功能性奈米複材製備與應用
工研院材化所研究主任:楊偉達 博士
主持人 : 李季燃 教授
紀錄者 : 古家豪
紀錄者指導老師 : 孫茂誠
教授
共同指導老師 : 廖炳傑 教授
上課日期 : 101.12.13
奈米的技術在近期被廣泛的研究及應用,在自然界當中也有出現奈米現象,如
典型的蓮葉自潔效應(抗污塗料) ,以這種效應能運用在油漆
馬桶等等 抗汙的需求品上,還有壁虎能到立在天花板上,是由大自然的觀察壁虎與天花板/牆壁有很好的〝黏性〞,利用分子間的凡得瓦爾力與各種物體表面黏著,其每平方英寸可支撐200 磅的重量。
那什麼是奈米科技 ?
定義:
奈米材料泛指粒子尺寸大小在1 ~ 100nm (nanometer = 10-9m)範圍內的材料,概稱為奈米材料。
奈米科技是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。
奈米科技包含了量測、模擬、操控、精密安放和創製小於100奈米級的物質,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。6
接下來看奈米材料應用及分類 :
奈米材料許多性質與塊材不同,所以在開發奈米材料領域上,往往有著令人驚奇的發現,如碳奈米管有優越的場發射(field emission)性質,可作場發射顯示器電子供應源;奈米複合材料補強高分子,使材料達到較佳的狀態;奈米半導體光學性質如硒化鎘半導體粒子隨粒徑大小、形狀變化而有所不同,利用此性質可調變所希望的光源波長等。
奈米材料在光電、醫學、工業、學術上的研究、奈米元件(nano-devices)的發展,及掃描探針顯微術(scanning probe microscope)的一些可能應用方向。
催化性質方面:由於奈米粒子體積非常小,材料表面原子與整體材料原子的個數比例值就變得非常顯著,而固體表面原子的熱穩定性與化學穩定性都要比內部原子要差的多,所以表面原子的多寡代表了催化的活性,即大表面積是一個好觸媒材料的基本要素,如Fe / ZrO2奈米觸媒可提升CO+H2反應成烴類的催化能力。
光學性質上:當材料尺寸小至某一程度,也就是粒子小於塊材的激子半徑,此時奈米材料會有量子限量化的效應,量子點會像原子與分子一樣具有不連續的能階,且變化粒子大小時,能隙也會因粒子大小不同而不同。經科學家理論性的計算,量子點(quantum dots)、量子線(quantum wires)、量子井(quantum well)、塊材(bulk materials),它們在能階密度上均不相同,這代表了它們可能在光學性質上亦有不尋常的差異,另外奈米粒徑小於一般紫外光、可見光或紅外光波長,所以造成粒子對光的反射及散射能力大減,因此如Al2O3、γ-Fe2O3、TiO2等奈米材料均可作透明及隱身的材料。
複合材料方面:奈米材料的加入,可以提昇材料的剛性、抗拉、抗折、奈熱、自身防然性等性質,如我們加入少許粘土於尼龍與聚亞醯胺,可以使吸濕性改善,可降低一半水氣的穿透性。
在感測方面:奈米粒子所製成的感測器,由於表面活體性增加造成訊號敏感性變強,另一方面,粒徑小導致孔隙度縮小,導致訊號傳遞迅速不受干擾,大大增強訊雜比。
電子傳遞方面:例如半導體量子線會有電導量子化現象,使得原本傳統導線歐姆電阻觀念已不再適用,奈米級的絕緣層性質也會因電子穿隧現象,而失去絕緣功用,超微小結構的電容量非常小,一個電子進去就會改變它的電位等,最後如磁、機械性、熔點等其他物理化學性質,奈米材料均亦與塊材有著全然不同的性質。
奈米材料的種類
大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米薄膜、奈米塊體等四類。
(1) 奈米粉末(Nano Powder)
又稱為超微粉或超細粉,一般指粒度在100奈米以下的粉末或顆粒,是一種介於原子、分子與宏觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於:高密度磁記錄材料;吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;微晶片導熱基片與布線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進的電池電極材料;太陽能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用於陶瓷發動機等);人體修復材料;抗癌制劑等。
(2) 奈米纖維(Nano Fiber)
指直徑為奈米尺度而長度較大的線狀材料。可用於:微導線、、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料;新型鐳射或發光二極管材料等。如奈米碳管;奈米纖維;奈米柱等。
(3) 奈米薄膜(Nano Film)
奈米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是奈米顆粒粘在一起。中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但晶粒尺寸為奈米級的薄膜。可用於:氣體催化(如汽車尾氣處理)材料;氣體感測材料;過濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導材料等。
(4) 奈米塊體(Nano Bulk)
是將奈米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的奈米晶粒材料。主要用途為:超高強度材料;智慧金屬材料等。
大致分別應用於
光電產品、生醫產品、高分子產品、機械產業、化工產業、傳統產業
等等...。
應用:
化工方面
奈米碳管:
早在1985年Kroto等人即意外發現C60的存在而提出了足球模型(1),此發現對碳化合物的研究有著重大突破,但當時對於C60的特性及其應用發展並不清楚。
直到1991年Iijima(2)提出奈米碳管的概念後,才促使相關單位朝此領域進行積極的研究與開發。奈米碳管不論在物性、化性或材料特性上均有著顯著非凡的表現,例如:在電性上,不同管徑及形態的奈米碳管可具有金屬導體或半導體的特性,且奈米碳管具有極佳的機械性質與良好的氣體儲存特性。
碳元素的同素異形體基本上可分為三種不同的型態:(1)石墨;(2)鑽石;(3)C60。其中,石墨是碳原子以sp2的共價鍵鍵結而成的二維層狀結構的半金屬,層與層間約距0.3354nm;鑽石則是碳原子以sp3的鍵結形式構成的三維立體結構的材料;C60則為二十個六圓環與十二個五圓環以sp2 的鍵結形式所組合而成似足球的結構。
奈米碳管的應用,由於奈米碳管的彈性極高,其張力強度比鋼絲強上百倍,但重量卻極輕,且兼具金屬的性質與半導體的性質,故奈米碳管的應用範極廣,可以用作電路中的連接件、可以用作電路開關、可用在平面顯示器等。
高分子複合材料:
可以被廣泛的應用在一般民生工業上,如資電器材、汽車零組件、耐油性材料與耐磨耗材料;在纖維工業上,如工業刷毛、濾布、繩索,具有提昇剛性、強度、耐溫熱特性;在包裝材料上應用,如保鮮膜、生鮮食品包裝,充分利用奈米材料耐熱性、阻氧性、透明特性等;在塗布工業,材料耐黃變、高附著性、防蝕、電著塗料均是未來奈米阻絕性之最佳應用;在電子封裝產業中,將積體電路IC晶片加以密封保護,並將完成封裝元件是一個重要的課題,而破壞封裝主因常是脫層或爆米花現象(popcorn effect),那都是構裝材料樹脂在吸水後水氣膨脹與樹脂熱膨脹係數和矽晶片、金屬熱膨脹係數差異過大所致,因此提昇高分子耐吸濕性、耐熱性、降低高分子與矽晶片和金屬熱膨脹係數差異,為精密封裝材料發展趨勢,而奈米高分子材料正是可以解決上述所提之特性。
奈米生化醫療科技:
微系統科技的發展是日新月異,產品的尺寸已可到達奈米境界,這門技術應用到生物醫學界,漸漸已成了不可或缺的診斷治療工具,從心律調節器、人造心臟瓣膜、探針、生化感測器(biosensor)、各種導管、助聽器、大腦內視鏡、奈米內服藥物(nanomedicine)等等,皆是造成革命性醫療的新方法。
半導體奈米粒子光電性質:
當粒子小到一個尺寸時,科學家稱這尺寸大小為一波爾激子長度,此時粒子的光學及能階,會朝向與分子類似的性質,能帶(energy band)會有量子限量化效應,而不是連續的能帶,且當晶體粒子變得更小時,其能隙(band gap)會變得越來越大,造成材料光電性質有很大的改變。
機械方面:
機能性奈米自潔塗料:透過奈米粉體的形態排列設計,結合超高強度Binder及低表面能表面改質,形成超低表面能/抗反射功能,奈米尺寸纖毛表面結構,可將塗層或塗膜表面轉化為具不適合細菌滋長、不沾灰塵、或灰塵易隨雨滴流失,耐磨抗反射的物性。此項技術可應用於建材、照明、合成皮、人纖、塑膠膜、資訊/電子、民生化工等相關產業之自潔抗反射產品;如建築自潔塗料、電子工業的無塵室材料、低光損的公共照明系統、運輸的自潔無塵處理、抗反射光電平面顯示器、大樓的自潔處理、或低污染高潔淨反應系統。
心得:
奈米技術在近期內運用廣放,主要原因在奈米技術把許多材料製備成奈米等級後,添加許多材料上
列如有高分子、油漆、電子工業上等許多,材料隨奈米化,大小趨向奈米尺寸,導致其對光、電磁、熱力學、聲等物性不同的效應,材料為光的吸收顯著增加、矯頑力增加、熔點下降,以這些特性使材料做的跟精緻機械性更強。
取自
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1105050304767
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1005022100473
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1005040907235
http://elearning.stut.edu.tw/m_facture/Nanotech/Web/ch7.htm
奈米科技基礎與實務 林建中 教授 編著 出版社 新文京開發出版股份有限公司
典型的蓮葉自潔效應(抗污塗料) ,以這種效應能運用在油漆
馬桶等等 抗汙的需求品上,還有壁虎能到立在天花板上,是由大自然的觀察壁虎與天花板/牆壁有很好的〝黏性〞,利用分子間的凡得瓦爾力與各種物體表面黏著,其每平方英寸可支撐200 磅的重量。
那什麼是奈米科技 ?
定義:
奈米材料泛指粒子尺寸大小在1 ~ 100nm (nanometer = 10-9m)範圍內的材料,概稱為奈米材料。
奈米科技是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。
奈米科技包含了量測、模擬、操控、精密安放和創製小於100奈米級的物質,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。6
接下來看奈米材料應用及分類 :
奈米材料許多性質與塊材不同,所以在開發奈米材料領域上,往往有著令人驚奇的發現,如碳奈米管有優越的場發射(field emission)性質,可作場發射顯示器電子供應源;奈米複合材料補強高分子,使材料達到較佳的狀態;奈米半導體光學性質如硒化鎘半導體粒子隨粒徑大小、形狀變化而有所不同,利用此性質可調變所希望的光源波長等。
奈米材料在光電、醫學、工業、學術上的研究、奈米元件(nano-devices)的發展,及掃描探針顯微術(scanning probe microscope)的一些可能應用方向。
催化性質方面:由於奈米粒子體積非常小,材料表面原子與整體材料原子的個數比例值就變得非常顯著,而固體表面原子的熱穩定性與化學穩定性都要比內部原子要差的多,所以表面原子的多寡代表了催化的活性,即大表面積是一個好觸媒材料的基本要素,如Fe / ZrO2奈米觸媒可提升CO+H2反應成烴類的催化能力。
光學性質上:當材料尺寸小至某一程度,也就是粒子小於塊材的激子半徑,此時奈米材料會有量子限量化的效應,量子點會像原子與分子一樣具有不連續的能階,且變化粒子大小時,能隙也會因粒子大小不同而不同。經科學家理論性的計算,量子點(quantum dots)、量子線(quantum wires)、量子井(quantum well)、塊材(bulk materials),它們在能階密度上均不相同,這代表了它們可能在光學性質上亦有不尋常的差異,另外奈米粒徑小於一般紫外光、可見光或紅外光波長,所以造成粒子對光的反射及散射能力大減,因此如Al2O3、γ-Fe2O3、TiO2等奈米材料均可作透明及隱身的材料。
複合材料方面:奈米材料的加入,可以提昇材料的剛性、抗拉、抗折、奈熱、自身防然性等性質,如我們加入少許粘土於尼龍與聚亞醯胺,可以使吸濕性改善,可降低一半水氣的穿透性。
在感測方面:奈米粒子所製成的感測器,由於表面活體性增加造成訊號敏感性變強,另一方面,粒徑小導致孔隙度縮小,導致訊號傳遞迅速不受干擾,大大增強訊雜比。
電子傳遞方面:例如半導體量子線會有電導量子化現象,使得原本傳統導線歐姆電阻觀念已不再適用,奈米級的絕緣層性質也會因電子穿隧現象,而失去絕緣功用,超微小結構的電容量非常小,一個電子進去就會改變它的電位等,最後如磁、機械性、熔點等其他物理化學性質,奈米材料均亦與塊材有著全然不同的性質。
奈米材料的種類
大致可分為奈米粉末、奈米纖維、奈米薄膜、奈米塊體等四類。
(1) 奈米粉末(Nano Powder)
又稱為超微粉或超細粉,一般指粒度在100奈米以下的粉末或顆粒,是一種介於原子、分子與宏觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於:高密度磁記錄材料;吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;微晶片導熱基片與布線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進的電池電極材料;太陽能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用於陶瓷發動機等);人體修復材料;抗癌制劑等。
(2) 奈米纖維(Nano Fiber)
指直徑為奈米尺度而長度較大的線狀材料。可用於:微導線、、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料;新型鐳射或發光二極管材料等。如奈米碳管;奈米纖維;奈米柱等。
(3) 奈米薄膜(Nano Film)
奈米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是奈米顆粒粘在一起。中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但晶粒尺寸為奈米級的薄膜。可用於:氣體催化(如汽車尾氣處理)材料;氣體感測材料;過濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導材料等。
(4) 奈米塊體(Nano Bulk)
是將奈米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的奈米晶粒材料。主要用途為:超高強度材料;智慧金屬材料等。
大致分別應用於
光電產品、生醫產品、高分子產品、機械產業、化工產業、傳統產業
等等...。
應用:
化工方面
奈米碳管:
早在1985年Kroto等人即意外發現C60的存在而提出了足球模型(1),此發現對碳化合物的研究有著重大突破,但當時對於C60的特性及其應用發展並不清楚。
直到1991年Iijima(2)提出奈米碳管的概念後,才促使相關單位朝此領域進行積極的研究與開發。奈米碳管不論在物性、化性或材料特性上均有著顯著非凡的表現,例如:在電性上,不同管徑及形態的奈米碳管可具有金屬導體或半導體的特性,且奈米碳管具有極佳的機械性質與良好的氣體儲存特性。
碳元素的同素異形體基本上可分為三種不同的型態:(1)石墨;(2)鑽石;(3)C60。其中,石墨是碳原子以sp2的共價鍵鍵結而成的二維層狀結構的半金屬,層與層間約距0.3354nm;鑽石則是碳原子以sp3的鍵結形式構成的三維立體結構的材料;C60則為二十個六圓環與十二個五圓環以sp2 的鍵結形式所組合而成似足球的結構。
奈米碳管的應用,由於奈米碳管的彈性極高,其張力強度比鋼絲強上百倍,但重量卻極輕,且兼具金屬的性質與半導體的性質,故奈米碳管的應用範極廣,可以用作電路中的連接件、可以用作電路開關、可用在平面顯示器等。
高分子複合材料:
可以被廣泛的應用在一般民生工業上,如資電器材、汽車零組件、耐油性材料與耐磨耗材料;在纖維工業上,如工業刷毛、濾布、繩索,具有提昇剛性、強度、耐溫熱特性;在包裝材料上應用,如保鮮膜、生鮮食品包裝,充分利用奈米材料耐熱性、阻氧性、透明特性等;在塗布工業,材料耐黃變、高附著性、防蝕、電著塗料均是未來奈米阻絕性之最佳應用;在電子封裝產業中,將積體電路IC晶片加以密封保護,並將完成封裝元件是一個重要的課題,而破壞封裝主因常是脫層或爆米花現象(popcorn effect),那都是構裝材料樹脂在吸水後水氣膨脹與樹脂熱膨脹係數和矽晶片、金屬熱膨脹係數差異過大所致,因此提昇高分子耐吸濕性、耐熱性、降低高分子與矽晶片和金屬熱膨脹係數差異,為精密封裝材料發展趨勢,而奈米高分子材料正是可以解決上述所提之特性。
奈米生化醫療科技:
微系統科技的發展是日新月異,產品的尺寸已可到達奈米境界,這門技術應用到生物醫學界,漸漸已成了不可或缺的診斷治療工具,從心律調節器、人造心臟瓣膜、探針、生化感測器(biosensor)、各種導管、助聽器、大腦內視鏡、奈米內服藥物(nanomedicine)等等,皆是造成革命性醫療的新方法。
半導體奈米粒子光電性質:
當粒子小到一個尺寸時,科學家稱這尺寸大小為一波爾激子長度,此時粒子的光學及能階,會朝向與分子類似的性質,能帶(energy band)會有量子限量化效應,而不是連續的能帶,且當晶體粒子變得更小時,其能隙(band gap)會變得越來越大,造成材料光電性質有很大的改變。
機械方面:
機能性奈米自潔塗料:透過奈米粉體的形態排列設計,結合超高強度Binder及低表面能表面改質,形成超低表面能/抗反射功能,奈米尺寸纖毛表面結構,可將塗層或塗膜表面轉化為具不適合細菌滋長、不沾灰塵、或灰塵易隨雨滴流失,耐磨抗反射的物性。此項技術可應用於建材、照明、合成皮、人纖、塑膠膜、資訊/電子、民生化工等相關產業之自潔抗反射產品;如建築自潔塗料、電子工業的無塵室材料、低光損的公共照明系統、運輸的自潔無塵處理、抗反射光電平面顯示器、大樓的自潔處理、或低污染高潔淨反應系統。
心得:
奈米技術在近期內運用廣放,主要原因在奈米技術把許多材料製備成奈米等級後,添加許多材料上
列如有高分子、油漆、電子工業上等許多,材料隨奈米化,大小趨向奈米尺寸,導致其對光、電磁、熱力學、聲等物性不同的效應,材料為光的吸收顯著增加、矯頑力增加、熔點下降,以這些特性使材料做的跟精緻機械性更強。
取自
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1105050304767
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1005022100473
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1005040907235
http://elearning.stut.edu.tw/m_facture/Nanotech/Web/ch7.htm
奈米科技基礎與實務 林建中 教授 編著 出版社 新文京開發出版股份有限公司