2001-12-14 13:32:43葉諼/bee/彭弼聲
修正--什麼是奈米科技20011214
眾所週知的奈米科技( Nanotechnology )一詞究竟有何內涵?在今日對於此一科技是否已經有產業雛形投資計劃與前景喊得震天嘎響之際，本文將初步說明奈米科技的過去，至於未來，有賴以觀察法與模式法( MODEL or PATTERN , somehow different from 情境分析法 )等研究方法的建立。
正由於奈米科技是一個總稱，當你詢問的對象不同，你會得到各式各樣不同的答案。一般泛指將物質在原子級大小進行各種可能的操控( art of manipulating)，涵括的範圍卻十分巨大，無論是物理學，化學，生物學，甚至於計算機科學(數學)都因為此一科技而開始緊密地結合在一起或者有了跨領域的研究。
各界咸認奈米科技仍然處於發展初期，具有潛力在未來會改變每一件事。但是同時卻也難以說明將如何改變，何時改變，以及我們該如何面對這些改變，比如說創投關心孰為明日之星，社會學家卻擔心奈米科技的法律與環境等諸多種種。當問到化學聚合物是不是奈米科技，基因重組是不是奈米科技這一類問題時，尤其令人感到困惑，是不是冠上"nano" 的字頭就顯示有厚實的科學理論為根基呢?事實上正如Freeman Dyson 指出的” 受新觀念推動的革命“。
進入一切理論所涉及的專業名詞，必須先是由科學的尺寸量度開始。我們必須先有一個奈米的定義，所謂奈米("nanometer"，nm)是指一公尺的10-9 ，也就是十億分之一大小，以頭髮的平均直徑是200,000 nm來看，可以知道奈米級是多麼小的世界，構成物質的基礎--原子(當然還有次原子世界的學說實證)的大小大約是三分之一奈米。而這種尺度的總維度是以三維中有多少維是奈米級來稱呼之，如一般薄膜的成長屬一維，碳奈米管是二維，碳六十巴克球是三維。
值得注意的是奈米科技並不是依循著現有的科學理論或科技文明，進行其產業結構化的過程，雖然是微小的世界，其應用的範圍卻不僅止於微小的範疇，最明顯的例子便是奈米級的粉末材料，透過備製奈米級的粉末材料(且稱之為單元體，unit)重組成的金屬，其物理特性(硬度、熔點、導電性等)的改變便是一大躍進。在過去的廿年間，類似的例子或研究不斷地被發現或發明出來。在各種不同領域，專家學者們以更有效率的方式(資訊流通)，藉著發明工具實現夢想，互相推動著奈米世界的前進。以下將簡單介紹此一領域的發展歷史.
1959 年, 堪稱上個世紀最偉大物理學家之一的 Richard Feynman 在美國物理年會上的講題 "There's plenty of room at the bottom." (且譯為在底層還有更多空間) 中以非常前瞻的觀點提到對於物質的更小單位的操控，也就是發展出重組物質的可能性，其實這篇講詞一開始就鼓勵物理學家想像如何將大英百科全書放進針尖內。
"The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. ...it is interesting that it would be, in principle, possible (I think) for a physicist to synthesize any chemical substance that the chemist writes down. Give the orders, and the physicist synthesizes it. How? Put the atoms where the chemist says, and so you make the substance." --Richard Feynman, 1959
Feynman 的觀點如此前瞻性，被視為是奈米科技最早提出者。但是直到1974年，奈米科技這個詞才被東京大學的Norio Taniguchi 提出並命名. Taniguchi 教授認為在微米級( micrometer ，百萬分之一公尺)的研究是 micro-technology所以更下一階的尺度就該稱為 "nano-technology."
而十餘年之後，奈米科技的概念卻仍然未能普及於一般人的想像之中。在1986 年，時年30出頭的Eric Drexler (當時是MIT researcher ，現在是Foresight Institute 的董事長 )出版了 Engines of Creation 這本書，這本書廣泛地討論了奈米科技可能的發展方向，諷刺地是，這種熱誠在當時被以視為是偽科學(pseudoscience)或是未來學(futurology)的態度看待。
但就在幾乎同一時點，在 Rice University ，Richard Smalley帶領研究新分子的團隊利用氣化碳並在鈍氣中備製出六十個碳原子組成的廿面體穩定晶體，這種長的像一顆足球的晶體，稱作"buckminsterfullerene,"或後來使用較簡化的稱呼的"buckyball."，使得奈米科技進入一種實證階段，被視為奈米科技的前驅技術。
一如 Ian Hacking 在 1983 年所出版的 Representing and Intervening 一書中將實驗視為科學理論重要的因素，藉以說明理論尚不足以完全說明理論結果的"存在物"是否真的存在，除非透過實驗結果"證明"。奈米科技也需要相當的工具(toolbox) 與操作技術。有一個相當簡單的理由說明為何奈米科技在1980年代之前無法成為一門實驗性學門(experimental science) ，因為沒有適當的工具可供觀測個別原子或操控原子之用。直到 IBM 研究出兩種顯微鏡技術，亦即AFM ( atomic force microscopy ) 與STM (scanning tunneling microscopy)。這兩種技術的發明使得可以”看見”原子的形狀，對於微觀世界的探索進一步。
更進一步，透過這類儀器的改進設計可以去推或拉原子--這成了一種製造的概念--接下來的問題是，科學家無法滿足於只是這樣的成績，他們更企圖將這樣的技巧產生出一些可以實現夢想的設計。但是這樣的工具還不夠精細到可以完全掌握奈米級世界的一切，還需要電子束(e-beam lithography)技術進行更小尺度的製作。
前面提過當大家對奈米科技熱切地進行討論時，有人會提出這會不會是另一次”.com effect”(網路公司本夢比的夢，忽然崩解)。今時奈米科技大多仍然是實驗室規模，研究內容亦多為基礎研究，但就像所有的科學/技術發展一樣，在所有領域都可能因為這樣的技術的蓬勃(blooming)而有全然不同之面貌，特別是在材料(尤其是在替代半導體元件上)，醫藥以及資訊科學(如量子電腦)領域特別引人注目，對應而生的是產業結構，社會結構等變革。
由於 Smalley's 的buckyballs突破性研究使得引發碳奈米管的研究與在1991年誕生，此一新材料的極佳強度與其他物理特性，隨即使研究者提出一些新的觀念，在奈米級的超導或是微機械元件。這種管狀的碳化合物具有類似金屬與類似半導體的導電性與低電耗，使它的應用範圍看來十分廣泛。但是是否會成為半導體元件的替代者，咸認還需要10年左右的時間，但是沒有人可以預估這技術的擴散與相乘相加的效果。當目前光學對半導體元件逐漸造成瓶頸之際，也有人提出利用矽奈米管(silicon nanotube)一類的概念來解決。
奈米級的世界不僅面臨數量的處理，奈米級本身也就是一種資訊處理計算的一位新救世主。這就是量子電腦的概念，以原子來作資訊的處理。半導體產業不再依循著Moore's law與其精神所象徵的矽器時代，或許不在未來的一二十年中，但肯定會有一番新局。至於在人類意圖解開生命圖譜的基因工程裡，奈米級的研究更是有爆炸性的震撼，對於疾病病因的防治以及改變生化細胞組織特性的工程也同時並生。植入生物感知器或者特定的生物藥劑，要量化與監控人體的想法更進一步取得了鎖鑰。
總之奈米科技所帶來的是一個更跨領域與全面性的變化，我想在廿一世紀，應該會是充滿驚奇的NanoCentury，無論我們是不是一定走向更好的未來。
由於本文僅為報告，內容主要參酌各相關網站上所刊載內容，不另一一指出出處。
附註解釋
何謂巴克球--所謂的碳六十巴克球（C60 Buckyball）是指由含有六十個碳原子所組成的球狀分子，形狀像是一顆足球，足球上每一個點正好是個放一個碳原子；球的表面有12個正五角形和20個正六角形。由純碳原子所組成的分子，一般稱為fullerene。由於碳六十分子穩定又呈圓球形，在經施壓後，其硬度比最硬的鑽石還高。是繼石墨、鑽石之後，第三種以純碳形式存在的球狀固體。1996年諾貝爾化學獎由首先製造出碳六十分子，並決定出正確結構的三人（美國Rice大學的Smalley及Curl兩位教授，暨英國Sussex大學的Kroto教授於1985年時發現）所獲得。其外形像個足球，這種分子被命名為巴克球（Buckball），這個名字是為了紀念美國的一位建築藝術家Richard Buckminster Fuller，這位先生的建築以高對稱性的架構為其最大的設計特色。C60系列分子，在剛發現的10年間引起一股研究的熱潮，但隨即沉寂了幾年；近2、3年間，隨著奈米技術的發展，C60又再度被寄予厚望。
何謂STM
1981年，在瑞士蘇黎世 IBM 實驗室內，Binnig 和 Rohrer兩位科學家使用具有原子級解析能力的掃描式電流穿隧顯微鏡 ( Scanning Tunneling Microscope, STM)) 量測物體表面，並成功的獲得該物體之三維表面圖像 (Three-dimension Images) ；這發明使得 Binnig 和 Rohrer 獲得1986 年諾貝爾物理獎。
STM 的作用原理乃是利用一極細小的導電探針以極靠近 (
正由於奈米科技是一個總稱，當你詢問的對象不同，你會得到各式各樣不同的答案。一般泛指將物質在原子級大小進行各種可能的操控( art of manipulating)，涵括的範圍卻十分巨大，無論是物理學，化學，生物學，甚至於計算機科學(數學)都因為此一科技而開始緊密地結合在一起或者有了跨領域的研究。
各界咸認奈米科技仍然處於發展初期，具有潛力在未來會改變每一件事。但是同時卻也難以說明將如何改變，何時改變，以及我們該如何面對這些改變，比如說創投關心孰為明日之星，社會學家卻擔心奈米科技的法律與環境等諸多種種。當問到化學聚合物是不是奈米科技，基因重組是不是奈米科技這一類問題時，尤其令人感到困惑，是不是冠上"nano" 的字頭就顯示有厚實的科學理論為根基呢?事實上正如Freeman Dyson 指出的” 受新觀念推動的革命“。
進入一切理論所涉及的專業名詞，必須先是由科學的尺寸量度開始。我們必須先有一個奈米的定義，所謂奈米("nanometer"，nm)是指一公尺的10-9 ，也就是十億分之一大小，以頭髮的平均直徑是200,000 nm來看，可以知道奈米級是多麼小的世界，構成物質的基礎--原子(當然還有次原子世界的學說實證)的大小大約是三分之一奈米。而這種尺度的總維度是以三維中有多少維是奈米級來稱呼之，如一般薄膜的成長屬一維，碳奈米管是二維，碳六十巴克球是三維。
值得注意的是奈米科技並不是依循著現有的科學理論或科技文明，進行其產業結構化的過程，雖然是微小的世界，其應用的範圍卻不僅止於微小的範疇，最明顯的例子便是奈米級的粉末材料，透過備製奈米級的粉末材料(且稱之為單元體，unit)重組成的金屬，其物理特性(硬度、熔點、導電性等)的改變便是一大躍進。在過去的廿年間，類似的例子或研究不斷地被發現或發明出來。在各種不同領域，專家學者們以更有效率的方式(資訊流通)，藉著發明工具實現夢想，互相推動著奈米世界的前進。以下將簡單介紹此一領域的發展歷史.
1959 年, 堪稱上個世紀最偉大物理學家之一的 Richard Feynman 在美國物理年會上的講題 "There's plenty of room at the bottom." (且譯為在底層還有更多空間) 中以非常前瞻的觀點提到對於物質的更小單位的操控，也就是發展出重組物質的可能性，其實這篇講詞一開始就鼓勵物理學家想像如何將大英百科全書放進針尖內。
"The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. ...it is interesting that it would be, in principle, possible (I think) for a physicist to synthesize any chemical substance that the chemist writes down. Give the orders, and the physicist synthesizes it. How? Put the atoms where the chemist says, and so you make the substance." --Richard Feynman, 1959
Feynman 的觀點如此前瞻性，被視為是奈米科技最早提出者。但是直到1974年，奈米科技這個詞才被東京大學的Norio Taniguchi 提出並命名. Taniguchi 教授認為在微米級( micrometer ，百萬分之一公尺)的研究是 micro-technology所以更下一階的尺度就該稱為 "nano-technology."
而十餘年之後，奈米科技的概念卻仍然未能普及於一般人的想像之中。在1986 年，時年30出頭的Eric Drexler (當時是MIT researcher ，現在是Foresight Institute 的董事長 )出版了 Engines of Creation 這本書，這本書廣泛地討論了奈米科技可能的發展方向，諷刺地是，這種熱誠在當時被以視為是偽科學(pseudoscience)或是未來學(futurology)的態度看待。
但就在幾乎同一時點，在 Rice University ，Richard Smalley帶領研究新分子的團隊利用氣化碳並在鈍氣中備製出六十個碳原子組成的廿面體穩定晶體，這種長的像一顆足球的晶體，稱作"buckminsterfullerene,"或後來使用較簡化的稱呼的"buckyball."，使得奈米科技進入一種實證階段，被視為奈米科技的前驅技術。
一如 Ian Hacking 在 1983 年所出版的 Representing and Intervening 一書中將實驗視為科學理論重要的因素，藉以說明理論尚不足以完全說明理論結果的"存在物"是否真的存在，除非透過實驗結果"證明"。奈米科技也需要相當的工具(toolbox) 與操作技術。有一個相當簡單的理由說明為何奈米科技在1980年代之前無法成為一門實驗性學門(experimental science) ，因為沒有適當的工具可供觀測個別原子或操控原子之用。直到 IBM 研究出兩種顯微鏡技術，亦即AFM ( atomic force microscopy ) 與STM (scanning tunneling microscopy)。這兩種技術的發明使得可以”看見”原子的形狀，對於微觀世界的探索進一步。
更進一步，透過這類儀器的改進設計可以去推或拉原子--這成了一種製造的概念--接下來的問題是，科學家無法滿足於只是這樣的成績，他們更企圖將這樣的技巧產生出一些可以實現夢想的設計。但是這樣的工具還不夠精細到可以完全掌握奈米級世界的一切，還需要電子束(e-beam lithography)技術進行更小尺度的製作。
前面提過當大家對奈米科技熱切地進行討論時，有人會提出這會不會是另一次”.com effect”(網路公司本夢比的夢，忽然崩解)。今時奈米科技大多仍然是實驗室規模，研究內容亦多為基礎研究，但就像所有的科學/技術發展一樣，在所有領域都可能因為這樣的技術的蓬勃(blooming)而有全然不同之面貌，特別是在材料(尤其是在替代半導體元件上)，醫藥以及資訊科學(如量子電腦)領域特別引人注目，對應而生的是產業結構，社會結構等變革。
由於 Smalley's 的buckyballs突破性研究使得引發碳奈米管的研究與在1991年誕生，此一新材料的極佳強度與其他物理特性，隨即使研究者提出一些新的觀念，在奈米級的超導或是微機械元件。這種管狀的碳化合物具有類似金屬與類似半導體的導電性與低電耗，使它的應用範圍看來十分廣泛。但是是否會成為半導體元件的替代者，咸認還需要10年左右的時間，但是沒有人可以預估這技術的擴散與相乘相加的效果。當目前光學對半導體元件逐漸造成瓶頸之際，也有人提出利用矽奈米管(silicon nanotube)一類的概念來解決。
奈米級的世界不僅面臨數量的處理，奈米級本身也就是一種資訊處理計算的一位新救世主。這就是量子電腦的概念，以原子來作資訊的處理。半導體產業不再依循著Moore's law與其精神所象徵的矽器時代，或許不在未來的一二十年中，但肯定會有一番新局。至於在人類意圖解開生命圖譜的基因工程裡，奈米級的研究更是有爆炸性的震撼，對於疾病病因的防治以及改變生化細胞組織特性的工程也同時並生。植入生物感知器或者特定的生物藥劑，要量化與監控人體的想法更進一步取得了鎖鑰。
總之奈米科技所帶來的是一個更跨領域與全面性的變化，我想在廿一世紀，應該會是充滿驚奇的NanoCentury，無論我們是不是一定走向更好的未來。
由於本文僅為報告，內容主要參酌各相關網站上所刊載內容，不另一一指出出處。
附註解釋
何謂巴克球--所謂的碳六十巴克球（C60 Buckyball）是指由含有六十個碳原子所組成的球狀分子，形狀像是一顆足球，足球上每一個點正好是個放一個碳原子；球的表面有12個正五角形和20個正六角形。由純碳原子所組成的分子，一般稱為fullerene。由於碳六十分子穩定又呈圓球形，在經施壓後，其硬度比最硬的鑽石還高。是繼石墨、鑽石之後，第三種以純碳形式存在的球狀固體。1996年諾貝爾化學獎由首先製造出碳六十分子，並決定出正確結構的三人（美國Rice大學的Smalley及Curl兩位教授，暨英國Sussex大學的Kroto教授於1985年時發現）所獲得。其外形像個足球，這種分子被命名為巴克球（Buckball），這個名字是為了紀念美國的一位建築藝術家Richard Buckminster Fuller，這位先生的建築以高對稱性的架構為其最大的設計特色。C60系列分子，在剛發現的10年間引起一股研究的熱潮，但隨即沉寂了幾年；近2、3年間，隨著奈米技術的發展，C60又再度被寄予厚望。
何謂STM
1981年，在瑞士蘇黎世 IBM 實驗室內，Binnig 和 Rohrer兩位科學家使用具有原子級解析能力的掃描式電流穿隧顯微鏡 ( Scanning Tunneling Microscope, STM)) 量測物體表面，並成功的獲得該物體之三維表面圖像 (Three-dimension Images) ；這發明使得 Binnig 和 Rohrer 獲得1986 年諾貝爾物理獎。
STM 的作用原理乃是利用一極細小的導電探針以極靠近 (
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