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教材巡迴演講主題：看奈米學科學基礎 報告者：楊志鴻計畫執行單位：後甲國中中華民國九十六年十月三日南區奈米科技K-12教育發展中心

教材巡迴演講主題：看奈米學1報告大綱教材的架構說明第二章內文導讀分享與回饋「奈」＝「大=小之間」報告大綱教材的架構說明「奈」＝「大=小之間」2奈米科技特性的闡釋微觀尺寸：<1nm介觀尺寸：1nm~100nm巨觀尺寸：＞100nm呈現物質新的特性實際利用這些特性新的產業應用商品化潛力的應用奈米科技特性的闡釋微觀介觀巨觀呈現物質新的特性新的產業應3公尺10

10-110-410-510-610-710-810-210-310-9110cm1cm1mm100μm10μm1μm100nm10nm1nm來源：公尺1010-110-410-510-610-710-814教材的架構說明第一章：從奈米的自然現象出發—發現奈米科技早已出現在大自然中，引起探索奈米科技的動機第二章：看奈米學科學基礎—連結國中階段自然科學基礎、奠基了解奈米科技的科學原理第三章：認識奈米科技的各項應用—了解各項奈米科技的實際應用，建立發展的願景第四章：奈米體驗營—透過實作體驗各種奈米特性教材的架構說明第一章：從奈米的自然現象出發5第二章：看奈米學科學基礎重點說明內容共分三部分一、大小之間－奈米尺度二、魔法傳奇－奈米特性三、過去、現在與未來－奈米的歷史第二章：看奈米學科學基礎重點說明內容共分三部分6一、大小之間－奈米尺度「奈米」到底是啥米？現在日常生活中隨處都可聽見「奈米」這個名詞，但是大家了解其字面上的意義嗎？其實奈米不是一種米，而是與公尺（米）一樣都是『長度』的單位名詞，只不過我們較為熟悉的是其他長度公制單位如：公里（仟米）、公分（厘米）、公釐（毫米）等（詳見表一）。表一長度公制單位與換算表(詳見教材p15)迷思概念：奈米與原子哪一個比較小？一、大小之間－奈米尺度「奈米」到底是啥米？現在日常生活中隨處7一、大小之間－奈米尺度在前表中『1奈米的長度等於10-9公尺』這樣的尺寸到底有多小呢？曾經有雜誌以「以一米長與一奈米長做比較，相當於地球的直徑比上一顆玻璃彈珠的直徑」。可見奈米尺寸是多麼的微小，它已經遠遠小至人類視覺無法觀察與分辨的範圍。

由大而小每十分之一的手掌特寫畫面一、大小之間－奈米尺度在前表中『1奈米的長度等於10-9公尺8一、大小之間－奈米尺度但是，若是對於組成物質的最基本粒子－「原子」來看，因為原子的直徑約為1埃（1?相當於0.1奈米）左右的長短，因此，1奈米大約是「2～3個金屬原子」或「10個氫原子」排列在一起的寬度，也就是說，若以原子的世界觀之，那奈米可又不算太小囉！通常「病毒」的直徑約60～250奈米，「紅血球」的直徑則約2,000奈米，「頭髮」的直徑就大約30,000~50,000奈米了。所謂「小小世界、大大驚奇」，如果把奈米的「奈」字拆開來看的話，奈米科學可以說是「通往大<=>小之間」的嶄新精采新世界，難怪乎知名的物理學家-李查費曼在1959年12月於美國物理學年會上所發表的演講中說道：「這下面的空間還很大呢？！」（There’splentyofroomatthebottom）

一、大小之間－奈米尺度但是，若是對於組成物質的最基本粒子－「9一、大小之間－奈米尺度＋－科學小百科－原子的簡介原子的概念是由英國科學家約翰·道爾頓在十九世紀初發表的「原子說」中提到－「組成物質的最基本粒子叫做原子」。目前知道的最簡單的原子構造是氫原子，內部是由一個帶負電的電子及一個帶正電的質子所組成，其他的原子則是由原子核(內含質子、中子)及核外的電子所組成。一、大小之間－奈米尺度＋－科學小百科－原子的簡介原子的概念是10二、魔法傳奇－奈米特性我們現在有興趣深入了解的是在「奈米」這種長度範疇內，會發生許許多多的特殊現象，並且發展在這種尺度下的科學技術並加以應用。而奈米尺度的特殊現象絕對不是人類原創的，其實早已存在大自然中。

二、魔法傳奇－奈米特性我們現在有興趣深入了解的是在「奈米」這11二、魔法傳奇－奈米特性如同本書的奈米自然現象篇所探討到「某些生物五彩繽紛的顏色」，例如甲蟲殼、魚鱗、蝴蝶翅膀，科學家發現是和光子晶體的顯微結構有關。當物質呈特殊性排列，可以反射特殊波長的可見光，組織約在數百奈米左右，所以顏色會隨時變化，十分美麗另外「許多動物有辨識方向能力」，即使離家千里也可以找到回家的路，例如螞蟻、蜜蜂、鴿子、鮭魚等，他們都具有磁場感應器。存在蜜蜂體內的磁性奈米粒子，對於蜜蜂而言，具有「羅盤」的作用，因此可以做為蜜蜂的導航系統至於「蓮花出汙泥而不染」的奧秘，即是在分布於荷葉上有著精巧的奈米與微米結構，才能讓葉面有自凈的能力，食用芋頭的葉子也有類似的特性呢！。

二、魔法傳奇－奈米特性如同本書的奈米自然現象篇所探討到「某些12二、魔法傳奇－奈米特性綜合整理諸多的特殊奈米現象後，可以將這些現象歸納為下列三個效應來做說明：【小尺寸效應】【表面效應】【量子效應】

二、魔法傳奇－奈米特性綜合整理諸多的特殊奈米現象後，可以將這13【小尺寸效應】「小尺寸效應」又稱為「體積效應」。所謂「小尺寸效應」乃是指微粒子的尺寸變小時,其體積縮小,粒子內部所含的原子數減小所出現的效應。當微粒之固體粒徑逐漸減小,甚至接近原子大小時,其凡德瓦力會越來越強,微粒之聲、光、電、磁、熱及化學特性等亦將隨之改變，下面再進一步的分類說明：【小尺寸效應】「小尺寸效應」又稱為「體積效應」。所謂「小尺寸14(1)聲音性質

表面原子在傳導與感應聲音波動的作用上,可增加其敏感度,由於粒徑小,孔隙度亦縮小,使依序傳遞的能量能迅速而不受干擾,其信號與雜音比例會相對提高,使得我們人耳所產生聽覺三要素（響度、音調、音色）以及聲音傳遞速度應會有所改變。

(1)聲音性質表面原子在傳導與感應聲音波動的作用上,可增加15(1)聲音性質-科學小百科科學小百科聲音三要素：音調、響度、音色。1.音調：聲音的高低由振動的頻率決定，頻率越高，聲音就越尖銳。所以，女孩子的發聲頻率通常就比男孩子來得高。2.響度：聲音的強弱，由聲波的振動幅度（振幅）來決定，振幅越大，表示聲波的能量越高，因此聲音也就越大聲。一般我們用分貝（dB）來表示聲音的響度。3.音色：同樣是La這個音，以小提琴拉奏和以鋼琴彈奏，聽起來是不是感覺不一樣呢？這兩種樂器所演奏出來的聲音的差異，就在於音色上的不同，而音色決定於聲波的波形。(1)聲音性質-科學小百科科學小百科聲音三要素：音調、響度、16(1)聲音性質-科學小百科圖示(1)聲音性質-科學小百科圖示17(2)光學性質

當微粒子的尺寸減小時,對於光（微波波長的電磁波）的吸收會增加,並在某些特殊頻率因粒子共振頻移的現象出現吸收波峰,故因而產生新的光學特性。例如對紅外線的吸收和發射作用,或對紫外線有遮蔽作用等。不同粒徑材料對光的不透明度,亦即對其遮光能力也會隨光的不同波長而改變。例如：常常聽見的奈米光觸媒分子－二氧化鈦（分子式：TiO2）其分子粒徑小至200nm~350nm時對可見光(400~700nm)之遮蔽力會變強;但如粒徑大小進一步小至15nm~50nm時,會呈現可見光的透光狀態,但是對於短波高頻之紫外線卻有較著佳之遮蔽能力。(2)光學性質當微粒子的尺寸減小時,對於光（微波波長的電磁18(2)光學性質-科學小百科圖示各種光波的頻譜示意圖

(2)光學性質-科學小百科圖示各種光波的頻譜示意圖19(2)光學性質-科學小百科圖示電磁波依波長不同而有不同種類，波長越短能量越高。(2)光學性質-科學小百科圖示電磁波依波長不同而有不同種類，20(3)電學特性

奈米微粒表面原子之特殊結構易引起表面電子自旋構象和電子能譜變化,故亦具有新的電學特性。金屬粒子之原子間距將隨粒徑減小而變小,金屬中自由電子平均自由(半)徑會減小,其導電率會降低。

(3)電學特性奈米微粒表面原子之特殊結構易引起表面電子自旋21(3)電學特性-科學小百科1.金屬的導電性（自由電子與歐姆定律）自由電子在金屬晶體中作不規則的運動，在外電場的作用下，自由電子會做定向移動，形成電流，此乃金屬導電性強原因。但電子流動過程中會與原子碰撞，若自由電子的碰撞機率增加，則會因受到阻力作用以致運動速率減慢，導致電阻增大。(3)電學特性-科學小百科1.金屬的導電性（自由電子與歐姆定22(3)電學特性-科學小百科2.歐姆定律：溫度不變時，導線兩端的電壓和流經的電流成正比，此關係稱為歐姆定律；電壓V與電流I的比值定義稱為電阻，單位為歐姆(符號為Ω)。VI(3)電學特性-科學小百科2.歐姆定律：VI23(4)磁學特性

如同前述的微粒子表面之特殊結構效應,原本為磁性物質的有序排列可能出現無序排列的狀態,使的原本應該具有的超導現象也會因而轉變並產生新的磁學特性。原本在高溫時才會消磁的現象，會因為粒徑的變小,其磁化率竟會在低溫的環境下降低甚至為零,成為磁絕緣體。例如：奈米微粒之鐵-鈷-鎳合金之強磁性材料,其信號與雜音比極高,可作為紀錄器。

(4)磁學特性如同前述的微粒子表面之特殊結構效應,原本為磁24(4)磁學特性-科學小百科磁性物質有序排列示意圖想像用超級放大鏡把磁鐵放大，可以看到磁鐵是由一個個的小磁鐵所構成的（科學家們稱其為「磁域」）。

(4)磁學特性-科學小百科磁性物質有序排列示意圖25(4)磁學特性-深入閱讀

超導現象通常金屬的導電能力因溫度的升高而降低，此種現象可以用動力學的觀點來解釋：「當金屬受熱時，金屬原子核的振動增加，阻礙了價電子的流動速度。相反地，當金屬冷卻近絕對零度（0K）時，金屬粒子幾乎停止不動，此時價電子可以在毫無阻礙的狀態下流動，達成無電阻狀態」，我們稱此溫度為該金屬的超導溫度（SuperconductingTransitionTemperature）。在此溫度，金屬成為超導體，金屬中的價電子能以百分之百的效率傳遞，期間並無能量的損失。

(4)磁學特性-深入閱讀超導現象26(5)熱學性質

奈米微粒晶體表面原子因吸收外界熱能會使其振動幅度約為內部原子的2倍,故隨著粒徑減小和表面原子比例之增加,在不需要太高溫度時，晶體便容易熔化，也就是原本在某定壓環境的熔點將會降低。例如：混合參入0.1%~0.5%的奈米鎢絲,其熔融與燒結溫度將改變；另外奈米微粒於低溫時,其導熱性也會提高。

(5)熱學性質奈米微粒晶體表面原子因吸收外界熱能會使其振動27(5)熱學性質-科學小百科物質的熔點、沸點與三態改變不同的溫度或壓力下物質可能會以固態、液態或氣態存在，而固態、液態、氣態則稱為物質的三態。其實同一物質的三態其組成分子是相同的，只是分子間的距離及分子自由運動性不同而已，例如右圖為水的三態：

(5)熱學性質-科學小百科物質的熔點、沸點與三態改變不同的溫28(5)熱學性質-科學小百科而影響物態變化的主要因素有二，重要者為溫度，其次為壓力。例如當物質受熱由固態變液態的過程稱為熔化，此時溫度成為熔點；若溫度再升高，內部及表面液體分子皆劇烈汽化的溫度，稱為沸點，而這種現象則稱為沸騰。(5)熱學性質-科學小百科而影響物態變化的主要因素有二，重要29(5)熱學性質-科學小百科導熱性與比熱熱傳導是利用分子以及電子的碰撞而進行的。一物質熱傳導能力的大小是由其分子結構中的束縛力的大小來決定的。大部份的固體分子，尤其是金屬分子，其外圍電子的束縛力非常弱，所以它們具有最佳的熱傳導能力。熱傳導係數類似比熱，但是又與比熱有一些差別，比熱是指使每一公克的物質上升1℃所吸收的熱，不同種類的物質比熱皆不相同，通常金屬的比熱較小表示金屬吸熱後溫度較容易升高，但是又有導熱好（熱傳導係數高）的特性。(5)熱學性質-科學小百科導熱性與比熱30(5)熱學性質-科學小百科導熱性與比熱圖示因為砂與水的比熱不同，造成白天海邊吹海風的現象不同材質的地板材料，導熱情形不同(5)熱學性質-科學小百科導熱性與比熱圖示因為砂與水的比熱不31(5)熱學性質-科學小百科金屬種類比熱（cal/g?℃）熱傳導係數（W/mK）at25℃鋁0.217237鐵0.11380銅0.093401銀0.056429(5)熱學性質-科學小百科金屬種類比熱（cal/g?℃）32(6)化學性質

微粒尺寸逐漸趨近奈米大小時,原離子型晶體會轉為趨向共價鍵型;反之,原共價鍵型晶體卻會呈現出離子鍵性質;而原金屬鍵形晶體亦會逐漸轉變為離子鍵或共價鍵之性質,故化學性質會有所變化。由於表層原子數比例增加,同時增加了得失電子的機會,故加強了化學反應的能力與催化特性。「透過吸收光線產生催化作用的效率會與光電效應產生電子與電子洞之時間有關,並與微粒直徑之平方成反比」,故光觸媒粒徑越小,其光催化活性越強。

(6)化學性質微粒尺寸逐漸趨近奈米大小時,原離子型晶體會33(6)化學性質-科學小百科原子與分子的各種鍵結介紹一、原子之間的鍵結分為：1.金屬鍵(詳見內文)2.離子鍵(詳見內文)3.共價鍵(詳見內文)二、分子間的鍵結分為：1.氫鍵(詳見內文)2.凡得瓦力(詳見內文)(6)化學性質-科學小百科原子與分子的各種鍵結介紹34(6)化學性質-科學小百科◎得失電子的能力－化學活性化學活性：原子得失電子的能力，就是發生化學反應的難易程度。1.元素發生化學反應的難易與其活性有關。2.對氧活性大的元素，容易與氧作用，因此容易燃燒。3.對氧活性小的元素，不容易與氧作用，因此不容易燃燒。◎金屬活性順序依次是：鋰(Li)>銣(Rb)>鉀(K)>銫(Cs)>鋇(Ba)>鍶(Sr)>鈣(Ca)>鈉(Na)>鎂(Mg)>鋁(Al)>錳(Mn)>鋅(Zn)>鉻(Cr)>鐵(Fe)>鈷(Co)>鎳(Ni)>錫(Sn)>鉛(Pb)>氫(H2)>銅(Cu)>汞(Hg)>銀(Ag)>鉑(Pt)>金(Au)。金屬的位置越排在前面，它的金屬活性越強。(6)化學性質-科學小百科◎得失電子的能力－化學活性35(7)力學特性

奈米材料由於高比例表層原子之配位不足與極強之凡德瓦力,使奈米複合材料之強度、韌性、耐磨性、抗老化性、耐壓性、緻密性與防水性大大提高,在複合材料之力學物理上有革命性之改善。

(7)力學特性奈米材料由於高比例表層原子之配位不足與極強36(7)力學特性-科學小百科材料力學簡介材料力學所探討的主要是材料受力的行為，這些力包括軸力、剪力、彎矩、扭矩，而材料受力後會產生內部抵抗力，這些抵抗力通常係以單位面積的反應量來計算，故有軸向應力、剪應力、彎曲應力、扭曲應力四種對應之。而材料受力就會變形或移動，軸力的變形是伸長或縮短，剪力的變形是以弳度為單位的平移量，彎矩則會產生轉角，扭矩則為扭轉角，材料力學除了探討這些基本的主題→力：變形，應力：應變外，不同性質之力的合成問題，彈性與非彈性問題，力與變形間能量原理的應用等問題都在討論之列。(7)力學特性-科學小百科材料力學簡介37(7)力學特性-科學小百科材料力學圖示軸力彎矩剪力扭力(7)力學特性-科學小百科材料力學圖示軸力彎矩剪38【表面效應】隨著顆粒直徑變小，在質量固定的條件下，表面積表面原子所佔的接觸面積將會顯著地增加。在直徑大於0.1微米時，顆粒的表面效應可忽略不計，但是當尺寸小於0.1微米時，其表面原子接觸面積會激劇增大，甚至1克超微顆粒表面積的總和竟可高達100公尺見方，這時的表面效應將不容忽視。【表面效應】隨著顆粒直徑變小，在質量固定的條件下，表面積表面39【表面效應】例如超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可採用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而緻密的氧化層，確保表面穩定化。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。

【表面效應】例如超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆40【表面效應】-科學小百科影響反應速率的因素

物質本性活性大，反應速率快。例如：鈉＋氧＞銅+氧。表面積（顆粒大小）表面積大，反應速率快。例如：烤肉敲碎木炭；童軍火媒棒；散開燒紙錢；煎魚時，在魚體上劃幾刀。濃度濃度大，反應速率快。例如：線香在純氧燃燒劇烈。鐵釘在純氧中易生銹。碳酸鈣與鹽酸作用，鹽酸濃度越高，反應越快溫度溫度高，粒子能量高、運動快，有效碰撞多，反應速率快。例如：夏天食物較冬天易腐壞。

催化劑催化劑會改變反應速率。例如：雙氧水加二氧化錳，產生氧氣快【表面效應】-科學小百科影響反應速率的因素物質本性活性大，41【表面效應】-科學小百科超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，在電子顯微鏡的電子束照射下，由微小的電子尺度看巨大的表面原子彷佛進入了“沸騰”狀態，但是，尺寸大於10奈米以後，便看不到金顆粒結構的不穩定性，微顆粒極易與其他原子結合，這時會具有穩定的結構狀態。【表面效應】-科學小百科超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分42【量子效應】當尺寸低於一定值時，在介觀尺度的量子電子能態密度不同於一般塊材，其能態密度介於原子與塊材之間，具有類似原子的能階，能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。在實驗上已經可觀察到類似原子能階的分離的光譜，此量子點的光、電、磁性質不同於一般我們所熟知的巨觀性質。量子點的能態密度隨著其尺寸大小而變，也就是說光、電、磁性質可以單純的由尺寸變化來改變。

【量子效應】當尺寸低於一定值時，在介觀尺度的量子電子能態密43【量子效應】打個比方來說，有臺戰艦朝海面開了一炮，你不可能因此引起海嘯，在地球對面海上的人，也不會感受到海浪變大，但是，如果是朝著池塘開火呢？甚至是馬路上的一灘水呢？那對整個池塘或一灘水來說，變化是非常之大的吧。因此，當物質小到某種程度時，光、電（對那個「小」物質而言它覺得那是一堆電子）、磁等外界的影響，對那個物質點的作用就會和我們在生活中所直覺的現象有所差異。在如此小的尺度下，古典理論已不敷使用，量子效應(quantumeffect)已成為不可忽視的因素，再加上表面積所佔的比例大增，物質會呈現迥異於巨觀尺度下的物理、化學和生物性質。

【量子效應】打個比方來說，有臺戰艦朝海面開了一炮，你不可能因44【量子效應】以黃金為例，當它被製成金奈米粒子(nanoparticle)時，顏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，因此成為顯微探針及微電極的絕佳材料。【量子效應】以黃金為例，當它被製成金奈米粒子(nanopar45【量子效應】-深入閱讀

測不準原理這個理論是一位德國物理學家海森堡所提出的，理論的大意是說：「當我們在測量一顆粒子時，你永遠不可能知道那顆粒子，在你測量的時候，它的確切位置。」知名的物理學家愛因斯坦曾經說過：「上帝不會玩擲骰子的遊戲。」換句話說，愛因斯坦認為自然界的現象是可測的，而海森堡則完全不認同，有趣的是，當時愛因斯坦已是家喻戶曉的大人物了，而海森堡只有20幾歲（哇！挑戰權威耶），但是最後證明海森堡是對的（愛因斯坦到死還是不能接受）。因為，當我們用肉眼觀察一顆粒子時，一定需要光，當光照射到粒子，再反射之後被我們觀察到後，粒子已經因為光的擾動而不知道跑到哪裡去了，所以，你所觀察到的粒子，是『過去』且被干擾過的粒子，而不是『現在』且安定的粒子了。愛因斯坦曾經為此理論問了一位小學生說：『是不是只有當你看月亮時，月亮才在那裡？』【量子效應】-深入閱讀測不準原理46【量子效應】-深入閱讀量子穿遂效應在古典物理中，能階有不可逾越的絕對性，但是，在量子觀點中，粒子卻能無視能階這面大牆而穿過去……

【量子效應】-深入閱讀量子穿遂效應47三、過去、現在與未來—奈米的歷史人類在地球經歷了石器時代，銅器時代，農業時代等進展，亦經歷神權時代，君權時代，至文藝復興時代，近代自然科學才被啟蒙發展。近代科技發展約為四百年前，十八世紀蒸汽機的發明帶來產業機械化，即為史上首次的產業革命，稱為蒸汽機時代，繼而十九世紀產業電氣化，是為史上第二次的產業革命，稱為電力時代。二十世紀第三次的產業革命，稱為電子計算機時代。二十一世紀進入奈米線寬，為第四次的產業革命，奈米電子時代。三、過去、現在與未來—奈米的歷史人類在地球經歷了石器時代，銅48三、過去、現在與未來—奈米的歷史工業革命第一次產業革命第二次產業革命第三次產業革命第四次產業革命蒸汽機電氣化電子計算機奈米三、過去、現在與未來—奈米的歷史工業革命第一次產業革命第49三、過去、現在與未來—奈米的歷史奈米的靈感，起源於一位有名的物理學家-李查費曼在1959年12月於美國物理學年會上所發表的一篇演講「物質底層有大量的空間┘他在此篇演講中首次提到他不排除在原子的層次中製造物品的可能性，並且認為當人類能夠在原子的尺寸上進行操縱的時候，將得到大量獨特性質的物質，那時將會是一個嶄新的世界。而在該場演講中，李查費曼以此觀念，提出了四個重點:1.計算機微小化。2.以人為方式重新建立原子排列方式。3.微觀世界下的原子與材料性質。4.如何將大英百科全書放入一大頭針頭那麼小的容積裡。三、過去、現在與未來—奈米的歷史奈米的靈感，起源於一位有名的50三、過去、現在與未來—奈米的歷史根據費曼先生的說法，奈米科技是經由奈米尺度下對物質的控制，以創造利用材料、結構、裝置或系統，奈米結構世界由原子、分子、超分子等級的操控能力以生產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，且有效的製造並利用這些結構。

三、過去、現在與未來—奈米的歷史根據費曼先生的說法，奈米科技51三、過去、現在與未來—奈米的歷史而目前科學家對奈米科技現象的觀測與研究，雖然已有半個世界的發展，然而之前的研究方向都是偏重在奈米科技、奈米元件以及物理、化學性質上的理論模擬。一直到1990年開始，奈米科技才有了明顯的進步，不僅在產品的創新、或是既有產品的附加價值上，並且更進一步的帶動了新興應用領域及產業的出現。奈米科技是從民生消費性產業到尖端高科技領域中,與奈米相關的應用科技。奈米科技涵蓋領域甚廣,從基礎科學橫跨至應用科學,包含物理、化學、材料、光電、生物及醫藥等。三、過去、現在與未來—奈米的歷史而目前科學家對奈米科技現象的52

奈米在生活上應用圖示

奈米在生活上應用圖示53三、過去、現在與未來—奈米的歷史奈米科技發展事件一覽表詳見教材P28三、過去、現在與未來—奈米的歷史奈米科技發展事件一覽表54分享與回饋真要懂得奈米科技、發展奈米科技，需要的還是基礎科學的能力、培植基礎科學人才所謂奈米科技並沒有創造出新的科學原理，只是科學基礎的延伸做學生的紮實地學好基礎科學做老師的實在地教學基礎科學同時吸收奈米新知，分享他人分享與回饋真要懂得奈米科技、發展奈米科技，需要的還是基礎科學55分享與回饋您做好迎接奈米科技世界的準備了嗎﹖﹗感謝您的參與﹗並請協助填寫問卷調查表再次感謝﹗南區奈米科技推廣教材編輯小組分享與回饋您做好迎接奈米科技世界的準備了嗎﹖﹗南區奈米科技推56南區奈米科技K-12教育發展中心

教材巡迴演講主題：看奈米學科學基礎 報告者：楊志鴻計畫執行單位：後甲國中中華民國九十六年十月三日南區奈米科技K-12教育發展中心

教材巡迴演講主題：看奈米學57報告大綱教材的架構說明第二章內文導讀分享與回饋「奈」＝「大=小之間」報告大綱教材的架構說明「奈」＝「大=小之間」58奈米科技特性的闡釋微觀尺寸：<1nm介觀尺寸：1nm~100nm巨觀尺寸：＞100nm呈現物質新的特性實際利用這些特性新的產業應用商品化潛力的應用奈米科技特性的闡釋微觀介觀巨觀呈現物質新的特性新的產業應59公尺10

10-110-410-510-610-710-810-210-310-9110cm1cm1mm100μm10μm1μm100nm10nm1nm來源：公尺1010-110-410-510-610-710-8160教材的架構說明第一章：從奈米的自然現象出發—發現奈米科技早已出現在大自然中，引起探索奈米科技的動機第二章：看奈米學科學基礎—連結國中階段自然科學基礎、奠基了解奈米科技的科學原理第三章：認識奈米科技的各項應用—了解各項奈米科技的實際應用，建立發展的願景第四章：奈米體驗營—透過實作體驗各種奈米特性教材的架構說明第一章：從奈米的自然現象出發61第二章：看奈米學科學基礎重點說明內容共分三部分一、大小之間－奈米尺度二、魔法傳奇－奈米特性三、過去、現在與未來－奈米的歷史第二章：看奈米學科學基礎重點說明內容共分三部分62一、大小之間－奈米尺度「奈米」到底是啥米？現在日常生活中隨處都可聽見「奈米」這個名詞，但是大家了解其字面上的意義嗎？其實奈米不是一種米，而是與公尺（米）一樣都是『長度』的單位名詞，只不過我們較為熟悉的是其他長度公制單位如：公里（仟米）、公分（厘米）、公釐（毫米）等（詳見表一）。表一長度公制單位與換算表(詳見教材p15)迷思概念：奈米與原子哪一個比較小？一、大小之間－奈米尺度「奈米」到底是啥米？現在日常生活中隨處63一、大小之間－奈米尺度在前表中『1奈米的長度等於10-9公尺』這樣的尺寸到底有多小呢？曾經有雜誌以「以一米長與一奈米長做比較，相當於地球的直徑比上一顆玻璃彈珠的直徑」。可見奈米尺寸是多麼的微小，它已經遠遠小至人類視覺無法觀察與分辨的範圍。

由大而小每十分之一的手掌特寫畫面一、大小之間－奈米尺度在前表中『1奈米的長度等於10-9公尺64一、大小之間－奈米尺度但是，若是對於組成物質的最基本粒子－「原子」來看，因為原子的直徑約為1埃（1?相當於0.1奈米）左右的長短，因此，1奈米大約是「2～3個金屬原子」或「10個氫原子」排列在一起的寬度，也就是說，若以原子的世界觀之，那奈米可又不算太小囉！通常「病毒」的直徑約60～250奈米，「紅血球」的直徑則約2,000奈米，「頭髮」的直徑就大約30,000~50,000奈米了。所謂「小小世界、大大驚奇」，如果把奈米的「奈」字拆開來看的話，奈米科學可以說是「通往大<=>小之間」的嶄新精采新世界，難怪乎知名的物理學家-李查費曼在1959年12月於美國物理學年會上所發表的演講中說道：「這下面的空間還很大呢？！」（There’splentyofroomatthebottom）

一、大小之間－奈米尺度但是，若是對於組成物質的最基本粒子－「65一、大小之間－奈米尺度＋－科學小百科－原子的簡介原子的概念是由英國科學家約翰·道爾頓在十九世紀初發表的「原子說」中提到－「組成物質的最基本粒子叫做原子」。目前知道的最簡單的原子構造是氫原子，內部是由一個帶負電的電子及一個帶正電的質子所組成，其他的原子則是由原子核(內含質子、中子)及核外的電子所組成。一、大小之間－奈米尺度＋－科學小百科－原子的簡介原子的概念是66二、魔法傳奇－奈米特性我們現在有興趣深入了解的是在「奈米」這種長度範疇內，會發生許許多多的特殊現象，並且發展在這種尺度下的科學技術並加以應用。而奈米尺度的特殊現象絕對不是人類原創的，其實早已存在大自然中。

二、魔法傳奇－奈米特性我們現在有興趣深入了解的是在「奈米」這67二、魔法傳奇－奈米特性如同本書的奈米自然現象篇所探討到「某些生物五彩繽紛的顏色」，例如甲蟲殼、魚鱗、蝴蝶翅膀，科學家發現是和光子晶體的顯微結構有關。當物質呈特殊性排列，可以反射特殊波長的可見光，組織約在數百奈米左右，所以顏色會隨時變化，十分美麗另外「許多動物有辨識方向能力」，即使離家千里也可以找到回家的路，例如螞蟻、蜜蜂、鴿子、鮭魚等，他們都具有磁場感應器。存在蜜蜂體內的磁性奈米粒子，對於蜜蜂而言，具有「羅盤」的作用，因此可以做為蜜蜂的導航系統至於「蓮花出汙泥而不染」的奧秘，即是在分布於荷葉上有著精巧的奈米與微米結構，才能讓葉面有自凈的能力，食用芋頭的葉子也有類似的特性呢！。

二、魔法傳奇－奈米特性如同本書的奈米自然現象篇所探討到「某些68二、魔法傳奇－奈米特性綜合整理諸多的特殊奈米現象後，可以將這些現象歸納為下列三個效應來做說明：【小尺寸效應】【表面效應】【量子效應】

二、魔法傳奇－奈米特性綜合整理諸多的特殊奈米現象後，可以將這69【小尺寸效應】「小尺寸效應」又稱為「體積效應」。所謂「小尺寸效應」乃是指微粒子的尺寸變小時,其體積縮小,粒子內部所含的原子數減小所出現的效應。當微粒之固體粒徑逐漸減小,甚至接近原子大小時,其凡德瓦力會越來越強,微粒之聲、光、電、磁、熱及化學特性等亦將隨之改變，下面再進一步的分類說明：【小尺寸效應】「小尺寸效應」又稱為「體積效應」。所謂「小尺寸70(1)聲音性質

表面原子在傳導與感應聲音波動的作用上,可增加其敏感度,由於粒徑小,孔隙度亦縮小,使依序傳遞的能量能迅速而不受干擾,其信號與雜音比例會相對提高,使得我們人耳所產生聽覺三要素（響度、音調、音色）以及聲音傳遞速度應會有所改變。

(1)聲音性質表面原子在傳導與感應聲音波動的作用上,可增加71(1)聲音性質-科學小百科科學小百科聲音三要素：音調、響度、音色。1.音調：聲音的高低由振動的頻率決定，頻率越高，聲音就越尖銳。所以，女孩子的發聲頻率通常就比男孩子來得高。2.響度：聲音的強弱，由聲波的振動幅度（振幅）來決定，振幅越大，表示聲波的能量越高，因此聲音也就越大聲。一般我們用分貝（dB）來表示聲音的響度。3.音色：同樣是La這個音，以小提琴拉奏和以鋼琴彈奏，聽起來是不是感覺不一樣呢？這兩種樂器所演奏出來的聲音的差異，就在於音色上的不同，而音色決定於聲波的波形。(1)聲音性質-科學小百科科學小百科聲音三要素：音調、響度、72(1)聲音性質-科學小百科圖示(1)聲音性質-科學小百科圖示73(2)光學性質

當微粒子的尺寸減小時,對於光（微波波長的電磁波）的吸收會增加,並在某些特殊頻率因粒子共振頻移的現象出現吸收波峰,故因而產生新的光學特性。例如對紅外線的吸收和發射作用,或對紫外線有遮蔽作用等。不同粒徑材料對光的不透明度,亦即對其遮光能力也會隨光的不同波長而改變。例如：常常聽見的奈米光觸媒分子－二氧化鈦（分子式：TiO2）其分子粒徑小至200nm~350nm時對可見光(400~700nm)之遮蔽力會變強;但如粒徑大小進一步小至15nm~50nm時,會呈現可見光的透光狀態,但是對於短波高頻之紫外線卻有較著佳之遮蔽能力。(2)光學性質當微粒子的尺寸減小時,對於光（微波波長的電磁74(2)光學性質-科學小百科圖示各種光波的頻譜示意圖

(2)光學性質-科學小百科圖示各種光波的頻譜示意圖75(2)光學性質-科學小百科圖示電磁波依波長不同而有不同種類，波長越短能量越高。(2)光學性質-科學小百科圖示電磁波依波長不同而有不同種類，76(3)電學特性

奈米微粒表面原子之特殊結構易引起表面電子自旋構象和電子能譜變化,故亦具有新的電學特性。金屬粒子之原子間距將隨粒徑減小而變小,金屬中自由電子平均自由(半)徑會減小,其導電率會降低。

(3)電學特性奈米微粒表面原子之特殊結構易引起表面電子自旋77(3)電學特性-科學小百科1.金屬的導電性（自由電子與歐姆定律）自由電子在金屬晶體中作不規則的運動，在外電場的作用下，自由電子會做定向移動，形成電流，此乃金屬導電性強原因。但電子流動過程中會與原子碰撞，若自由電子的碰撞機率增加，則會因受到阻力作用以致運動速率減慢，導致電阻增大。(3)電學特性-科學小百科1.金屬的導電性（自由電子與歐姆定78(3)電學特性-科學小百科2.歐姆定律：溫度不變時，導線兩端的電壓和流經的電流成正比，此關係稱為歐姆定律；電壓V與電流I的比值定義稱為電阻，單位為歐姆(符號為Ω)。VI(3)電學特性-科學小百科2.歐姆定律：VI79(4)磁學特性

如同前述的微粒子表面之特殊結構效應,原本為磁性物質的有序排列可能出現無序排列的狀態,使的原本應該具有的超導現象也會因而轉變並產生新的磁學特性。原本在高溫時才會消磁的現象，會因為粒徑的變小,其磁化率竟會在低溫的環境下降低甚至為零,成為磁絕緣體。例如：奈米微粒之鐵-鈷-鎳合金之強磁性材料,其信號與雜音比極高,可作為紀錄器。

(4)磁學特性如同前述的微粒子表面之特殊結構效應,原本為磁80(4)磁學特性-科學小百科磁性物質有序排列示意圖想像用超級放大鏡把磁鐵放大，可以看到磁鐵是由一個個的小磁鐵所構成的（科學家們稱其為「磁域」）。

(4)磁學特性-科學小百科磁性物質有序排列示意圖81(4)磁學特性-深入閱讀

超導現象通常金屬的導電能力因溫度的升高而降低，此種現象可以用動力學的觀點來解釋：「當金屬受熱時，金屬原子核的振動增加，阻礙了價電子的流動速度。相反地，當金屬冷卻近絕對零度（0K）時，金屬粒子幾乎停止不動，此時價電子可以在毫無阻礙的狀態下流動，達成無電阻狀態」，我們稱此溫度為該金屬的超導溫度（SuperconductingTransitionTemperature）。在此溫度，金屬成為超導體，金屬中的價電子能以百分之百的效率傳遞，期間並無能量的損失。

(4)磁學特性-深入閱讀超導現象82(5)熱學性質

奈米微粒晶體表面原子因吸收外界熱能會使其振動幅度約為內部原子的2倍,故隨著粒徑減小和表面原子比例之增加,在不需要太高溫度時，晶體便容易熔化，也就是原本在某定壓環境的熔點將會降低。例如：混合參入0.1%~0.5%的奈米鎢絲,其熔融與燒結溫度將改變；另外奈米微粒於低溫時,其導熱性也會提高。

(5)熱學性質奈米微粒晶體表面原子因吸收外界熱能會使其振動83(5)熱學性質-科學小百科物質的熔點、沸點與三態改變不同的溫度或壓力下物質可能會以固態、液態或氣態存在，而固態、液態、氣態則稱為物質的三態。其實同一物質的三態其組成分子是相同的，只是分子間的距離及分子自由運動性不同而已，例如右圖為水的三態：

(5)熱學性質-科學小百科物質的熔點、沸點與三態改變不同的溫84(5)熱學性質-科學小百科而影響物態變化的主要因素有二，重要者為溫度，其次為壓力。例如當物質受熱由固態變液態的過程稱為熔化，此時溫度成為熔點；若溫度再升高，內部及表面液體分子皆劇烈汽化的溫度，稱為沸點，而這種現象則稱為沸騰。(5)熱學性質-科學小百科而影響物態變化的主要因素有二，重要85(5)熱學性質-科學小百科導熱性與比熱熱傳導是利用分子以及電子的碰撞而進行的。一物質熱傳導能力的大小是由其分子結構中的束縛力的大小來決定的。大部份的固體分子，尤其是金屬分子，其外圍電子的束縛力非常弱，所以它們具有最佳的熱傳導能力。熱傳導係數類似比熱，但是又與比熱有一些差別，比熱是指使每一公克的物質上升1℃所吸收的熱，不同種類的物質比熱皆不相同，通常金屬的比熱較小表示金屬吸熱後溫度較容易升高，但是又有導熱好（熱傳導係數高）的特性。(5)熱學性質-科學小百科導熱性與比熱86(5)熱學性質-科學小百科導熱性與比熱圖示因為砂與水的比熱不同，造成白天海邊吹海風的現象不同材質的地板材料，導熱情形不同(5)熱學性質-科學小百科導熱性與比熱圖示因為砂與水的比熱不87(5)熱學性質-科學小百科金屬種類比熱（cal/g?℃）熱傳導係數（W/mK）at25℃鋁0.217237鐵0.11380銅0.093401銀0.056429(5)熱學性質-科學小百科金屬種類比熱（cal/g?℃）88(6)化學性質

微粒尺寸逐漸趨近奈米大小時,原離子型晶體會轉為趨向共價鍵型;反之,原共價鍵型晶體卻會呈現出離子鍵性質;而原金屬鍵形晶體亦會逐漸轉變為離子鍵或共價鍵之性質,故化學性質會有所變化。由於表層原子數比例增加,同時增加了得失電子的機會,故加強了化學反應的能力與催化特性。「透過吸收光線產生催化作用的效率會與光電效應產生電子與電子洞之時間有關,並與微粒直徑之平方成反比」,故光觸媒粒徑越小,其光催化活性越強。

(6)化學性質微粒尺寸逐漸趨近奈米大小時,原離子型晶體會89(6)化學性質-科學小百科原子與分子的各種鍵結介紹一、原子之間的鍵結分為：1.金屬鍵(詳見內文)2.離子鍵(詳見內文)3.共價鍵(詳見內文)二、分子間的鍵結分為：1.氫鍵(詳見內文)2.凡得瓦力(詳見內文)(6)化學性質-科學小百科原子與分子的各種鍵結介紹90(6)化學性質-科學小百科◎得失電子的能力－化學活性化學活性：原子得失電子的能力，就是發生化學反應的難易程度。1.元素發生化學反應的難易與其活性有關。2.對氧活性大的元素，容易與氧作用，因此容易燃燒。3.對氧活性小的元素，不容易與氧作用，因此不容易燃燒。◎金屬活性順序依次是：鋰(Li)>銣(Rb)>鉀(K)>銫(Cs)>鋇(Ba)>鍶(Sr)>鈣(Ca)>鈉(Na)>鎂(Mg)>鋁(Al)>錳(Mn)>鋅(Zn)>鉻(Cr)>鐵(Fe)>鈷(Co)>鎳(Ni)>錫(Sn)>鉛(Pb)>氫(H2)>銅(Cu)>汞(Hg)>銀(Ag)>鉑(Pt)>金(Au)。金屬的位置越排在前面，它的金屬活性越強。(6)化學性質-科學小百科◎得失電子的能力－化學活性91(7)力學特性

奈米材料由於高比例表層原子之配位不足與極強之凡德瓦力,使奈米複合材料之強度、韌性、耐磨性、抗老化性、耐壓性、緻密性與防水性大大提高,在複合材料之力學物理上有革命性之改善。

(7)力學特性奈米材料由於高比例表層原子之配位不足與極強92(7)力學特性-科學小百科材料力學簡介材料力學所探討的主要是材料受力的行為，這些力包括軸力、剪力、彎矩、扭矩，而材料受力後會產生內部抵抗力，這些抵抗力通常係以單位面積的反應量來計算，故有軸向應力、剪應力、彎曲應力、扭曲應力四種對應之。而材料受力就會變形或移動，軸力的變形是伸長或縮短，剪力的變形是以弳度為單位的平移量，彎矩則會產生轉角，扭矩則為扭轉角，材料力學除了探討這些基本的主題→力：變形，應力：應變外，不同性質之力的合成問題，彈性與非彈性問題，力與變形間能量原理的應用等問題都在討論之列。(7)力學特性-科學小百科材料力學簡介93(7)力學特性-科學小百科材料力學圖示軸力彎矩剪力扭力(7)力學特性-科學小百科材料力學圖示軸力彎矩剪94【表面效應】隨著顆粒直徑變小，在質量固定的條件下，表面積表面原子所佔的接觸面積將會顯著地增加。在直徑大於0.1微米時，顆粒的表面效應可忽略不計，但是當尺寸小於0.1微米時，其表面原子接觸面積會激劇增大，甚至1克超微顆粒表面積的總和竟可高達100公尺見方，這時的表面效應將不容忽視。【表面效應】隨著顆粒直徑變小，在質量固定的條件下，表面積表面95【表面效應】例如超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可採用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而緻密的氧化層，確保表面穩定化。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。

【表面效應】例如超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆96【表面效應】-科學小百科影響反應速率的因素

物質本性活性大，反應速率快。例如：鈉＋氧＞銅+氧。表面積（顆粒大小）表面積大，反應速率快。例如：烤肉敲碎木炭；童軍火媒棒；散開燒紙錢；煎魚時，在魚體上劃幾刀。濃度濃度大，反應速率快。例如：線香在純氧燃燒劇烈。鐵釘在純氧中易生銹。碳酸鈣與鹽酸作用，鹽酸濃度越高，反應越快溫度溫度高，粒子能量高、運動快，有效碰撞多，反應速率快。例如：夏天食物較冬天易腐壞。

催化劑催化劑會改變反應速率。例如：雙氧水加二氧化錳，產生氧氣快【表面效應】-科學小百科影響反應速率的因素物質本性活性大，97【表面效應】-科學小百科超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，在電子顯微鏡的電子束照射下，由微小的電子尺度看巨大的表面原子彷佛進入了“沸騰”狀態，但是，尺寸大於10奈米以後，便看不到金顆粒結構的不穩定性，微顆粒極易與其他原子結合，這時會具有穩定的結構狀態。【表面效應】-科學小百科超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分98【量子效應】當尺寸低於一定值時，在介觀尺度的量子電子能態密度不同於一般塊材，其能態密度介於原子與塊材之間，具有類似原子的能階，能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。在實驗上已經可觀察到類似原子能階的分離的光譜，此量子點的光、電、磁性質不同於一般我們所熟知的巨觀性質。量子點的能態密度隨著其尺寸大小而變，也就是說光、電、磁性質可以單純的由尺寸變化來改變。

【量子效應】當尺寸低於一定值時，在介觀尺度的量子電子能態密99【量子效應】打個比方來說，有臺戰艦朝海面開了一炮，你不可能因此引起海嘯，在地球對面海上的人，也不會感受到海浪變大，但是，如果是朝著池塘開火呢？甚至是馬路上的一灘水呢？那對整個池塘或一灘水來說，變化是非常之大的吧。因此，當物質小到某種程度時，光、電（對那個「小」物質而言它覺得那是一堆電子）、磁等外界的影響，對那個物質點的作用就會和我們在生活中所直覺的現象有所差異。在如此小的尺度下，古典理論已不敷使用，量子效應(quantumeffect)已成為不可忽視的因素，再加上表面積所佔的比例大增，物質會呈現迥異於巨觀尺度下的物理、化學和生物性質。

【量子效應】打個比方來說，有臺戰艦朝海面開了一炮，你不可能因100【量子效應】以黃金為例，當它被製成金奈米粒子(nanoparticle)時，顏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，因此成為顯微探針及微電極的絕佳材料。【量子效應】以黃金為例，當它被製成金奈米粒子(nanopar