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2007-08-25 06:42:31阿楨

《奈米科技》

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讀過馬遠榮的《奈米科技》（商周，2002）才知原來奈米效應與現象長久以來即存在於自然界中，並非全然是科技產物，例如：蓮花之出汙泥而不染亦為一例，水滴滴在蓮花葉片上，形成晶瑩剔透的圓形水珠，而不會攤平在葉片上的現象，即是蓮花葉片表面的「奈米」結構所造成。因表面不沾水 滴，污垢自然隨著水滴從表面滑落，此奈米結構所造成的蓮花效應（Lotus Effect），已被開發並商品化為環保塗料。（p.55）

那書中所言鵝鴨的毛與毛之間奈米級的縫隙不透水可通氣，便可開發並商品化為防水衣了？

記得幾年前尤其SARS期間，奈米產品曾轟動一時，近幾年怎沒消沒息了？還是來了解奈米的的意義：Nano 來自希臘字的接頭語，表示十億分之一。奈米（nanometer,10-9m）即為一公尺的十億分之一，約是人類頭髮直徑的百分之一，10倍於氫原子直徑大小（10-10m），與目前半導體製程使用之單位 m（micrometer, 微米），差1,000倍。

微米（μm） 與奈米（nanometer,nm）都是度量衡單位，1μm = 10 -6m，1nm=10 -9m。而材料尺度由微米到奈米所代表的意義並不只是尺寸的縮小，同時，新而獨特的物質特性亦隨之出現。在奈米的領域下（1~100nm），許多物質的現象都將改變，例如質量變輕、表面積增高、表面曲度變大、熱導度或導電性也明顯變高等，因此也就衍生了許多新的應用。奈米科技便是用各種方式將材料、成份、介面結構等控制在1~100 nm的大小，並改變其操控，觀測隨之而來的物理、化學與生物性質等的變化，以應用於產業。

奈米科技乃根據物質在奈米尺寸下之特殊物理、化學和物性質或現象，有效地將原子或分子組合成新的奈米結構；並以其為基礎，設計、製作、組裝成新材料、器件或系統，產生全新的功能，並加以利用的知識和技藝。有別於傳統由大縮小的製程，奈米科技乃由小作大。

奈米科技實際上並無統一的定義，一般說法係指物質在奈米尺寸下呈現出有別於巨觀尺度下的物理、化學或生物特性與現象。所謂奈米科技便是運用這方面的知識，在奈米尺寸等級的微小世界中操作、控制原子或分子組合成新的奈米尺度結構（奈米材料），以便展現新的機能與特性。以此為基礎，設計、製作、組裝成新的材料、器具或系統，使之產生全新功能，並加以利用的技術總稱。奈米科技的最終目標是依照需求，透過控制原子、分子在奈米尺度上表現出來的嶄新特性，加以組合並製造出具有特定功能的產品。

誰說沒消息了，上奈米網http://nano.nsc.gov.tw/main/8/8_01_1.html#1、便能找到以下：

我國自民國八十五年以來，國科會、經濟部、教育部等部會已支持許多個別計畫從事有關於奈米科技的研發……國科會並於民國九十一年一月十五日召開第一五五次委員會議，討論「奈米國 家型科技計畫」構想；於民國九十一年六月第一五七次委員會議中通過奈米國家型科技計畫審議，自民國九十二年一月正式開始推動，並決定自民國九十二年至民國 九十七年間，投入經費新臺幣231.9億元於奈米科技發展；並於同年九月一日正式成立奈米國家型計畫辦公室，執行整體計畫之領導、策劃與管考。

冀盼藉由計畫辦公室整合產、學、研力量，建立我國發展學術卓越和相關應用產業所需之奈米平臺技術，同時加速培育奈米科技所需人才，奠定我國奈米科技厚實之基礎。利用奈米科技帶來之創新和我國在高科技製造業所累積之優勢，以及在學、研機構長期建立之研發能量，著重創新前瞻之研究，開創我國以技術創新、智權創 造為核心之高附加價值知識型產業。也因為奈米科技之推動與發展，帶來新的機會，使我國得以在奈米科技產業全面發展之時，將奈米科技的特性，轉成實際應用進 而產生具體經濟成效，是將奈米科技推動成為國家型研究計畫的重要緣由。

臺灣過去廿年來，積極投入半導體的研發與製造，成功帶動半導體產業躋身全球第三的佳績。過去的矽導產業發展是從上而下（Top-down）、由大做到小， 也就是線寬愈做愈細，往0.1微米以下的製程發展；而奈米科技則是由下往上（Bottom-up），改變過去的產業發展模式，也改變研發人員對物質材料結 構的思維。因為當物質小到奈米尺寸時，會產生新特性，包括量子效應及表面效應等。

由於奈米給所有物質新特性與新應用，因此對於傳統產業的轉型及科技產業創新技術都將產生革命性改變。市場預估未來10~15年，奈米產品市場年產值將高達 美金1兆元；美國、日本及歐盟均已積極展開奈米研究，例如美國於西元2004年投入美金5億元、日本投入日圓350億元、中國大陸從西元2001年到 2005年將投資人民幣25億元；而我國也預計從西元2002到2007年投入新臺幣192億元進行奈米科技研發。

過去廿年來，奈米科技專利的成長率驚人。在美國奈米科技先導計畫NNI所公布的22,608項奈米科技專利中（西元2000年一月至2003年四月），有 79%屬於美國發明者，12.4%屬於日本，3%屬於法國，1.1%屬於英國，1%屬於臺灣，韓國與荷蘭各占0.9%，瑞士0.7%，義大利和澳洲各占 0.5%。過去十年間的領先技術主題有大幅改變，西元2001年至2002年間，最重要的主題是「核酸」、「製藥成份」、「雷射光束」、「半導體元件」和 「光學系統」。
1. 奈米科技於建築上之運用
A.自潔效應：除了用在玻璃外，另可使用在建築外牆及衛浴產品上。
B.防止炫光運用：在玻璃中做了一層反炫光薄膜，使光線經過薄膜後，其反射造成的炫光會被散射掉。
C.改質後的隔熱布：適用範圍可由-40℃到200℃。
D.吸收紫外光：利用奈米級氧化鋅達到高分子材料抗UV老化的能力。
E.增加抵抗摩擦的能力：利用奈米氧化鋁高硬度特性，添加在塗膜上（COATING）。
F.太陽能光電板上的應用：藉由粒子的高表面積效應，增加其光電反應；利用奈米孔洞增加陽光效能。
G.淨化空氣：利用二氧化鈦再奈米等級時產生強大的氧化還原能力，使細菌的活性減低甚至被分解，目前已廣泛應用在療養院的興建上。
2. 奈米科技於結構上之運用
A.結構控制：以MRF阻泥器改變設施的剛度，進而達到結構控制的效果。
B.自行修復功能：在混凝土澆製時，添加奈米修復膠囊，在地震時釋放膠囊內的修復液體，可恢復結構局部強度。
C.防水塗料：透過防水層的奈米改進，可間接延長部分結構壽命。
D.隔震效果：經過鐵弗龍處理後的表面摩擦係數，利用奈米的方法直接在接觸面上做金屬改質，可增加隔震效果。
E.結構修復與補強的材料：以奈米科技降低環氧樹脂熱膨脹的係數；運用奈米科技達成纖維等復合材料浸潤與擴散兩個步驟。
F.奈米合金：晶粒愈小強度愈高，當晶粒達到奈米等級時，對於降低材料強度的差排效應也會被限制，韌性也隨之提高…

1. 奈米材料與製程技術
奈米科技是運用奈米尺寸特有的現象於材料和系統，在原子、分子、超分子層級探索其特性、控制其元件結構，其成功關鍵要素在於充分掌握材料及元件之製造及應 用技術，並且要在微觀和巨觀的層次維持其介面的穩定性和奈米結構的整合性，故奈米科技為新材料的創出，提供新的方法，這些新材料不僅是更新、更強、更具彈性，而且材料本身更具交互作用、高靈敏度、多功能及智慧化。

在奈米科技產業化過程中，應充分應用物質本身特性於自組裝體系，達到過去經由設備和製程精密操控所達不到的精密結構。它的基本內涵是以奈米顆粒以及奈米管、奈米線為基本單元，在一維、二維和三維空間組裝排列成具有獨特的介觀性質的奈米結構體系，這些運用將為產業帶來便宜、可量產化之新特質、新產品及新機會。以材料製造技術為起點，透過同步建構之量測分析技術檢測結果，改善材料製程並操控材料特性，並協助傳統產業高科技化。
A.建立多孔性奈米材料的自組裝控制技術，達成陶瓷基板表面平坦化。陶瓷基板表面平坦度＜50A、電阻率＞1011Ω-cm；後續薄膜金屬化模組相容性：metal/insulator厚度＞6μm、後續製程溫度相容性＞600℃、介電耗損tanδ＜0.005@1MHz。
B.開發高容量奈米級鋰電池負極材料合成及應用技術，包括奈米級負極材料之配方、分散及粉體鍍層技術。
C.完成二次中性原子質譜（SNMS）檢測分析技術軟、硬體建立，具備快速、精準、高表面及縱深知成分結構檢測能力，並完成自組裝奈米結構披覆陶瓷基板表面成分、奈米模板成分及奈米粉體組成檢測。
D.應用奈米科技提升觸媒效能，所合成之金觸媒具有高的觸媒活性、耐候性及穩定性，在溫室下每一克觸媒每分鐘可將5公升1%CO/Air完全氧化。研究結果將每個防災口罩之金觸媒使用量降至10克以下。
E.開發高表面積電極材料，以介孔二氧化矽為奈米模板合成奈米介孔碳材，合成所得碳材具有高比表面積極均勻的介孔徑範圍分布，其比表面積＞900m2/g、孔徑：2~5nm、電容值＞1法拉。
F.奈米微粉製程開發：建立奈米銀微粉製程及其穩定分散與凝集沉降控制技術、ITO導電塗料製程、配方及電性量測技術，及完成高活性正電極球形氫氧化鎳微粉製程開發與電性評估。
G.微層感測技術開發：完成表面聲波式氣體微感測器微層元件，極表面聲波式氣體微感測器氣體可逆吸附薄層製程技術開發。
H.微波吸收材開發：完成大哥大站台輻射防護材、電腦輻射防護材，及衛星轉播站輻射防護材製作技術建立。
I.完成奈米級粉體在機能性纖維製造技術研究。
J.突破傳統主元素少於3個的傳統合金觀念，開發出5~13種主元素的奈米結構多元高熵合金技術，具有高硬度（~Hv1000）、耐溫性（強度及加工硬化能力可維持至800℃以上），及具有極佳的耐腐蝕特性。
K.完成奈米碳球（Carbon Nanocapsule）生產純化技術開發，產出之碳球直徑約5~50 nm，初產物純度高達70%，純化後可達95%以上，此技術達世界一流水準；奈米碳球具良好的分散性，易改質為水溶性，具有特殊的結構與光、電、力、磁的性質，可進行多種衍生物開發與應用。
12.應用兩種以上觸媒系統，以同時extrusion polymerization方式，達到分子層級的混摻控制效果，發展出世界第一之技術；已成功合成超高分子量（Mw＞700萬），高結晶度（Tm＞ 140 °C，岛H＞200 J/g）之PE。
2. 奈米電子技術
尋求更快、更低耗能及更微小的元件一直是全球上IC發展的共同目標。而由IC製程技術發展趨勢可知，目前已遭遇到必須尋求新材料、新結構與新製造技術之IC 細微化極限的挑戰，因此發展奈米電子技術實為刻不容緩的工作。奈米電子技術發展包括自旋電子(Spintronics)、新介電材料(New Dielectric Materials)、奈米碳管元件(CNT Devices) 以及量子元件(Quantum Devices) 等。7
A.完成奈米電子實驗室的建置，整合奈米核心製程模組技術；製造國內第一顆P 型奈米碳管場效電晶體，及全球第二顆不受大氣影響的N型奈米碳管場效電晶體。
B.應用碳奈米管當電晶體的通道介質，配合top-gate技術，發展出製程簡單、穩定且能與目前半導體製程整合的碳奈米管場效電晶體（CNT-FET）製作技術，已完成on/off ratio>105的P型碳奈米管電晶體及N型碳奈米管電晶體製作、碳奈米管NOT邏輯元件之量測等。
C.建立自旋電子之磁性記憶體與電晶體自主性關鍵技術，開發出較傳統設計25%~75%的寫入電流，可節省38%晶片面積的高密度磁性記憶體佈局等的專利，並培養相關的技術人才，為台灣的未來產業作準備。
D.應用量子點／井技術開發完成矽鍺光偵測器及光電晶體（SiGe photodetector/ phototransistor）製作技術，光電晶體在850nm波長下之responsivity達10A/W，為目前世界已發表文獻上最高之responsivity。
3. 奈米顯示器材料與元件技術
隨著數位時代來臨及網際網路化的普及，平面顯示器應用領域從可攜式中小型產品邁向資訊用的大型面板，更擴展到超大型視訊應用。有機發光二極體(OLED)顯示器材料於近年之研發中因充份應用奈米材料科技而使得技術有驚人的突破，多彩OLED顯示器已商品化，正邁向全彩OLED量產技術開發中。液晶顯示器及場 發射顯示器相關材料領域將因奈米科技之應用而產生更多的技術突破，材料趨勢朝複合化、輕型化、薄型化、大型化、可撓式及低成本發展，以提升LCD及FED 產業之創新性及競爭力。完成10吋彩色奈米碳管場發射顯示器（CNT-FED）。
A.應用厚膜製程完成10吋彩色碳奈米管場發射顯示器（CNT-FED）製作。解析度達320x240、亮度>200nits、操作電壓<200V，具有省電及體積薄小之優點，成為兼具低驅動電壓、高發光效率的大尺寸、低成本之平面顯示器。
4. 奈米光通訊技術
由於網際網路的發展，急需新的的方法與技術來處理光訊號，避免昂貴的元件成本阻礙了光通訊之普及。因此，如何縮小光元件的體積，以利大規模集成、降低元件製作成本，就成為急需突破的瓶頸，而光子晶體將在這方面有很大的貢獻。
應用InAs/InGaAs量子點開發出可於室溫狀態下發出1.31μm波長之光通訊用雷射光源，具有極低的臨界電流密度~200A/cm2，同時可經由調整不同製程條件調制其發光波長。
5. 奈米構裝技術
在 電子或通訊產品輕薄短小、高可靠度、多功能化之需求下，如何提高接合技術及功能性基板技術的密度，是電子構裝技術首要建構的兩大主軸技術。在高密度接合上 採用奈米級的表面活化接合及奈米導線／碳管凸塊…等技術，可大幅提高接合密度。在功能性基板技術上，運用奈米材料改質的電阻、電容、電感、濾波器等被動元 件內藏於功能性基板，可大大提高功能性基板的密度。因此，透過奈米材料的介入，將可突破目前技術之瓶頸(如:接合密度不夠高、電容材料之Dk值太低、電阻精度不夠高…)，並滿足資訊、通訊及消費性電子產業之創新整合之應用需求，開發體積更輕薄短小、整合性更高、更具市場競爭力之產品。
A.應用兩段式燒結之晶粒成長控制，製作含奈米晶界之電性可調變元件之內藏元件基板，具有低溫（＜200°C）製作，介電常數＞105，及可製作多種非線性元件如PTC、NTC及VR等特性，可應用於製作平面化積層元件。
B.建立平坦化陶瓷基板技術，基板之表面平坦度＜5nm，電阻率＞ 1011Ω-cm，介電損耗＜0.001@1MHz及後續製程溫度相容性＞600°C，可應用於高頻元件製造及大型積體電路量產應用。
6. 奈米儲存技術
本技術主要在建立奈米Terabyte儲存技術，突破現有DVD （4.7GB） 與HD-DVD （20-25GB）之技術使得容量可達到100 GB ~ 1000 GB。其主要概念採用近場光學理論加上微小口徑（50nm）產生可寫光點（＜100nm），使其記錄容量達到1 Terabyte。
製作有利於形成Surface Plasmon Resonance之奈米結構，應用於光碟片之mask layer，完成超解析近場光碟記錄材料開發，碟片容量可達67GB，在藍光雷射波長讀取下，其信噪比（CNR）~45dB，已具備商業化價值。
7. 奈米能源應用技術
奈米能源應用技術之發展主軸為「奈米儲能材料技術」及「奈米節能技術」兩大項。因奈米級儲能材料的高活性、大表面積（200-2000m2/g）、自我組裝（1~3nm活性觸媒）、超晶粒特性（10~30 nano structure）及特殊光電效應等功能，先進國家皆積極投入能源奈米材料的開發，希望透過奈米特性，提供優於目前電池能量數倍之高能量密度儲電系統。
研發內容包括：微小型奈米研發電池、高效能儲電元件、光化學換能系統、奈米熱流技術，以及奈米晶體應用技術。
8. 基礎產業奈米應用
奈米技術是化學、物理、機械、材料、電子、量測等科技的融合。由其應用方面來看，有絕佳機會在基礎產業上精進及發揮；從中長程發展來看，必定會與尖端科技 結合，獲致突破性的進展。工研院針對基礎產業奈米化之應用，以具有市場基礎的產業項目展開深耕，結合產業domain knowledge，鎖定旗艦型產品，應用奈米技術，達到提升產業競爭力，開發新市場及新產品之目的。
（9）奈米生技應用技術
濾過性病毒被認為是自然界最精緻的奈米元件，這些巨分子的首要優點是它們具有很大的差異性可供選擇，而另一個優點則是它們已是存在的物質。以現有對奈米構造與製造的認知，工業上有用之奈米元件的自組與建構完全仰賴於元件成分的本質，這些被期望的奈米成分的特性包括：可複製、重組、具有可辨認、功能、活性的 本質、可感應環境。
生物巨分子具有的特性，可以利用分子生物方法及化學方法方便地驗證或使其表現上述的特性，這類物質包括：
A.核酸：具有自行重組、複製的能力。
B.蛋白質：大多具有專一性，可對環境感應。
C.具極性的脂質：有自行重組的能力。
10. 檢測分析與設備開發
奈米科技近年來受到相當的矚目，最主要的原因是因為量測儀器的進步，使得物質小到一定程度時所發現的特殊現象，被證實是與奈米尺寸有關。這些特殊現象，並 不容易由過去宏觀現象察知，例如在常溫為惰性的飾品黃金，在尺寸小到5nm時，活性卻很高；在零下70℃將一氧化碳氧化成二氧化碳，而它的顏色也不再是黃 金色，熔點也由1,063℃降至700℃以下；又如彩色濾光片色料的顆粒由100nm降至25nm時，其顯色強度會增強75%，光的穿透力亦由40%提升 到90%。由上述的例子可知，新特性的發現將衍生新的應用創意，對產業界有可能造成革命性的影響。
11. 其他
A.建立奈米顏料分散與安定化技術，開發之顏料奈米化製程可產製黃、紅、藍，顏料粒徑分別為13.0nm（黃）、15.2nm（紅）、13.8nm（藍），具冷凍回溫安定性及噴墨適性。
B.開發奈米黏土插層改質技術，製作出奈米黏土複合材料，應用特有的耐熱、耐燃、阻氣及低吸溼等特性，可帶來新的產業商機與應用機會。
C.利用奈米粉體合成技術製作奈米級之觸媒載體，再將金負載於載體上，經不同溫度焙燒後使其形成高活性奈米金觸媒，合成之金觸媒具有非常高的觸媒活性、耐候性、及穩定性。
D.結合發展之奈米技術成果，進行商品化開發，目前已商品化／將商品化的技術包括鎳-氫電池隔離膜、奈米貼片、奈米顏料油墨、奈米黏土複合材料（遠紅外線纖維等）、奈米金濾毒罐等。
http://nano.nsc.gov.tw/main/8/8_01_1.html#1

還有：2005-2006年中國納米材料行業分析及投資諮詢報告 (上下卷)

內容簡介：
 　
納米是一個比微米小得多的計量單位。納米技術是指在納米範圍內研究物質的結構及其變化規律，並應用於生產生活之中的技術。納米材料(nano material)，納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子(nano particle)，納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域，從通常的關於微觀和宏觀的觀 點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型人介觀系統，它具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）後，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體時相比將會有顯著的不同。　　
由於納米微粒的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等使得它們在磁、光、電、敏感等方面呈現常規材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性 材料、電子材料、光學材料、高緻密度材料的燒結、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應用前景。
世界上一些發達的工業國家，投入重金對納米材料進行開發研究，在２０多年中，納米材料從問世至今，已經基本上完成了材料製備和性能開發階段，步入了全面應用和完善工藝階段，重視納米科技發展的國家都得到了實惠。　　
中國在納米科技領域的研究起步較早，基本上與國際發展同步；經過近20年的努力，中國已經初步具備開展納米科技的研究條件，形成了一支研究隊伍；近年來，中國在納米材料與技術的基礎研究領域取得了一些國際領先的成果。這些都為實現跨越式發展提供了可能。
2004年全球納米新材料市場規模達22.3億美元，年增長率為14.8％。2004年，中國納米新材料市場總體規模達到29.2億元，年增長率為 18％，已經連續5年保持了15％以上的增長速度。其中，納米粉體材料市場達到27.4億元，占總體市場規模的93.8％，納米複合材料市場1.8億元， 占總體納米材料市場規模的6.2％。　　
2004～2008年，世界納米複合材料市場的年均增長率為18.4%，納米複合材料市場將從2003年9080萬美元增長到2008年2.11億美 元。世界聚合物納米複合材料市場中，熱塑性材料市場將從2003年7000萬美元增長到2008年1.75億美元，熱固性材料市場將相應從2000萬美元 增長到2800萬美元。　　
市場成長迅速；國家對高科技新材料產業的重視；中國的納米材料技術水準的進一步突破；納米材料與日常起居結合緊密，納米與人們的生活日益接近等等這些因素必將使我國的納米產業未來更加光明。
報告目錄
第一章　納米材料概念及行業特性
…………
http://www.ocn.com.cn/reports/2006082nami.htm

奈米機器人出動！ 【科學人 2009/06/19馬洛克（Thomas E. Mallouk）
 
 我們知道怎麼製作微型機器人，卻不知如何推動它，而今觸媒引擎可讓微型機器人由周圍取得燃料，並克服微觀世界裡奇特的物理現象，自由在水中遊走。  
 
重點提要
 
■奈米科技擁有許多潛在未來應用，例如可用於組裝其他機械，或是在人體內移動、投送藥物或進行微型手術。
■這類機器將面對獨特的物理學原理。在極小的尺度中，液體和蜂蜜一樣黏稠，布朗運動則使所有物體不斷搖晃。
■化學家由活細胞的生物引擎取得靈感，研究如何透過觸媒反應為奈米機器人提供動力。
 
想像一下，如果能製造大小和細菌或分子相仿的汽車、飛機或潛艇，把這些超微機器人當成外科醫師注射入人體，便能標定並治癒病灶，例如動脈內的斑塊和可能導致阿茲海默症的蛋白質沉澱等。另外，具備奈米尺度特徵與元件的奈米機器人也可鑽進橋樑或飛機翼中，修復肉眼看不見的裂縫，防止它擴大而導致嚴重損壞、釀成災害。
近年來，化學家開發出許多適用於微型機械的優異分子結構。舉例來說，美國萊斯大學的涂爾（James Tour）等人製作出分子尺度的汽車，以四個巴克球（形狀類似足球的碳分子）當做車輪，大小約為人體細胞的1/5000。但如果打開奈米汽車的引擎蓋，你會發現裡面沒有引擎。涂爾的奈米汽車目前唯一的動力來源是它與周圍分子隨機碰撞，也就是「布朗運動」。這就是分子機械目前最大的問題：我們知道怎麼製造，卻不知該怎麼推動它。
在等於或小於活細胞的尺度中，這項任務還得面對特殊挑戰。空氣和水對它們而言跟蜂蜜一樣黏稠，布朗運動則讓分子的行徑全無章法。在這些情況下，就算我們能夠把汽車引擎做成奈米尺度大小，恐怕也沒辦法讓它動起來。
然而，大自然中有許多奈米引擎的例子，觀察一下活細胞就知道了。細胞就是使用奈米引擎來改變形狀，在分裂時拉開染色體、建造蛋白質、吸收營養、從周圍來回運輸化學物質等。這類奈米引擎，以及肌肉收縮和細菌鞭毛螺旋狀運動的動力來源，都是相同的原理：將化學能（通常以三磷酸腺的形式儲存在細胞內）轉換成機械能，而這個反應必須藉助觸媒，也就是可促進三磷酸腺（ATP）分解的化合物。研究人員運用類似原理製造的人工奈米引擎，已獲得令人振奮的進展。
2004年，我們參與美國賓州州立大學的研究團隊，開發了一種簡單的奈米引擎，能運用觸媒將儲存在燃料分子內的能量轉換成運動。我們的構想取自2002年美國哈佛大學的伊斯馬基洛夫（Rustem Ismagilov）和懷特塞茲（George Whitesides）提出的觸媒引擎，它在尺寸上大了許多。哈佛大學的研究團隊發現，長數公分、尾部有白金條（鉑）做為觸媒的「小船」，可在過氧化氫（雙氧水）水溶液的表面上自動前進。鉑可促進雙氧水分解成氧與水，生成的氧氣氣泡產生反作用力，推動小船前進，就和噴氣由火箭尾部噴出，推動火箭前進一樣。
 
縮小版觸媒引擎
 
我們的縮小版觸媒引擎，是一段長度大約相當於細菌細胞（約2微米）、直徑則為細菌細胞的一半（350奈米）的金鉑棒，它混合在溶液中，而非漂浮於表面。這些微小的觸媒柱和細胞內以ATP為動力來源的分子引擎一樣，是以本身周圍的液體當做燃料。它們確實會以每秒數十微米的速度自行移動，在顯微鏡下活像細菌在游泳，看起來有點詭異。
不過這個實驗的基礎假設是錯誤的，這在科學界經常發生。我們以為奈米棒尾端會釋放微小的氣泡，以反作用力推動它。但實際上的運作方式更加有趣，也讓奈米科技專家了解到，我們必須以相當不同的方式思考極小尺度的運動。
在巨觀尺度中，反作用力的概念確實有意義。我們游泳或划船時，手、腿或槳將水向後推，反作用力便會推動身體或船身前進，然後手即使停止划動，游泳者或船身仍可向前滑行，滑行的距離取決於黏滯力（或阻力）和慣性（物體對抗速度變化的能力）：阻力與物體的直徑成正比，而慣性則與物體的質量成正比（也就是與物體直徑的三次方成正比）。對較小的物體而言，慣性的影響很快就可以忽略，因此只需考慮阻力。在微觀尺度中，滑行大約在一微秒內就會停止，滑行距離則少於1/100奈米。因此，對於水中的微米尺度物體而言，游泳就像在蜂蜜中艱難前進。奈米引擎不會記得推動它前進的力量（也就是沒有慣性），慣性推進方式（例如船身藉由氣泡提供的反作用力前進）在這裡也起不了作用。
奈米棒無法藉助滑行來運作，因此事實上是以持續施力來克服阻力。在鉑的一端，雙氧水分子分解成一個氧分子、兩個電子和兩個質子。在金的一端，電子和質子會和一個雙氧水分子結合，生成兩個水分子。這些反應會使棒子的一端多出一個質子、另一端則少一個質子，因此質子會沿著奈米棒的表面由鉑端移動到金端。
質子和水中其他正離子一樣，會吸引水分子帶負電的部份，在移動時帶動水分子，推動奈米棒朝反方向移動（請參見49頁〈仔細瞧瞧觸媒引擎〉），因為根據牛頓第三運動定律，作用力必有一個大小相等、方向相反的反作用力。
在我們的學生以及同校的的克瑞斯皮（Vincent H. Crespi）、維勒戈爾（Darrell Velegol）與凱奇馬克（Jeffrey Catchmark）協助之下，我們確立了上述的運作原則，並設計出其他數種觸媒奈米引擎。德州大學奧斯丁分校赫勒（Adam Heller）及亞利桑那州立大學王（Joseph Wang）等人曾經展示，混合不同的燃料（包括葡萄糖、氧或雙氧水與聯胺）可讓奈米引擎行進得比在單一燃料中更快。
我們開發的金屬奈米棒可在大量溶液中移動，由不受雙氧水影響的金屬奈米棒促使結構表面附近的液體流動，進而帶動液體中其他物體。我們已經證明了，帶有銀質花紋的黃金表面，也會產生這種液體帶送效果。
 
從控制航向到自主前進
 
第一批研發出的奈米棒移動方向並不固定，經常在布朗運動的影響下四處亂轉。當然，在實際應用中，我們必須設法操控奈米機器朝目標行進。
我們首先嘗試以磁場來解決操控問題。我們在奈米棒中嵌入可與磁場交互作用的鎳片，就像指南針一樣，鎳片南北極的軸線垂直於奈米棒的長軸。幾公釐外有一枚冰箱磁鐵，對奈米棒施加力矩，以克服布朗運動使奈米棒亂轉的力量。如此一來，剩下的就只有平行於奈米棒長軸的作用力，因此奈米棒可直線移動，並且可用磁場操控，很類似細菌自動對齊地球微弱磁場的行為。類似的引擎也可在微型的磁場迷宮中巡行，沿著磁力線左彎右拐。
2008年，克瑞斯皮和本文作者之一沈恩曾經展示以磁場操控的引擎可在液體中拖曳「貨櫃」，也就是體積為其10倍的塑膠球體。這類運輸引擎未來將有不少有趣的用途，例如將藥物投送到人體特定細胞，或在奈米尺度的組裝線上運送分子，以化學方式結合貨物與其他分子。
在外部操控奈米機器人可能相當有用，但是對某些用途而言，奈米機器人能自行移動可能比較重要。維勒戈爾和沈恩最近發現，我們的觸媒奈米棒能循化學「記號路徑」行進，這和細菌的行進方式相同。細菌通常以一連串直線方式前進，中間穿插有多次隨機轉向，但當直線行進正好朝化學梯度較高處行進時（例如越接近食物本身，食物的氣味越強），細菌直線行進的長度也會跟著增加。由於朝有利方向的行進距離比朝不利方向的行進距離長，因此結果是細菌會朝目標聚集，但其實沒有什麼因素直接操控它們，而是一種稱為「趨化性」的行進策略。
 
另參本館：戰鬥機器人

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阿楨 2024-02-13 02:43:11

人造鑽石漸受婚禮市場歡迎 衝擊天然鑽石價格年跌40% 2023年9月4日

由於經濟逆勢打擊奢侈品消費，加上人造鑽石大行其道，原鑽的價格加速跌落，愈來愈多的消費者選擇以人工鑽石做為婚禮戒指，也使得在美國流行的一克拉或兩克拉新娘戒指中使用的寶石價格，跌幅比市場上的其他產品要大得多。
在過去 12 個月裡，壟斷天然鑽石供應的開採商戴比爾斯 (De Beers) 已經將其主流產品—用於製造婚戒的 2-4 克拉原鑽價格下調 40%。僅 7 月份就降價超過 15%。
由於鑽石平均售價從每克拉 213 美元跌至每克拉 163 美元，戴比爾斯上半年利潤下降了 60% 以上，僅為 3.47 億美元。 其八月份的銷售額是今年以來最低的。
　　回應
鑽石本來就是一種虛構的價值
假鑽石就假鑽石, 山寨王國不虧是山寨
我會選人造的，還更完美且環保。鑽石的開採非常高碳排。
　　相關新聞
全球最大「人造鑽石」產地在中國！河南拔得頭籌銷量增長416％
大陸鑽石銷售夯 人造鑽價格僅天然鑽三分之一

阿楨 2023-10-31 05:07:28

擺脫摩爾定律 陸清華大學開發光電類比晶片算力提升3千餘倍 2023/10/30 中時

北京清華大學官網宣布，該校自動化系戴瓊海院士、吳嘉敏助理教授與電子工程系方璐副教授、喬飛副研究員等人聯合攻關，提出了一種能擺脫摩爾定律的全新計算架構：光電類比晶片。經過實測，光電融合晶片的系統級算力較現有的高性能晶片架構提升了3000餘倍，能源使用效率更高達400餘萬倍。
據《快科技》報導，於1965年由英特爾創始人之一戈登．摩爾（Gordon Moore）提出摩爾定律，即每隔約2年，積體電路可容納的電晶體數目便增加一倍。但是隨著半導體製造技術快速發展，電晶體尺寸逐漸接近物理極限，近10年內摩爾定律已放緩甚至可能面臨被突破的境地。
報導說，這次北京清華大學研發的光電類比晶片，可能為擺脫摩爾定律開拓了新的方向。
研究人員指出，在光電類比晶片這一枚晶片上便突破了大規模計算單元集成、高效非線性、高速光電介面3個國際半導體學術界的難題。
根據官方的實測，光電融合晶片的系統級算力較現有的高性能晶片架構提升了3000餘倍。報導說，若以交通工具來類比的話，相當於將京廣高鐵8小時的執行時間縮短到了8秒鐘。
不僅如此，該晶片的系統級能效實測達到了74.8 Peta-OPS/W，是現有高性能晶片的400萬餘倍，相當於原本供現有晶片工作一小時的電量，可供它工作500多年。
此外，該晶片光學部分的加工最小線寬僅採用百奈米級，而電路部分僅採用180奈米CMOS工藝，就已取得比7奈米製程的高性能晶片多個數量級的性能提升。
該項發表於國際學術期刊《自然》上的論文指出，在清華大學團隊提出的超高性能光電晶片下，「未來電腦」的誕生似乎已不再遙遠。光電融合的新型架構，不僅開闢出這項未來技術通往日常生活的一條新路徑，還對量子計算、存內計算等其他未來高效能技術與當前電子資訊系統的融合深有啟發。
　　回應
整天吹噓，這就是土共的嘴臉！
人家的論文發表於國際學術期刊《自然》上，是吹噓嗎？自己不行，還說別人吹噓，不覺得丟臉嗎？

阿楨 2023-10-14 07:29:51

求解特定問題比超算快一億億倍！我國成功研製“九章三號”量子計算原型機 2023-10-11 觀察者網

中國科學技術大學網站10月11日消息，中國科學技術大學中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院潘建偉、陸朝陽、劉乃樂等組成的研究團隊與中國科學院上海微系統所、國家平行電腦工程技術研究中心合作，成功構建了255個光子的量子計算原型機“九章三號”，再度刷新了光量子資訊的技術水準和量子計算優越性的世界紀錄。科研人員設計了時空解複用的光子探測新方法，構建了高保真度的准光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水準和量子計算複雜度。根據公開正式發表的最優經典精確採樣演算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。“九章三號”在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本，需要當前最強的超級電腦“前沿”（Frontier）花費超過二百億年的時間。這一成果進一步鞏固了我國在光量子計算領域的國際領先地位
　　回應
超級電腦比美國多多了，只是不參加評比而已。
科舉制的考試內容科目有秀才、明經、進士、俊士、明法、明字、明算等五十多種。其中明法、明算、明字等科，不為人重視。天工開物也就是個技術型應用類書籍，這種技術型書籍有多少？基礎科學理論書籍有多少？基礎科學成理論體系的書籍又有多少？承認自己走的彎路，有這麼難？
不為人重視？中國自古以來的偉大建築，測繪地圖，製造各種設施、天文地理曆法，是怎麼辦到的？《天工開物》之外，還有些什麼被傳教士們弄回歐洲了，得問問那些傳教士們。

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