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 3
2、04不銹鋼俗稱白鐵，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
3、之比重，現今之行動電話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
4、銅器貴重金屬金、銀、白金及其合金黃金（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19.3，而純銅的比重為8.93，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10.49，主要用於貨幣及食物容器。銀為最佳之導電體，但由於價
5、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21.43，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
6、)的比重為11.36，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5.8（灰錫）或7.3（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7.13，鋅合金廣用於壓鑄模具 汞的比重為13.6，熔點為38.8，所以，我們一般看到的都是液態的汞，最常
7、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8.91，常用於貨幣中之添加元素、不銹鋼的合金元素，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
8、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，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
9、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。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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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（HD
20、TV）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
