奈米發展歷史  
在 1959 年的物理年會上，諾貝爾獎得主費曼先生提出：人類在未來可以隨心所欲的操控小尺寸的物質而有數不清的科技應用(What I want to talk about is the problem of manipulating   and controlling things on a small scale. Furthermore, a point that is most important is that it would have an enormous number of technical applications.)，也可將大英百科全書的內容記錄在像大頭針這麼小的體積中(Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin)；並切費曼先生覺得在 2000年時大家反而會回過頭來檢視 60 年代的科學家為什麼那麼晚才開始認真發展這門科學(In the year 2000, when they look back at this age, they will wonder why it was not until the year 1960 that anybody began seriously to move in this direction.)。這場演講揭開了奈米蓬勃發展的序幕！

60 年代，日本物理學家久保良武發現能量不連續的特殊物理性質。奈米的研究發展持續增加。

最後隨著奈米技術的日異月新，IBM 工程師利用掃描式穿隧顯微技術移動氙原子寫下 IBM 三個英文字母，這是人類首次運用儀器設備操控原子的排列，自此奈米科學又邁向了新的里程碑。

奈米特性
尺寸效應：奈米材料因其尺寸變小，在其聲、光、電磁、熱方面可能會有新的特性 。

表面積效應：奈米材料比一般塊材的總表面積大，使表面活性增加，產生新的反應

Ex：奈米鎳的化學催化；在奈米鎳的幫助下，有機的氫加成和脫氫反應速率將提升 15 倍

量子化效應：當材料的尺寸變小，軌域間的能量有增大之趨勢，造成吸收、螢光波長 Shift 之情形(下圖為能帶效應之圖，可解釋奈米材料性質改變之因)

光學性質：當材料從塊材變成奈米級時，其顏色可能發生重大的改變。

Ex：金奈米

熱學性質：在一般的化學中，一種材料的熔沸點是固定的，但在奈米時其熔沸點卻會根據尺寸的縮小而下降

Ex：金的塊材 m.p=1064 O C，金奈米 10nm m.p= 1037 O C2nm m.p=327 O C

磁學性質：可能會有超順磁性產生，可作為資料儲存的工具

Ex：磁片、磁卡等等
力學性質：如陶瓷材料；陶瓷材料在一般狀況下是比較脆的，如果變成奈米級的材料時其孔洞和缺陷部分減少，陶瓷材料可能增加了堅韌的特性，變得比較可塑造且耐磨，這些性能可讓材料的應用性增加。

Ex：人工關節

奈米塗料簡介  

奈米塗料的定義

X Y Z 至少有一個方向的粒子排列在 1~100nm 之中

在加入了奈米級的材料後,塗料的能力有顯著的改變

Ex：自潔塗料、抗菌陶瓷

奈米塗料發展現況

轎車烤漆：如利用奈米級的陶瓷維粒覆蓋在上，可有效增加烤漆的耐刮傷能力；或者是隨角度變色性的豪華轎車面漆皆為奈米塗料的應用。

(下圖為烤漆的硬度測量，發現能力提升了)

絕緣塗料：可達到隔絕靜電的效果

光催化自潔塗料：如 TiO 2 利用光產生自由基達到殺菌之效果

Ex：防污瓷磚(下圖為防汙磁磚原理，利用氧化鈦的塗料可使磁磚達到自潔之能力)

奈米塗料未來發展方向

耐候性：一般來說奈米粒子對於紫外線有較強的吸收能力，所以用在奈米塗料上可提
升其耐候性。像是建築的塗料或者是汽車塗料可增長其使用之時間。

電磁性：因為現在人們已經可以操控奈米粒子的大小進而有不同的吸收波長，由於這個特性奈米材料擁有比一般碳黑的塗料更好的防電磁波能力，這樣可讓在強磁場下工作的人員得到更好的防護設備。

力學能性質：如同前面所描述， 奈米塗料有機會增強力學能性質如韌性、耐磨性、耐劃傷性、硬度

抗菌性及自我清潔能力：
光學性質增強：像是隔熱塗料、或者利用奈米材料當作儲存光能並放出光能的塗料；

這些塗料不但比傳統光源放光的時間要長之外，並且可以調控不同的顏色，如此一來也可達到省電的效果。

緣起
      宋朝周敦頤先生曾經於〈愛蓮說〉寫到：「水陸草木之花，可愛者甚蕃。……吾獨愛蓮之出汙泥而不染，濯清漣而不妖，中通外直，不蔓不枝……」。這是由於蓮花縱使生長於泥土裡，從土裡生長出來時，表面仍能保持潔淨不染，因此自古以來，蓮花在中國文人中素有花中君子之稱；而蓮花是怎麼能做到「出淤泥而不染」的呢？

歷史
      1997 年，德國波昂大學的植物學家 Wilhelm Barthlott 和C.Neinhuis 利用高解析度電子顯微鏡觀察蓮花葉子的表面，發現了蓮花的 superhydrophobicity(超疏水性)與self-cleaning(自潔性)的關係，並針對這個特殊現象進行了一系列的實驗，因此創造了「蓮花效應」(Lotus effect)一詞，從此以後，蓮花效應就成了奈米科技最具代表性的名詞。

外表觀察
    首先，我們先在 SEM 下觀看蓮葉表面結構(圖一、圖二、圖三)，我們可以看到表面有微凸的結構，而這就是造成 superhydrophobicity(超疏水性)及 self-cleaning(自潔性)的最主要原因。

定義
     蓮花效應是指蓮葉表面具有 superhydrophobicity(超疏水性)及 self-cleaning(自潔性)的現象。

superhydrophobicity(超疏水性)及 self-cleaning(自潔性)

       蓮葉表面有超疏水現象，也就是具有不吸水的表面，再加上水的表面張力大的緣故，使得葉面上的雨水形成水珠形狀。水與葉面的接觸角會很容易大於 140 度，只要葉面些微傾斜，水珠就會滾離葉面，造成即使經過場傾盆大雨，蓮葉的表面總還是乾燥。蓮葉表面細微的奈米結構，是促進 self-cleaning 的關鍵之ㄧ。蓮葉上水珠與葉面接觸的表面積大約只佔總表面積的 2~3%，當葉面呈傾斜狀，滾動的水珠會吸附葉面上的灰塵或污泥顆粒，最後一同滾離葉面，達到清潔的作用，如圖四；另一方面，在另一具有疏水的一般表面，水珠只會以滑動方式離開，並不會一起夾帶灰塵或污泥顆粒，因此即不會具有 self-cleaning 現象，如圖五，以上就是蓮花總是能一塵不染的原因。

蓮葉的表面在電子顯微鏡下，可觀察其表皮細胞約為 5~15微米的細微突起的表皮細胞，突起間的凹陷位置太細小，污垢的微粒都不能進入，所以污垢物總是停留在凸起的頂部，
如圖六；而在表皮細胞上，又覆蓋著一層直徑約 1nm 的 waxcrystal，如圖七，因為 wax crystal 本身即具有疏水性， 因此，當水與 wax crystal 之表面接觸時即會因表面張力而形成水珠狀，再者，葉表面之結構為微米及奈米化，使水與葉面之接觸面積更小而接觸角更大，進而加強了疏水性、也降低污染顆粒對葉面之附著力。

接觸角(contact angle)

如何測定材料是疏水還是親水，一般來而言，最簡單的方式，為量測材料接觸角(contact angle)。針對水滴與材料表面的接觸角測試作為材料表面親水性及疏水性的判斷；量測方法為將適當長寬的試樣至於顯微鏡底下，調整座台使得稜線影像清晰，擠壓針頭使前端產生水滴並滴在試樣上(圖六)，等待一分鐘使水滴穩定後擷曲影像，利用電腦計算出水滴與試樣接觸點的切線與稜線的角度，即為水滴在試樣表面的接觸角；一般而言，接觸角越大，代表材料的表面越疏水，反之角度越小，材料表面的親水性越強。 圖七為親水性和疏水性的表面比較；八為水在親水性與疏水性表面上形成的水珠比較。

(a) 水在親水性的表面上散開。(b) 水在疏水性的表面上形成水珠 (圖八)

其他

此外，自然界還有許多的奈米效應，例如：各種會爬牆的小動物大多手、腳上都擁有奈米級的細毛。譬如：壁虎牠的手腳上都有許多的奈米毛，而這些毛使得壁虎牠的手腳接觸面積變大許多（一隻重九十公克的壁虎，能帶著六十公克的東西在牆壁上移動），也可以吊掛在牆壁、天花板上！。蓮葉上複雜的奈米與微米級結構除了有自潔的功能外，還可以防止受到細菌、病源體的感染，經過一場大雨的洗禮，就能煥然一新。目前蓮花效應的概念主要是應用在防污防塵上，透過人工合成的方式，將特殊的化學成分加入塗料、建材、衣料內等等，使其具有某些程度的自潔功能，以實現拒水防塵的目的。

  光觸媒  

光觸媒的定義

用光能來催化反應的半導體觸媒，稱為光觸媒。它是一種以奈米級二氧化鈦為代表，具有光催化功能之半導體材料的總稱， 光觸媒在光的照射下，會產生類似光合作用的光催化反應，產生出氧化能力極強的氫氧自由基（‧OH）和活性氧(O 2 -)，具有很強的光氧化還原功能，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物，能破壞細菌的細胞膜和固化 病毒的蛋白質，可殺滅細菌和分解有機污染物，把有機污染物分解成無污染的水 H2O 和二氧化碳 CO2， 因而具有極強的殺菌、除臭、防黴、防污、自潔、清除甲醛、淨化空氣功能。

適合作為光觸媒的材料必須具有半導體特性，例如氧化鋅（ZnO）、二氧化鈦（TiO 2 ）、二氧化錫（SnO 2 ）、硫化鎘（CdS）等都是，而所有材料中，又以二氧化鈦的氧化還原力較強，並具有化學性質穩定、對環境無害、材料價格低廉等優勢。所以，目前使用的光觸媒材料大都以二氧化鈦為主。

原本令人傷腦筋的是，欲使二氧化鈦光觸媒產生反應的光子，必須要有 3.2 ev 以上的能量，亦相當於波長 380 nm 以下的紫外線。這樣的啟動條件，讓光觸媒的應用受到了限制，也因此，如何擴大光源利用，使波長 400～700 nm 的可見光也能激發光觸媒反應，成為科學家急欲突破的關卡。

現在為了擴大光觸媒的應用範圍，日本已成功開發出可見光(390~780 nm)適用的光觸媒；另一方面，應用奈米科技將二氧化鈦製成奈米級顆粒，則可藉由大幅增加表面積與體積的比例，提高光觸媒作用的效率。這些發展預期將帶動更多的光觸媒應用。

光觸媒原理
從化學作用來看，光觸媒是一種半導體材料，在光的照射下，材料中的電子被打出來，並留下一個具有強大氧化能力的電洞，這些電子與電洞在化學上稱為「電子電洞對」。當電子與空氣中的氧分子（O 2 ）相遇時，即生成反應性很強的活性氧分子（˙O 2- ）﹔當電洞與空氣中的水氣（H 2 O）相遇時，會透過光化學反應搶奪水中氫氧基的電子，此時，失去電子的氫氧基立刻變成不安定的氫氧自由基（˙OH）。一旦不安定的氫氧自由基遇到外來的、附在物體表面上的有機物時，又會藉由搶奪對方電子的方式使自己趨於穩定。如此一來，有機物即被氧化，變成水和二氧化碳，消散在空氣中。

反應式： TiO 2 +紫外光→h+(電洞)+e-(電子)
OH-＋ h+→˙OH
O 2 ＋ e-→O 2 

倘若以光觸媒淨化水質，則從光化學反應中產生的氫氧自由基，也會與水中的不純物發生反應，變成水、二氧化碳或沉澱物。

然而，氫氧自由基具有強烈的氧化作用，易破壞細胞膜、血管壁、蛋白質和基因，這種功能雖然可以用來抑制細菌，但也會使人體產生老化和疾病問題，因此有人擔心，在光觸媒反應中出現的氫氧自由基，是否會對人體造成傷害。一般而言，光觸媒反應是在物體表面發生，而氫氧自由基釋出到空氣中的可能性非常小，在光觸媒表面的濃度亦非常微弱，對人體應不致於造成傷害，不過相關問題仍需進一步確認。

光觸媒的功能

光觸媒的功能非常多元，可分為以下六種：

抗紫外線—抗老化

光觸媒中二氧化鈦具有強大吸收紫外線的特性，可以保護被噴物體表面不受紫外線侵害，可以有效防止被塗物老化。

抑菌、殺菌、防黴

光照下光觸媒表面產生的氫氧自由基具有超氧化能力，可破壞細胞膜使細胞質流失導致細菌死亡、凝固病毒的蛋白質、抑制病毒的活性，並且捕捉、殺除空氣中的浮遊細菌，其能力高達 99.96% 。可殺除大腸桿菌、綠膿菌、金黃色葡萄球菌等。也可分解空氣中的過敏源、減少過敏性疾病及氣喘，亦可分解細菌，改善腳氣情形，且不傷皮膚。同時還可以防止發霉及藻類物質的生成，及防止水垢的附著。

除臭

空氣中臭味主要是由空氣中有機物氣體產生。由於光觸媒表面產生的氫氧自由基，它能破壞有機氣體分子的能量鍵，使有機氣體成為單一的氣體分子，因而分解空氣中的有機物氣體，故可除去空氣中的臭味。二氧化鈦 TIO2 比臭氧負離子有更強的氧化能力；比活性碳有更強的吸附力，亦具有活性碳所沒有的分解功效（分解細菌）。根據歐 美國家權威實驗機構測試，每一平方公分的 TIO2 與每一平方公分的高效能纖維活 性碳比較， TIO2 的脫臭能力為高效能纖維活性碳的 150 倍，相當於 500 個活性碳冰 箱除臭劑。

空氣淨化

光觸媒能有效地分解大氣中的有機污染物，氧化去除大氣中的氮氧化物、硫化物及各類臭氣等。也能淨化室內甲醛、苯系物、氨、一氧化碳、煙味、NOX、SO2 等有害氣體。因 TIO2所產生的氫氧自由基會先行破壞有機氣體分子的能量鍵，使有機氣體成為單一的氣體分子，加快有機物質、氣體的分解，將空氣中的 甲醛、苯等各種有機物、氮氧化物、硫氧化物以及氨等氧化，成為無害物質。

自潔功能
污垢是由有機物和無機物構成，有機物不易溶於水，時間一長形成污垢，表面變髒。在表面噴塗一層抗污自潔型光觸媒，由於其強大的氧化作用，光照下可以把吸附在二氧化鈦表面的有機氧化成二氧化碳和水，剩餘的無機物很容易被雨水沖走，達到良好的自潔。

親水性
適當的光照表現出超親水性，這個特點可以用於玻璃防霧如果磁磚鋁板大理石外牆與玻璃幕牆大樓施塗抗污自潔型; 光觸媒，可以在飾材表面形成一層水膜，可以降低大樓外牆溫度，減少城市熱島效應。
＊熱島效應：都市地區的等溫線排列，由都市中心向四周鄉村遞減，很像一個海島的地形圖。因此稱都市中心較熱的地方為「熱島」。

這種效應造成降水量增加、空氣污濁、能見度惡劣、冬季多霧的天氣，甚至工業區下風處會降有害的酸雨。城市熱島效應在冬季最為明顯，夜間也比白天明顯。

如何分辨光觸媒的真偽：

分辨「奈米光觸媒」真偽逢甲大學提出醫學檢測證明。「奈米光觸媒」自從被用在總統府的消毒後，成為熱門的話題，但實際的殺菌滅毒效果卻眾說紛紜。究竟什麼是「光觸媒」？什麼又是「奈米光觸媒」？市售「奈米光觸媒」的真偽如何分辨？「奈米光媒」如何殺菌？「奈米光觸媒」能殺死 SARS 病毒嗎？「奈米光觸媒」對人體安全嗎？一般民眾實在無從得知。

逢甲大學於 6 月 5 日舉行「奈米光觸媒殺菌新技術」的記者說明會，由該校奈米科技研究中心主任蔡宜壽教授一一解答上述問題，並提出醫學檢驗報告的證明照片，而且當場操作實驗，示範了分辨「奈米光觸媒」真偽的幾種訣竅。

蔡宜壽教授表示，奈米光觸媒可以破壞細胞的細胞膜，造成細菌死亡；也可以凝固病毒的蛋白質，抑制病毒的活性，並且捕捉、殺除空氣中的浮游細菌或過敏原，殺菌能力高達99.997％，遠高於臭氧或負離子，也是漂白水的數倍以上。但是，唯有尺寸小於 20 奈米的光觸媒，才是「奈米光觸媒」，廠商若以大顆粒的「顏料級」光觸媒混充「光催化級」的光觸媒，不但可能牟取百倍的暴利，而且殺菌作用有限。一般消費者若要分辨真偽，最簡單的方式是觀察靜置後有無沈澱，凡有白色粉末沈澱物，應該就是偽品。但若容器不透明，消費者也可以甲基藍(下圖)溶液檢驗其變色反應，或試驗其臭防黴的實際效果。最精確的方法，則是委託專業研究機構，例如逢甲大學的奈米中心，以電子顯微鏡或檢測儀器，實際測量其分子粒徑或表面積的大小。

逢甲大學奈米中心研發自製的「奈米光觸媒」噴劑，經過中國醫藥學院的檢測實驗證明，具有非常顯著的殺菌效果，遠高於市售的光觸媒消毒劑或一般的噴霧消毒劑。最近 SARS疫情讓大家「人口一罩」，蔡宜壽教授表示，口罩僅是消極地避免病毒由口鼻侵入人體，並無法殺死病毒。但冠狀病毒一旦接觸到光觸媒表面，在光線照線下，則會「碎屍萬段」。目前普遍使用的漂白水消毒，固然可以殺死病毒，但是味道刺鼻。光觸媒的氧化力則是漂白水的數倍，並且對人體毫無妨礙，長期使用也無補充原料的問題。

蔡宜壽教授舉出日本厚生勞動省的相關法規為證，光觸媒對人體無害，屬於食品添加劑，甚至可以用於人體，治療特應性皮膚炎。奈米光觸媒目前只能用於紫外線，未來若能進一步用於可見光，將更能成為日常除污、防霉、脫臭、抗菌、淨化的的好幫手。

  奈米塗料之應用  

黏土奈米複合防蝕塗料
奈米黏土由鋁鎂矽酸鹽層層堆積而成。其粒徑約在1μm 左右，而每一顆約可能有數百或是上千層所堆積不等，平均是有 850 層。而一層一層間的距離(即dspacing)約 6~17Å。市面上多用陽離子交換型的奈米黏土，其一層層間有金屬陽離子，多半為 Na、Li、Ca、K 等，他們是可互相置換的其結構如下圖一。

以往業界多使用聚苯胺多被用來製備金屬的防蝕材料。現在則可以利用奈米分散技術(Nano-DispersionTechnology)將無機之奈米黏土分布於有機塗料中，製
成奈米複合塗料。奈米黏土可以增加高分子塗料之阻氣特性，因此增加了氧氣、水氣穿透高分子的時間，故減慢了金屬氧化的速率。因此提升高分子塗料之防
腐功能。而此種奈米塗料的性質，會因每種塗料之奈米黏塗的分布不同，而表現出不同的防蝕能力。在一般非奈米級的黏土因為無法均勻的分布在高分子塗料中，且高分子與無機黏土的作用力弱，所以其抗腐蝕之能力有限。(見下圖二、三)

抗菌功能

奈米塗料具有抗菌的能力，前面有提到 TiO 2 光觸媒因其強大的氧化能力，故有殺菌能力。另外，奈米銀也具有殺菌能力。奈米銀在低濃度下就能消滅 650 多種細菌、病毒之病原體，包含了綠膿桿菌、沙門桿菌、金黃色葡萄球菌及大腸桿菌等等，研究尚有 99.99%的效果。一般認為因銀奈米使的生物之 DNA 不能再複製所需的蛋白質。而銀離子因為攜帶正電，所以會吸引蛋白質上的氨基酸，兩者結合後會使蛋白質失去正常功能。更好的是，人體對銀奈米過敏的機率很低，且不會對人體之免疫系統有所傷害，所以是良好的抗菌劑。故在製作衣服的時候，我們將衣服纖維浸泡在奈米銀之溶液中，即可以做出奈米衣服。下圖四我們可以看到把銀奈米加入大腸桿菌之中後，大腸桿菌的細胞壁會產生孔洞，使的大腸桿菌之透過度大幅提升，最後將導致細胞死亡。

圖四  銀奈米加入大腸桿菌之中 (a) 原本的大腸桿菌 (b)四個小時候的大腸桿菌

自潔功能
利用奈米塗料的自潔功能，我們可以做出奈米衛浴設備，如奈米馬桶。有兩種不同的機制可以做出奈米馬桶。一是利用蓮葉效應，在馬桶上塗以疏水性的奈米塗料，如此一來，馬桶表面即有低汙染之性質，再加上其疏水，故我們可以單單利用沖水以水來帶走表面汙垢，維持其乾淨。另一種是利用塗上陶瓷釉層粉，使的在經高溫燒製後，其表面變得光滑，到奈米級的程度(小於 20nm)。而一般汙染物多大於 100nm，為幾個 μm，因此汙垢不會卡在馬桶上，因此可以輕易用水沖掉。如果再於塗料中，加入奈米銀，如此一來就可以做出既防汙，又抗菌之奈米衛浴設備。

特殊的光學性質
其具有別於一般物質的吸收電磁波的特性，例如奈米銀膜，可以使表面之紅外線放射降低，使紅外線偵測器判斷困難 。如下圖五，背景為 58℃，紅外線偵測儀測得 54℃，塗有奈米銀的部分測得 20℃。

圖五  紅外線偵測熱源

這種性質使的奈米塗料可以應用在軍事武器上，像是B-2 隱形轟炸機之表面(如下圖六)，利用黑色的奈米塗料，因其為一種吸收波的材料，故在雷達所發射的波照射之後，其會將之吸收，不再反射回去。一些奈米金屬、或是其氧化物如 ZnO，即隱形奈米塗料的一種。因其會遮蔽紫外光，所以可以是飛機在雷達上看不到。

奈米塗料運用於核生化之防護
利用前文所提及之奈米黏土，軍服可以具有具遠紅外線輻射，因此可以促進血液循環，具有抗紫外線即熱老化、且具保暖功用之衣料。並且也使的軍服更加耐磨、有彈性。而其他不同種類之奈米塗料的應用，則可以使軍服防水、防油、抗污、抗菌，更可以抗高輻射線，如紫外線及電磁波，並且不失其舒適度與柔軟度，使的其在野戰上發揮極大的功用。
(見下圖七)

奈米材料的反思

奈米材料雖然可以帶給人類許多好處，但其危險性科學家依然不十分清楚。奈米材料因其體積小，故可能進入人體之血液循環，進入生命組織中，對人體造成危害。另一方面，科學家發現，奈米微粒會累積在實驗用動物的肺裡，可能被細胞吸收，或是吸附在細菌上因此進入了血液循環，大部分老鼠於 四個小時內死亡，不過當粒徑大於 130nm 後，此物質的毒性就明顯降低。而且因其強大的催化能力，使的可能造成他不可控制，也容易被拿來作為生化武器等等。而奈米材微粒也可能成為新一代之生物不可分解之廢物。