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課程內容 奈米材料

奈米技術

生醫材料

光觸媒材料

什麼是奈米科技呢 ?

　　　奈米科技就是在奈米尺寸下的科學技術。奈米為長度單位，一奈米等於十億分之一公尺 (lnm ＝ 10-9m) ，相當於三到四個原子串聯起來的長度。

什麼是奈米材料呢 ?

　　　奈米科技就是在奈米尺寸下的科學技術，奈米這個術語最早被用在技術上是源自於西元一九七四年底的日本，但是直到二十世紀的八零年代奈米一詞才被拿來當作材料的命名。奈米在材料上的定義指的是把材料的顆粒限制在 1~100個奈米 (nanometer) 的範圍。

奈米材料的分類 零維：指的是在空間中三維尺度均是奈米的尺度，如奈米尺度顆粒等。

一維：指的是在空間中有兩維處於奈米尺度，如奈米絲、奈米棒、奈米管等。

二維：指的是在空間中有一維是以奈米的尺度存在，如超薄膜、多層膜等。

奈米材料的製備方法 物理製備法 化學製備法 氣相冷凝法 化學氣相沈積法 物理粉碎法 鹽類退原法 機械球磨法 水熱合成法 熱分解法 溶膠凝膠法

微乳液法 晶種成長法 沉澱法

奈米粒子的物理製備方法

(l) 氣相冷凝法 用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等粒子體，然後驟冷。其特點有純度高、結晶組織好、粒度可控制，但技術設備要求高。

奈米粒子的物理製備方法 ( 續 ) (2) 物理粉碎法 透過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到奈米粒子。其特點有操作簡單、成本低，但產品純度低，顆粒分佈不均勻。

(3) 機械球磨法 控制適當的條件得到純元素、合金或複合材料的奈米粒子。其特點有操作簡單、成本低，但產品純度低，顆粒分佈不均勻。

奈米粒子的物理製備方法 ( 續 )

(4) 熱分解法 利用加熱到高溫的方式將複合物分解以製備奈米複合材料，如在真空狀態下，以約 300℃的高溫熱分解複合物Si8O12H6‧(CoCCo4)2可得到包合有 Co2C奈米微粒的非晶體矽複合材料。

奈米粒子的化學製備方法 (l) 化學氣相沈積法 利用金屬化合物蒸氣的化學反應合成奈米材料。其特點有產品純度高，粒度分佈窄。

(2) 水熱合成法 高溫高壓下在溶液或蒸汽等流體中合成，再經分離和熱處理得奈米粒子。其特點有純度高，分散性好、粒度易控制。

奈米粒子的化學製備方法 ( 續 ) (3) 鹽類還原法 鹽類還原法為金屬鹽類被還原成零價的金屬原子，與溶液中的其他的離子、原子或基團相互碰撞，進一步成為穩定且不可逆的金屬種核，種核的直徑取決於金屬鍵的強度和金屬鹽類與還原劑的氧化還原電位的差異而定，來控制奈米粒子的成長方向與形狀。

奈米粒子的化學製備方法 ( 續 )

(4) 溶膠凝膠法 金屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化，再經低溫熱處理而生成奈米粒子。其特點有反應物種多，產物顆粒均一，過程易控制，適於氧化物和Ⅱ ~Ⅵ族化合物的製備。

奈米粒子的化學製備方法 ( 續 ) (5) 微乳液法 兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經成核、聚結、團聚、熱處理後得奈米粒子。其特點有粒子的分散性好，Ⅱ ~Ⅵ族半導體奈米粒子多用此法製備。

奈米粒子的化學製備方法 ( 續 ) (6) 晶種成長法 此方法為先於待還原之金屬離子溶液中加入事先製備好的小粒徑 (小於 10nm) 金屬奈米顆粒作為晶種，再滴加還原劑，還原生成所需大小或形狀之奈米顆粒。

(7)沉澱法 把沈澱劑加入到鹽溶液中反應後，將沈澱熱處理得到奈米材料。其特點有簡單易行，但純度低，顆粒粒徑大，適合製備氧化物。

奈米材料的特性及應用

動動腦時間Q1:自然界中是否有奈米材料，其運作的原 理為何？

題示 : 自然界中有許多天然的奈米材料喔 !!請思考！！

按此有詳解

生醫材料

目前醫療方面常使用的生醫材料可區分為三類：金屬材料（ Metals ）、陶瓷材料 (Ceramics)及高分子材料 (Macromolecule) ，這些材料可以單獨使用，也可製成複合材料使用 。

金屬性生醫材料 鈦合金 (Titanium) 鈦 -鋁 -釩合金 (T

i-Al-V Alloy) 如 Ti6Al4V 鈷鉻合金 (Cobalt-Chrome Alloy) 鈷 -鉻 - 鉬 -(鎳 ) 合金 (Co-Cr-Mo-(Ni) Alloy)

不鏽鋼 (Stainless steel) 316L 超低碳不鏽鋼

金屬性生醫材料

人工關節植入體內之形性

陶瓷生醫材料 陶瓷材料在醫學應用層面上相當廣泛，在骨科方面可以作為骨骼缺損的替代物，也可以用在人工關節上成為金屬人工關節的覆被物，這是由於羥基磷灰石（ hydruxyapatite） 是人體硬組織中主要的無機物成份，而羥基磷灰石也是一種可以人工合成的陶瓷材料。

陶瓷生醫材料

在金屬質的人工關節表面被覆羥基磷灰石

高分子生醫材料 高分子材料由於化學結構較為龐大，容易控制分子量大小，因此可以衍生出各種不同分子量的高分子材料，以得到適當的化學性質及物理性質，可用在不同需求的醫療技術上，廣受生醫工程研發人員的青睞。就來源分類，高分子材料可區分兩類；一為在實驗室合成的材料，另一類是由大自然生物萃取提煉而來的生物性高分子材料。

天然高分子材料

天然高分子材料 (Natural Macro-molecule) ，就是大家所熟知的膠原蛋白，多從豬皮或牛筋萃取精製取而得，經過去抗原處理之後，才可以運用於醫療科技。

聚乳酸和聚甘醇酸的共聚物 早在 1970 年代聚乳酸和聚甘醇酸的共聚物

(poly lacfide-co-glycolide ， PLGA) 就以外科縫線的形式用於醫療事業上，隨著材料科學的進步， PLGA逐漸應用於其他領域，如高分子量的共聚物，其強度較高，可用來當作骨折的固定裝置，而較低分子量的共聚物，則可用來作為牙周再生手術的再生膜片，也可用於局部藥物釋放的載體。

聚胺基甲酸酯 聚胺基甲酸酯 (polyurethane ， PU )目前使用在心血管外科方面，用來做為人工的心臟瓣膜，修復瓣膜閉鎖不全或缺損的病例。另一方面， PU也可以用在泌尿外科，作為輸尿管或尿道的修復。由於 PU 的彈性極佳，十多年前即已經當作義肢材料，目前亦研發成為人工心臟的使用材料之一。

鐵氟龍合成材料

鐵氟龍合成材料 (polytetrafluoroethylene， PTFE) 性質不易產生凝血的反應，自九零年代開始，用在人工血管的臨床上極為普遍，近幾年來，也用在牙科手術上，或是疝氣修被手術上，取代傳統手術必須拉緊修補卻容易復發的缺點。

光觸媒材料 二氧化鈦是大家熟知的白色染料，也是白漆及牙膏的原料。它能清淨空氣，因為它是個有效的光催化劑。

1970 年代早期，東京大學的研究人員報導了二氧化鈦的光催化能力。從那時起，科學家就利用它消滅醫院各種表面上的細菌，與處理廢水污水 。

光觸媒材料 光觸媒可加速陽光中的紫外線分解空氣中水分子的速度，這個反應產生的羥基自由基，會攻擊空氣中的有機或無機化合物，將它們變成無害的分子。但是單純的牙膏卻發揮不了作用，因為其中的二氧化鈦分子的結晶顆粒太大，想要去除污染，要直徑約 7奈米的顆粒才能集合足夠大的表面積，發揮光催化的本事。

光觸媒材料 二氧化鈦是催化劑，不是消耗品，可以一直發揮作用。如右圖，陽光照射到二氧化鈦（綠色大分子），廢氣污染物（氮氧化物，即右上角紅色分子）就會分解，釋出活化氧（附著在二氧化鈦上的藍色小分子），將氮氧化物轉變成硝酸離子（最右邊的紫色分子）。

THE END

A1 ： 蓮花的花面是一層極細緻的表面，原因是蓮花的表面及粗糙度皆為奈米尺度的層級，使其極度光滑而不易使污泥和灰塵附著在上面。這種蓮花表面自我潔淨的物理現象人們亦稱做蓮花效應 (Lotus Effect) 。

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