奈米科技

以病毒為師──破解奈米材料的製程難題

2006-11-01 牟中原
從化學合成方法到利用病毒製造奈米結構,奈米材料的製作方式正在全面翻新。


奈米科技裡一個重要的課題,是如何做出排列整齊且有奈米等距(10~100nm)的週期性結構。這種材料在光學、電性與磁性上,都有特別優良的性質。例如光子晶體就是利用均勻的奈米顆粒,模仿原子在固態晶體中的排列,所形成最密堆積的規則結構,此晶體即具有特殊的光子能隙,可應用在許多光電元件上,包括微小化低電流的半導體雷射、低消耗的波導等。


傳統上,物理學家及工程師利用蝕刻法來製造這種結構,它是由上而下(top down)的做法。簡單的說,就是利用光蝕刻與機械研磨的方法,將大塊材分割而得到奈米尺度的材料,然而,這種方法在尺寸越小時就越難做到,相對的成本也越高。到了10奈米左右的結構,目前還沒有便宜而可靠的製造方法。


材料的本性,是助力也是限制


另外一方面,過去10年來,科學家逐漸發展一種由下而上(bottom up)的方法來製造奈米結構。它是先以化學合成方法做出尺寸均勻的奈米粒子,再依賴其本身的布朗運動而自組成(self-assembly),達到大尺寸的週期性排列。如果粒子之間的作用力適當,或是可藉由某些特定分子進一步控制粒子排列的大小與方向,則可得到更豐富的階層式結構,即在奈米與微米兩種尺度都井然有序的結構。


自然界中常可見到自組成的例子:海水中的矽藻利用細胞內的囊泡為模板,將無機矽控制在囊泡表面上,最後沉積在特定部位,形成美麗而特殊的形貌。像這種以有機物模板的作用力來決定並控制無機材料的位置與形態,進一步形成各式各樣的細緻結構,正是科學家所期望達到的目標。


這10年來,化學家發展出非常多可以自組成的基本單元,包括二氧化矽奈米粒子、金屬、半導體奈米粒子,具親水與疏水兩性的共聚高分子等。也有一些工作是把無機的金屬氧化物或半導體,與有機高分子混合而自組成的材料。例如二氧化鈦奈米棒與有機染料分子混合而自組成的材料,可用來做太陽能電池。


然而化學合成方法也有其限制。在合成奈米粒子時,由於各粒子開始或停止生長的時間不可能一致,因此大小不可能完全一致,任何大小的顆粒均有一定的出現機率;而且無論是高分子聚合物或半導體奈米粒子,我們都沒辦法精確控制其形狀與大小。另一方面,對多方晶體、晶面排列的控制,亦很難達成。因此一般化學合成方法的奈米粒子,在自組成時一定會有缺陷產生,也就很難達到大面積均勻的排列。


串起各領域的資源與經驗


2002年時,美國麻省理工學院的貝契(Angela M. Belcher)發展了一套絕妙的方法來克服上述困難,她利用病毒來幫忙做無機粒子的自組成(詳見第80頁〈當病毒跨行奈米產業〉)。病毒粒子的好處有四:首先,病毒有各種形狀,同種病毒的形狀、大小非常均勻。其次,它是由蛋白質組成外殼,內含DNA;表面的蛋白質可以利用基因工程加以修飾改變。第三,蛋白質常常可以選擇性吸附無機奈米粒子的某一面。最後,那些與奈米粒子有特殊作用的病毒,可以經過篩選而加以繁殖。


貝契出身加州大學聖巴巴拉分校,在那兒她研究的是生物成礦,因此她學會如何利用生物高分子去控制無機晶體的奈米粒子。到了麻省理工學院以後,她選用噬菌體M13做為操控奈米粒子的工具。M13尾端的蛋白質可選擇性地與量子點(如硫化鋅)表面結合。貝契經過五次篩選,得到與硫化鋅有很強結合力的病毒株A7,她利用溶劑濃度及磁場做細部控制,而使A7把特定大小的硫化鋅奈米粒子整齊地聚在一起,形成一種半導體與病毒週期性排列的液晶狀材料(見第80頁插畫)。


M13亦可以橫躺的方式,在帶電的高分子聚合物表面整齊排列,如此就可在病毒上生長氮化鎵半導體奈米粒子。由於氮化鎵具有發光性,以此法製成的材料,可應用在光電元件。最近,貝契的實驗室更進一步將這套方法拿來製造四氧化三鈷的奈米棒,以應用到鋰電池的電極。這種由金與四氧化三鈷混合的奈米棒材料,可以製成極薄、大面積的電極膜,具有很高的電流容量。


除了上述兩樣工作外,貝契也以M13做為製造其他有機或無機高分子材料的基礎,顯見這是一個具廣泛應用潛力的研究平台。不過全世界到目前為止,以病毒為工具製造奈米結構材料的研究還很少。美國斯克里普斯研究院的林天偉利用正二十面體的牛痘鑲嵌病毒之中空內部,做為裝載藥物的奈米藥物輸送器。南卡羅來納大學的王倩則利用菸草鑲嵌病毒與苯胺共組聚而成長棒狀的奈米結構,可以導電。美國范德比爾特大學的萊特(David Wright),則利用各種病毒為模板,合成結構對稱的金奈米粒子。


這些工作在整個奈米材料研究裡,是極為少數的,但因為想法新穎、頗有創意,受到大家的注意。利用病毒的方法所做的材料,距離實際應用還有很長一段距離。真正的應用,還要面臨製程成本、穩定性等一大串問題,我不認為在10年之內會有商業化的產品出現。但是貝契本人已經成立公司,取得創投基金,踏出產業發展的第一步。


從物理學家利用蝕刻法,到化學家利用化學合成方法,到現在利用生物學裡的病毒製造奈米結構,這代表的是奈米材料在跨領域研究的快速發展。比起傳統的材料科學,它顯然需要更多科學知識做為基礎,這種工作需要化學家、細胞病毒生物學家與工程師通力合作。然而跨領域合作並不容易實踐,因為科學家也是人,常常只傾向和自己同一族群來往,跨出自己族群之外就不易溝通。這需要高度整合的企圖心和創新的風氣,才能鼓舞科學家做更廣泛的合作。


# 關鍵字:名家專欄奈米科技
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