉換溫度為13.2，高於此溫度為白錫。錫廣用於鍍錫鐵板，亦即是馬口鐵，耐蝕性良好，作為一般食品罐頭，其有機酸錫具有抑制腐蝕的作用；錫又可與其他低熔點金屬配成易熔合金或軟焊材料等鋅(熔點420)的產量僅次於鋁及銅，鋅的比重為，鋅合金廣用於壓鑄模具汞的比重為，熔點為38.8，所以，我們一般看到的都是液態的汞，最常見的就是水銀溫度計及牙科用的汞齊鎳(熔點1455)與鐵一樣具有磁性，比重為，常用於貨幣中之添加元素、不銹鋼的合金元素
7、，或電池及觸媒等材料 鎳基超合金是耐熱金屬，用於超音速戰鬥機之推進器中的渦輪葉片 形狀記憶合金形狀記憶合金：在某個溫度以下，可製成任意形狀，而一旦恢復原來的溫度，形狀記憶效應會復原而變成原來形狀記憶合金可用來作自動調節電流之開關，當電流過大時，溫度會升高，此時記憶合金會恢復原狀，使得開關跳開，而當電流變小，溫度降低，記憶合金會再度變形，使得開關重新接通。其他還可用來作可偵測溫度之機器手臂、胸罩中的記憶鋼圈等等 最早的記憶合金，是用金（52.5%）與鎘（47.5%）作成，後來又有鎳鈦合金、銅鋅鋁合金等數十種產品出現。鎳鈦形狀記憶合金則應用於牙齒矯正線鎢具有金屬中最高的熔點（3410），可用作燈絲
8、，添加於鐵中可製作成高速鋼、鑽頭鋼等，因其耐磨損且抗腐蝕性佳，且不怕摩擦產生高熱而變質或變形愛迪生使用鎢絲製作了燈泡，開啟了人類光明的時代 陶瓷材料 金屬或非金屬的氧化物、氮化物或碳化物即為陶瓷材料，一般具有硬、脆、耐高溫、絕緣、安定及耐壓縮的特性歷史上的陶器時代即已使用氧化物陶瓷陶瓷材料也是最進步的材料，例如太空梭外表之隔熱磚。除了傳統之碗、盤、花瓶等陶瓷外，新式之陶瓷材料可用作假牙，或用在光學、電子元件上。例如聲光調製器，可用在雷射唱盤之光學讀寫頭上，用來控制雷射光輸出之方向玻璃材料玻璃的主要成分為二氧化矽加上其他物質，而石英則是純的二氧化矽；水晶玻璃則是含鉛量較高的玻璃，具有較高的折射率
9、。玻璃是一種原子排列狀態類似液體的固體（可視為一種過冷液體），內部原子排列並無一定的規則，而是混亂排列。而玻璃除了可作杯子、窗戶之外，玻璃纖維可用來製造光纖，供通訊之用 超導材料1911年，歐尼斯發現當汞的溫度降到269時，電阻會忽然間消失掉，這個超導現象同樣發生於錫、鉛及其他金屬1957年科學家約翰巴登（Bardeen）、寇柏（Cooper）及休里夫（Schrieffer）才成功的以量子電子動力學解釋超導性質近年來，高溫超導也成為熱門的研究項目，而這些超導材料可以應用於醫學、核能工程以及磁浮列車等科技超導材料具有零電阻及磁浮等兩項特點。零電阻可減少電流傳遞之損失；而磁浮現象是因為超導材料在其
10、臨界溫度以下，磁力線無法穿透，只能從其旁邊經過，因而將超導體托起而使其懸浮將超導材料製作成傳輸電力的電線，則可省下很多在傳遞過程中因為電阻而損失的電力將超導材料與磁鐵搭配應用於高速鐵路，則可使得列車浮在軌道上，不必使用車輪而無摩擦損失，列車將因此更平穩及更快速聚合體或高分子材料 聚合體就是很多單體分子聚合在一起的意思，也稱之為高分子材料，俗稱塑膠，是屬於有機材料，主要來源是石化工業的產物加以合成，可分為一般塑膠及工程塑膠兩大類型 聚合體的製成多半採用射出成型方式製造，而其外觀顏色則可藉由添加顏料或塗料而得之熱固型聚合體就是聚合體在加熱後會硬化熱塑型聚合體則加熱後會軟化聚合體包括塑膠、人工橡膠及
11、人造纖維等，是將有機單分子聚合而成。有機高分子材料不易破碎、質輕、不導電、耐酸鹼腐蝕及不耐溫，故可作為容器、衣物、電線外面之絕緣層及家用器具之外殼等由於聚合物不易分解，在過去曾經被視為優點，而今則被視為環保問題 複合材料 複合材料是由金屬、陶瓷、聚合體三種基本材料中，兩種或兩種以上性質不同的材料合在一起而產生的一種新材料，為目前材料科學研究之主流 複合材料內部可以分為強化材及基材。強化材之主要目的在提供強度，其形狀可為纖維狀、顆粒狀或片狀；而基材之主要目的在於將強化材結合在一起，除了黏結效果外，另外有提供韌性及保護強化材之功用 玻璃纖維複合材料為玻璃纖維所製之布加上熱熔樹脂，然後壓製而成，可用
12、作人造衛星、火箭之外殼，以及雷達罩（因其不反射電波）等碳纖維複合材料則為苯烯脂纖維加上其他材料製成。碳纖維複合材料質輕，強度大，且耐高溫。在民生工業上常用作高級自行車架、網球拍、高爾夫球具之桿身等 半導體材料 吾人可在半導體材料中添加適當雜質，使之變成P型（電洞數較多）或N型（電子數較多）之半導體，再將P型與N型半導體適當排列組合，即可製成各式各樣的元件。而半導體材料一般分為：四價半導體材料，如矽（Si）、鍺（Ge）等。矽材料常用來製造電腦及家電產品的積體電路，也可做成感測器三五族半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。電子與電洞在三五族半導體中運動速度較快，因此三五族半導體也常
13、用作高速電子元件，但是其積體化效果較差 二六族半導體材料等三五族半導體及二六族半導體材料因為會發光，所以常用來製造雷射二極體、發光二極體、光感測器等光電元件晶圓放大圖奈米科技 奈米(nanometer,nm)是長度的一個單位，約莫為四個氮原子串聯起來的長度。1nm=10-9m 1990年IBM實驗室的研究員伊格（Eigler）利用STM在超高真空和極低溫的條件下，在鎳基板上操縱35個氙（Xenon）原子而成功排列成“I-B-M”三個英文字母。同年7月，第一屆國際奈米科學技術會議在美國巴爾的摩港市（Baltimore）舉行，此為奈米科技正式獨立成為一門學科的里程碑物質在微小的尺寸下，其特殊之奈米
14、結構會改變物質之基本物理化學性質，例如力學性質、光學性質、電性質、磁性質、熱性質、表面性質等方面，皆會在奈米尺寸下展現出不同於大尺寸世界之特性例如一般的金塊是金色，且化學活性小；然而當其尺寸縮小至奈米尺寸時，顏色會從金色變為鮮紅色，且化學活性變大，其顏色變化可用於驗孕試劑或其他醫學疾病之篩檢 奈米科技在食的應用 奈米化陶瓷複合材料所發射的遠紅外線具有食物保鮮之功能，將其做成盤子或做成編織物覆蓋於食物上，皆可達保鮮之功效 奈米鈦塗料具有自潔性，將其塗佈於裝盛飲水或食物之容器表面，可減少結垢之發生 奈米科技在衣的應用 奈米化纖維可使紡織品光澤優雅，質感細緻，而其奈米結構具自潔之功能，一旦被油污沾染
15、時，用一般清水即可洗滌乾淨，因此搏得奈米免洗衣服之稱衣服纖維中添加奈米級二氧化鈦或氧化鋅等無機粉體材料時，可吸收陽光中之紫外線，使紫外線對衣服之穿透率降至小於1%，大大減少紫外線對人體之傷害奈米物質遠紅外線纖維具有吸濕排汗之功能，可防止穿於腳上的襪子發生變濕發臭等擾人問題 金屬銀的奈米粒子會使細菌的DNA失去複製蛋白質的能力，而且銀離子也會與蛋白質上的某些官能基形成鍵結，因而使蛋白質受損Sondi等人於2004年曾使用自行合成的奈米銀粒子做為抗菌劑，測試它對大腸桿菌的抗菌效果，研究結果顯示與奈米銀接觸的大腸桿菌，細胞壁上產生了許多小孔洞，奈米銀粒子則累積在細胞壁上，細胞壁形成孔洞之後會使得細胞
16、壁的透過度顯著增加，最後造成細胞的死亡 奈米科技在住的應用 奈米化建材或塗料可具有防水、防火、自潔、質輕、環保、耐震及高強度等特性奈米光觸媒的涼風扇、冷氣機及空氣清淨機等電器，由於奈米化顆粒的高化學活性，可增強光分解反應之效益，因此其淨化空氣、除臭、殺菌或抑菌等清潔功能極為優異將衛浴設備之表面鍍有奈米級的塗料顆粒時，運用奈米材料經過適當的成分調配及燒烤處理步驟，讓瓷釉表面形成細緻的奈米介面結構，達到蓮花出淤泥而不染的蓮花效應（Lotus Effect），使汙垢無法附著於上，所以水一沖即可將髒污去除乾淨（沖洗後）污物完全無殘留（沖洗中）洗淨力超強（沖洗前）污物無法沾附呈水珠狀（蓮花效應）將奈米二
17、氧化鈦光觸媒塗佈於建築物之外觀，會因為陽光（紫外線）之照射而產生自潔之效應，不必人工清洗在污水處理方面，加入奈米級淨水劑，由於其具有高表面積，可有效吸附污水中之污染物；奈米微氣泡技術突破傳統水處理技術，可大幅提升污水處理速率及效能 油垢變成黏合劑，黏住粉塵污垢並沾染於大樓外壁油垢粉塵被分解後，再被雨水沖刷掉紫外線照射光觸媒，產生化學反應分解污垢雨塗裝光觸媒油汙粉塵奈米科技在行的應用 奈米複合材料之使用，可使車體重量減輕、強度增強、抗熱、耐腐蝕橡膠輪胎若摻入奈米碳顆粒，可增加輪胎之耐磨性與抗老化性，使輪胎壽命大增在汽機車排放廢氣處理方面，奈米化之化學反應催化劑，由於具有極高比表面積，故具較強之催
18、化活性，可在短時間內將廢氣處理轉換成不具毒性的氣體奈米金粒子催化劑可將一氧化碳轉化為無害的二氧化碳，將氮氧化物還原成氮氣及氧氣，催化水煤氣轉移反應及加速臭氧的分解二氧化鈦奈米顆粒更是成熟的光觸媒，可應用於廢氣處理及空氣清淨方面奈米能源技術的開發，可使人類免於依賴日漸枯竭的石油。例如以奈米觸媒技術將太陽的光能轉換成電能，再將電能將水分解，產生繼石油之後無污染的新能源氫氣，而奈米碳管則是具有高儲氫能力之材料奈米科技在育的應用 奈米高密度磁記錄材料可增加記憶儲存容量達傳統磁材的數十倍，而奈米光碟的超大容量更可達一般光碟容量的百萬倍，且能增加資料保存效能奈米技術不但可加速電腦晶片運算處理速度，更可加強
19、省電效益在印刷技術方面，奈米科技之導入可大幅改善油墨質地及印材設備，具有極細緻、精確的高品質色彩印刷。一般紙張加入特殊奈米塗劑時，具有防水防油之功能，可延長書籍之壽命 奈米科技在樂的應用 將奈米製程技術用於手機通訊晶片，可使通訊影音傳輸品質更快、更清晰細緻，且功能更多元化奈米碳管可應用於場發射顯示器（FED），其成本相當於以往傳統映像管電視（CRT）之價格，但其影像顯示品質卻媲美高畫質數位電視（HDTV）之高解析畫質，並兼具重量輕、強度強而厚度薄之優勢，甚至可做成紙片形式，便於捲曲收藏及攜帶奈米化之電池隔離膜可大幅提升化學電解反應之效益，進而提供高容量之電池電力，用以延長手機、數位相機、數位攝
20、影機、筆記型電腦或其他機器之待機使用時間奈米化金屬粉末對電磁波之吸收特性，可作為手機輻射遮罩之用 奈米科技在醫療美容的應用 醫學檢驗方面，奈米生醫晶片可取代傳統繁雜人工檢驗步驟，並可使檢驗平台微小化奈米金粒子可利用其特殊的顏色變化來做驗孕、藥物成癮、肝炎、愛滋病毒及梅毒等之篩檢在疾病治療方面，奈米醫藥不易使細菌產生抗藥性，可逐漸取代目前之抗生素奈米技術可做定位給藥、顯微注射，用以消除人體內之癌細胞、病毒或細菌。例如以糖衣包裹的奈米氧化鐵粒子，可躲過免疫細胞的吞噬而進入腫瘤組織，利用交換磁場技術而使氧化鐵停留於欲作用位置，藉由攜帶進入的藥物將腫瘤癌細胞殺死具足球狀奈米結構的碳六十，可快速吸引愛滋病毒而與之結合，藉此用以減低病毒毒素，並阻止病毒之擴散，可提供治療愛滋病的另一方向美容方面，奈米化妝品或藥物之顆粒較傳統大顆粒更容易滲透皮膚，可順利到達欲作用之部位，因而加速療效及降低藥物劑量奈米氧化鋅粉末用於美容美髮護理劑時，可吸收紫外線，避免紫外線輻射造成的皮膚傷害，且具滲透及修復功能