科技創新

奈米科技的關鍵材料

效法大自然、善用軟物質,是奈米科技發展的主流。

撰文/劉仲明(工業技術研究院材料所所長)

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奈米科技的關鍵材料

效法大自然、善用軟物質,是奈米科技發展的主流。

撰文/劉仲明(工業技術研究院材料所所長)

台灣是蝴蝶的王國,美麗的蝴蝶表現在蝶翼的色彩斑斕絢麗,服飾工業再怎麼先進也望塵莫及。人類漂亮的衣著通常用染料來成色,蝴蝶卻只用無色的蛋白質,就能產生吸引眾人目光的色彩,令人不禁要讚嘆大自然的巧奪天工。蝴蝶到底是怎麼做到的呢?科學家利用電子顯微鏡解開了這個謎。原來構成蝶翼的鱗片表面有許多類似樹枝狀的奈米結構,其細枝之間的距離約在70~100奈米。因此對光線而言,看到的是兩種物質,也就是空氣和蛋白質組成的結構。因為空氣和蛋白質的折射率不同,再加上這些結構是有些規則但又不是很規則,可見光照射後就產生了所謂的彩虹效應。不同的結構組合可以造成不同的顏色及圖案,讓我們有機會欣賞到千百種不同的美麗蝴蝶。事實上,孔雀五彩斑斕的羽毛也是類似的原理,不過它利用的是羽毛表面角質下的蛋白質形成「棒狀構件」,靠著堆積的疏密、間距的大小造成折射率的差別,來產生彩虹效應。


自然界的生物透過由小做大(bottom up)自組裝奈米結構,這種做法正是奈米科技未來發展的主流。它就像是堆積木,以分子為構件,在一些物理原理的指引下,堆出多樣性的構造,從而展現出與構件本身特性顯著不同、卻與其集合體構造密切關連的功能特性。舉例來說,蝴蝶翅膀或孔雀羽毛的各種顏色,並非有各種各樣的染料在其表面,而是因為特殊的構造藉著微小構件間彼此折射率的不同,和一些規則性所帶來的集體效應,造成彩虹效應而形成。就材料組成而言,這些不過是蛋白質,本身其實是無色的。大自然神奇之處在於,它不只是利用元素或分子的本質特性、個體功能而已,更重要的是能以原子、分子,甚或奈米點、奈米線為構件,自組裝成各種結構,因此產生全新的特性或功能。


軟物質(soft material)是奈米科技的關鍵材料,它具有可撓性、流動性,而且多為非晶態物質,如液晶、膠體、乳液、界面活性劑、蛋白質、高分子等,具有複雜性與柔軟性的特點。複雜性的意思是指軟物質具有短距離的規則性,卻缺乏長距離週期性的規則排列,以此為構件可以創造出極複雜的系統,生命就是一個例子。從這個方面來看,軟物質可稱為連結奈米科技與生物技術的鎖鏈。軟物質的柔軟性是指其對很小的外力(如溫度、電場、磁場、化學反應等)有很大的響應變化,這是因為軟物質的組成是以分子集合體的狀態形成,彼此間以非鍵結方式作用,因此具有很大的空間自由度。以液晶為例,只要很小的電場就能讓分子重新排列,利用這個特性,控制光的通過、折射、顯影等動作,於是有了廣泛用在筆記型電腦、PDA的液晶顯示器。這個柔軟性也可說是材料對外界環境的反應性,是材料朝智慧型發展的關鍵之一。


在液晶顯示器裡,有種特殊的光學元件可以將光的偏極轉換而達到增亮效果。這是由兩種折射率不同的透明塑膠交替堆疊數百層所形成,它利用了軟物質的易加工性和奈米構造對光的影響,對顯示器產品的高亮度需求提供了解決方案。到目前為止,液晶顯示器已經是10億美元市場規模的產品,且需求不斷增加,與其相關的新應用也持續出現。


2002年12月,行政院第23次科技顧問會議在針對奈米國家型計畫推動方案進行審議時,曾任美國能源部副部長的莫尼茲先生(Ernest Moniz)明確指出,台灣發展奈米科技時應強調軟物質的研發。整體而言,經由設計和操控自組裝的方式來發展奈米級產品已是主流,而軟物質材料因其複雜度高、階層構造、超大時間尺寸範圍等特性,亦逐漸成為現代智慧型材料的重要支柱。隨著科技研發不斷地突破創新,軟物質及其與硬物質的混成材料也已在奈米尺度進入融合階段,成為21世紀奈米材料研發的重點。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2004年第25期3月號】



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