小而美的奈米世界

資料來源
科學研習月刊42-5
文/中央研究物理所 鄭天佐
奈米是十億分之一米的長度單位,一般人把研究 0.1至100奈米材料結構之物理化學性質的科學稱之為奈米科學,而應用這些材料特有性質的技術就叫做奈米技術。奈米科技是新名詞卻非新領域,自然界到處是奈米大小的顆粒,生物分子尺寸也都在奈米範圍,生物是高效率軟物質奈米機器的高密度聚合,而枚們在奈米材料的研究也因高分辨率顯微鏡的發展而早已開始。可惜我們對奈米材料之物理化學性質的瞭解仍然非常有限,急需發展奈米科技來製造、操控、量測和應用這類材料。

 

工業產品的大小尺寸逐年減小,其中以資訊產品最為顯著,半導體元件內的結構現在已經小到 90 奈米左右,按以往的縮小趨勢,則再撐不過十年現用的物理原理和製造方法都會失效。舉個例子,電晶體氧化矽層單薄到奈米尺寸便會因失去絕緣性而喪失功能, 1999年『自然』就以聳動的字眼「矽工業是否快到窮途末路?」來報導此項研究成果。如果我們不及時發現新製程和運作原理,半導體工業可能很快成為夕陽工業,而我們「綠色矽島」的美夢也將破碎。
圖一 直徑約三十奈米鎢針頭原子排列的場離子顯微鏡影像
1959年費曼已提出用5x5x5個原子當作一個記憶禮位元的構想,如此則整部大英百科全書可儲存在針頭上。1990年IBM科學家成功的用掃瞄穿隧顯微鏡來搬動表面原子,把它們排列成不同字樣和形狀,從此奈米科技不再僅是科學家的幻想,又因這種研究刻不容緩,它很快成為各國競爭的熱門研究領域。既然我們都已經能搬弄單原子,為何不發展原子科技而只談奈米科技呢,原因在於若材料結構太小,其熱穩定性太低,難以應用在器件上,奈米結構是在室溫下有可能穩定的最小材料結構。

 

傳統製造微小材料結構的方法很多不勝枚舉,主要可分為自然成長或自行組織法和人為製造法。前者在尋找有利的物理狀況,讓原子分子自行合成不同的大分子或奈米結構,然後又讓這些結構自行組裝成週期性的大組織,而後者則以人為的技術刻畫單一結構,或用微影刻畫術製造大量奈米結構。最近奈米科技進步一日千里,去年IBM 科學家發展出「千足」記憶體新技術,可把25張 DVD資料儲存在郵票大小的塑膠膜薄片上。奈米科技是尖端科技,其進步有賴我們對單一和多數奈米材料結構特殊物性的瞭解,這種材料有很多新的性質可用來解決現有困難,例如量子線沒有電阻,它應可減輕高密度高容量電子器件中的能量消耗和發熱問題,可惜連結的電阻還無法消除。
掃描隧道顯微鏡運作原理和矽晶體表面原子排列圖,圖中可看到不少晶體缺陷。三腳架形壓電材料、掃描針、樣品、XYZ、Tip 日立公司科學家以掃描隧道顯微鏡製造原子空位寫字。中研院物理所科學家用相似技術畫大小70*100奈米矽質和大小700*1000奈米金質的台灣圖。
奈米科技在傳統工業產品的改進上更容易看到成果,化學家早就知道合金觸媒顆粒愈小其活性度也愈高,孔洞性材料奈米大小的孔洞用來選擇並促進某特定化學作用,化學工業界看好這種觸媒劑。合金中只要摻雜某些雜質或故意製造奈米晶體缺陷,其強度、可塑性和抗腐蝕性都會大幅增加,這種技術也已被用在航太等工業上,奈米薄膜和複合材料的用途更為廣泛。科學家也成功的根據奈米科學製造奈米金顆粒染料,顏色可藉金顆粒大小來調變。利用有吸收紫外光性能的奈米顆粒,我們可以製造防曬化妝品和消毒劑;奈米顆粒表面和液體之間的張力性質,可利用來製造防借髒塗料和薄膜:金屬氧化物奈米顆粒在紫外光照射下能促進分子的分解,因而具有殺菌和消毒的功能。結合分子作用的知識和晶片製造與微機電技術,科學家正在發展各種有超高靈敏度的檢測用生物晶片,用以檢查疾病和偵測毒品。小的好處是靈敏度高,只要幾個分子便能偵測到病原或特定分子,也不必費時做細菌培養,因此在短時問內就能完成測驗。

 

前面提到生物分子尺寸都在奈米範圍內,這些分子都有很靈巧的機能,連生命現象都可藉此而生。既然生物是軟物質高效率奈米機器的高密度組合,當大家對奈米科學和技術有莫大期待時,對生物系統的了解不只是新知識的追求,也可從此學習製造和利用奈米機器的原理和方法。誠然我們離運用生物奈米機器甚遠,生物奈米系統的探討卻是非常令人振奮的事,在這裡我只介紹一項生物界的重大進展。

 

生物有一特微異於非生物,那就是生物有不少可以轉換化學能為機械能的軟物質奈米機械,其中之一是三磷酸腺 A TPase。這種分子馬達的轉動機制早在 1970年代就已開始研究,1997年日本科學家用極為巧妙的方法把馬達分子吸附在薄膜片上,並使長約1000奈來的 Actin fillament 自行附著在分子馬達的轉軸上,然後用光學顯微鏡直接觀察馬達轉動的影像,認明了 ATPase的確會轉動和它轉動機制理論的正確性。發現該分子馬達和提出並驗證轉動機制的三位科學家因而在同年榮獲諾貝爾化學獎。這個實驗發表後不久就被康乃爾大學奈米生物技術研究團隊用來製造生物分子奈米機器,他們讓 ATP 分子自行吸附在以電子刻畫術製造出來的排列整齊的鎳底座上<高約 80 奈米寬約 10 奈米>,又用電子刻畫術製造不少長約 750 奈米寬 150 奈米的鎳棒,鎳棒在溶液中會自行吸附在馬達的轉動軸上。用光學顯微鏡便可看到鎳奈米棒被馬達帶動的影像,這實驗無疑開啟了生物奈米馬達驅動人造奈米磯器的先驅,至於有何實際用途則還需思考和研究。

 

除了生物分子應用到人造奈米磯器外,被認為更快有應用前景的反而是人造奈米磯器在生醫的應。生物晶片的目的和種類繁多但不外乎是想利用矽晶片製造技術大量製造可用來做疾病偵測用的超微小高靈敏度器件。用同一原理科學家也想製造奈米偵測器以偵測各種極微量的化合物或有毒物質,及用來做各種生理量測之用。這是奈米科技他必然趨勢,但是奈米材料的發展可能都是漸進的,很難想像這些工作會忽然產生一波新的產業革命。資訊技術的市大發現很可能是突破性的,就像半導晶體效應的發現帶動了資訊產業的革命一樣。
產品小還有很多其他好處:

一、製造所需材料少,產品輕便也少佔用空問。
二、製造和運轉所需能量少,既節省能源又符合自然環境的保護和生態的保育。
三、小結構有更高的效能,活性度、靈敏度和密度都可大幅提升。
四、現在世界上不到百分之二十的人口有經濟能力享受高科技的成果,產品小而便宜能使更多的人受惠,同時也少破壞環境符合人類永續發展的需求,所以奈米科技小就是美。

 

傳統文化崇尚高與大,大房子和大車子代表豪華和氣派,在人口不斷膨脹的今天,以有限地球資源,往小發展更能滿足人類永續發展條件。也許奈米科技的推動也能促使我們學會享受精緻的小而美的生活方式,也因此奈米科技的世界是「小而美的奈米世界」。