台灣師範大學機電科技學系

C. R. Yang, NTNU MT

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楊啟榮 博士

教授

國立台灣師範大學 機電科技學系Department of Mechatronic Technology

National Taiwan Normal UniversityTel: 02-23583221 ext. 14E-mail:ycr@ntnu.edu.tw

奈米奈米科技與其對明日生活的影響科技與其對明日生活的影響Development of Development of NanoNano Technology & its Impact on Future SocietyTechnology & its Impact on Future Society

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綱綱 要要

奈米科技起源與發展微機電系統技術、奈米科技

奈米科技應用與衝擊產業經濟分析、未來展望

往下紮根的奈米科技教育往下紮根的奈米科技教育觀念紮根、啟發創新概念

結論

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奈米科技起源與發展奈米科技起源與發展微機電系統技術、奈米科技

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ThereThere’’s plenty of room at the bottom.s plenty of room at the bottom.((這下面空間還大得很呢！這下面空間還大得很呢！))

1959年物理大師費曼 博士(Dr. Richard Feynman)在美國加州理工學院的演講題目

為什麼我們不能將整套24大本的《大英百科全書》，全部內容都抄寫在一根大頭針的針尖上…….

奈米科技觀念的啟發奈米科技觀念的啟發

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商業週刊, 780期, 2002

The next big thing is very, very, very small. ((下一件大事是非常非常小下一件大事是非常非常小!)!)

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改變世界的三次工業革命改變世界的三次工業革命

第一次工業革命(機械化革命)：蒸汽機的發明– 以機器替代人力…(18世紀中葉)

第二次工業革命(電氣化革命) ：電力時代– 內燃機與發電機取代蒸汽機… (19世紀末期)

第三次工業革命(資訊化革命) ：電腦網路時代– 電子計算機的發明… (20世紀中期)

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第四次工業革命：奈米科技的應用

– 不只對電子、資訊工業造成重大衝擊，也對化學、材料、生物和醫學技術做出同樣的貢獻…

諾貝爾獎得主羅雷爾說：

「1970年代重視微米的國

家如今都成為發達國家，

現在重視奈米科技的國家

很可能成為21世紀先進的

國家。」

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物質尺度描述物質尺度描述

m110-310-610-9mmmμmnm

奈米科技 IC原子/分子

微機電領域

10 公分 1 公分 1 毫米 100 微米 10 微米

1 微米 100 奈米 10 奈米 1 奈米

白血球手

DNA

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物質尺度描述物質尺度描述 ((續續))不會吧！這麼小的電腦，連螞蟻都得動用顯微鏡了！

奈米碳管黏著於掃描探針奈米碳管黏著於掃描探針Nanotube glued to SPM tipNanotube glued to SPM tip

http://www.ruf.rice.edu/~smalleyg/image_gallery.htm

微機電技術是奈米科技跨入應用的橋樑微機電技術是奈米科技跨入應用的橋樑…………

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奈米碳管原子力顯微術奈米碳管原子力顯微術(AFM)(AFM)探針探針

H. Dai et al., Nature 384, 147, 1996.

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http://www.almaden.ibm.com

探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片探針陣列於奈米硬碟之資料存取作動影片

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應用微米(μm, 10-6 m)或奈米(nm, 10-9 m)加工技術研製微細元件及組件，並整合微電子電路與微控制器，而達到某種功用的系統。

微機電系統的定義微機電系統的定義

質譜儀70 Kg, 30000 cm3, 1200 W

Europa Scientific, UK

微質譜儀晶片0.2 Kg, 3 cm3, 0.5 W

DARPA, USA

微機電系統技術

超「輕、薄、短、小」高附加價值

符合環保、省能源省空間、省材料等

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整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件

感測器sensors

致動器actuators

電子電路circuits

旋轉式微馬達旋轉式微馬達

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功能性被動件:反射鏡

引擎:梳狀致動器

動力傳輸機構:連桿, 齒輪

Sandia National Lab., USA

微光學掃描器微光學掃描器

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微汽車之組成微汽車之組成

The parts of the microcar

微小汽車微小汽車(Denso Corporation, Aichi, Japan)

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組織採樣用鉗子

治療用雷射

推進系統

艙體固定臂

生化感測陣列

微攝影系統

通訊天線

微機電系統在體內醫療之應用微機電系統在體內醫療之應用人類的夢想即將成真人類的夢想即將成真

Pill explorer

(影片播放)

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奈米科技是蝦米奈米科技是蝦米??所謂的奈米科技，就是在1-100 nm奈米尺度下操控物質，以製作、了解與使用具奈米結構的材料、元件及系統。

奈米科技奈米科技 –– 二十一世紀的集大成科技二十一世紀的集大成科技奈米物理學

奈米化學

奈米材料學

奈米生物學

奈米電子學

奈米加工學

奈米力學

微觀尺度：< 1 nm (微觀物理、化學理論可解釋)

介觀尺度：1-100 nm (介觀物理、化學理論可解釋)

巨觀尺度：> 100 nm (巨觀物理、化學理論可解釋)

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起始燒結溫度與熔點可能大幅下降

反應性與觸媒特性可能大幅提升

不導電且易脆的陶瓷材料可能變得

既導電又具延展性

導電金屬的導電度可能下降

油溶性的藥物可能變成水溶性

不透明的材料可能變得透明

半導體光電材料的吸光波長會往短

波長偏移等。

奈米尺度的效應奈米尺度的效應

這些性質的改變，並非由於化學組成改變所致，純粹是由於結構尺寸的縮小所造成的。再加上由於元件與系統的奈米化，產品的體積微縮與功能提升可輕易達成。

由奈米科技製作出來的產品，其行為表現將顛覆世人的傳統認知，這將是一個嶄新的世界。

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《《牛頓牛頓》》雜誌曾試圖揣摩奈米科技的驚異可能性雜誌曾試圖揣摩奈米科技的驚異可能性……在「微小」方面：單原子記憶體的技術，可以使全球100億年份的書籍（每年以100萬冊計，相當於1萬兆冊），儲存於一顆方糖般大小的記憶體內。

在「超薄」方面：DNA電子電路的技術，將於10年後促成如紙般薄的電子顯示器。

在「速度」方面：到2010年，量子電腦只要數十分鐘，即可完成目前電腦要花上數百年才能完成的計算。

這些未來假設雖然令人瞠目結舌，理論上卻是可能的。

http://www.ruf.rice.edu/~smalleyg/image_gallery.htm

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蓮花效應 壁虎的腳趾

蝴蝶

從自然界學習奈米科技從自然界學習奈米科技……

超級疏水與自潔效應

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蓮花自潔效應蓮花自潔效應 (Lotus self(Lotus self--cleaning effect)cleaning effect)

(a) 無細微結構，汙物只被移動 (b) 有細微結構，汙物可以被清除

http://www.pcimag.com/CDA/ArticleInformation/coverstory/

Planta (1997) 202: 1-8

1μm

1μm

1μm

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奈奈 米米 與與 人人 體體((人類的生命肇始於奈米人類的生命肇始於奈米))

外徑10nm內徑 2nm

7~10 nm

直徑15nm 直徑15nm 直徑25nm

直徑2nm長度2m

細胞膜 DNA

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

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長度1.1μm直徑90~100nm

微絨毛總表面積達300 m2(約一個網球場的大小)

若小腸內壁是平滑的，其總表面積約0.5 m2

小腸絨毛

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

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奈米科技的重要意義奈米科技的重要意義

1. 奈米科技將促使人類認知的革命

2. 奈米科技是人類實現可持續發展的保證

3. 奈米科技將引發一場新的工業革命

奈米科技的陡然升溫不僅僅是尺度縮小的問題，實質是由於奈米

科技在推動人類社會產生巨大變革方面所具有的重要意義。

全球經濟陷入衰退期

層出不窮的能源危機

環境污染日益嚴重

人口過剩糧食不足

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實現奈米科技的方法實現奈米科技的方法研究奈米科學技術的最終目標，是人類按照自己的意志操縱單個原子，組裝具有特定功能的成品，從而改變人類的生產和生活模式。

原子操縱術原子操縱術

掃描式探針移動原子之模式掃描式探針移動原子之模式

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1990年美國IBM的一群研究人員，首度將一顆顆氙原子在鎳表面上拖曳，逐顆原子排成“IBM”三個英文字母，相當引人注目，被當時世界各國媒體爭相報導。後來，同一個實驗室又搬移近百顆鐵原子形成中文「原子」二字，此結果也成為雜誌及國際研討會的封面圖案。

http://www.phys.sinica.edu.tw/~nano/stm.htm

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原子操縱技術原子操縱技術

中研院物理所金材料表面製作之台灣外型圖

中山科學研究院探針電壓微影術

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組譯器組譯器經由裝配原子、分子以製造出任何東西經由裝配原子、分子以製造出任何東西

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無塵實驗室與生產工廠無塵實驗室與生產工廠

實現微實現微//奈米元件的場所奈米元件的場所

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奈米現象必須靠精密檢測儀器才能探究奈米現象必須靠精密檢測儀器才能探究

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奈米科技應用與衝擊奈米科技應用與衝擊應用與產業分析、未來展望

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奈米科技怎樣改變人們的生活？奈米科技怎樣改變人們的生活？

生病的時候不用吃藥，只要體內注入微型機器人，讓它們在體內來回送藥，清掃動脈，甚至修復心臟、大腦和其他器官，而不必動外科手術。

根據個人喜好，訂做完美基因的兒女。

出現強度是鋼10倍的材料，重量只有紙張的十分之一，具有順磁性、超導電性且透明，熔點更高。

出現一種微生物餐，解決地球糧食短缺的問題。

……

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新經濟的組成部分

– 奈米技術、基因與人工智慧被稱為21世紀高科技三劍客

奈米時代的新經濟觀– 產品結構調整、生產體系發生變化、原材料和能源消耗的轉變、投資重點轉移、高附加價值產品大量出現

奈米產業–無形產品產業

奈米技術爭霸戰

奈米經濟的崛起奈米經濟的崛起

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有人稱「奈米微粒」為「工業味精」，因為把它撒入傳統材料中，可讓老產品換上令人拍案叫絕的新面貌。

砧板、抹布、瓷磚、捷運票卡，加上奈米微粒可以除味殺菌。

奈米外套不沾灰塵又保暖。

城市的鋼筋水泥拌入奈米微粒，可以吸收分解汽車排出的廢氣。

傳統產業的奈米應用傳統產業的奈米應用

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光觸媒奈米粒子應用光觸媒奈米粒子應用

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

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光觸媒空氣清靜光觸媒空氣清靜

光觸媒抗菌光觸媒抗菌

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

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http://www.pcimag.com/CDA/ArticleInformation/coverstory/

奈米塗料的抗髒功用奈米塗料的抗髒功用

奈米塗料區 奈米塗料區

奈米塗料區

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抗菌奈米馬桶除臭殺菌奈米涼風扇

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奈米科技在生化醫療之應用奈米科技在生化醫療之應用

奈米科技在細胞觀測及修補方面之應用奈米科技在細胞觀測及修補方面之應用

微注射器

微手術刀

微型鉗子

微影像偵測器

呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

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半導體奈米點標定癌細胞

Ref: Quantum Dot,Nature Biotechnology, 21, 2003.

生物標記之應用生物標記之應用

抗體與抗原結合

傳統螢光染料

半導體奈米點

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-41-呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版

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分子馬達分子馬達

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未來的藥物傳遞系統未來的藥物傳遞系統

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指尖上的工廠(奈米科技)

日本完成之桌上型工廠(微機電)

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奈米碳管應用於軌道升降機想像圖奈米碳管應用於軌道升降機想像圖

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往下紮根的奈米科技教育往下紮根的奈米科技教育

觀念紮根、啟發創新概念

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微/奈米科技競爭力的強弱，關鍵在於人才，要在10年後有足夠的實力與世界先進國競爭，台灣的微/奈米科技教育必須往下紮根，從中小學做起!

奈米科技k-12人才培育計畫(教育部科技顧問室)

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Micro/Nano-Machines機械："kikai " (日文)

createMacro-Opportunities

機會："kikai" (日文)

結結 論論

By Dr. Osamu Tabata, 京都大學機械系

微小機械將創造很大的機會微小機械將創造很大的機會……..

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Thank you for your attention!Thank you for your attention!敬請批評與指教敬請批評與指教