第一節 納米物料

現代科技一日千里,我們用來製造工具的物料已經不再局限於金屬、石頭和木頭,科學家還製造新的物料改善工具的性質。例如:我們用液晶製造顯示器,用陶瓷製造耐火物料,用納米物料製造催化劑和藥物。

納米是量度長度的單位,\(1\) 納米 (\(\rm{nm}\)) 就是 \(10\) 億分之 \(1\) 米 (\(10^{−9}\;\rm{m}\))。

究竟 \(1\) 納米有多長?我們可以由大至小的一級一級數下去:

\(1\) 米就是 \(1000\) 毫米(即是 \(1\;\rm{m} = 1000\;\rm{mm}\))。

\(1\) 亳米就是 \(1000\) 微米(即是 \(1\;\rm{mm} = 1000\;\rm{µm}\))。

\(1\) 微亳米就是 \(1000\) 納米(即是 \(1\;\rm{µm} = 1000\;\rm{nm}\))。

不同物件的大小

納米物料一般是指大小在 \(1 - 100\) 納米之間的分子或基本單位。

納米物料的研究主要集中於 \(1\;\rm{nm}\) 至 \(100\;\rm{nm}\) 大小的物料。

與較巨型的物料相比,納米物料擁有不同性質,這是因為納米物料的表面面積與體積的比例特別高。

粒子愈小,位於粒子表面的原子數目佔總粒子數目的比例便愈高。因此,與較大的粒子相比,相同質量的納米粒子便會擁有較大的表面面積。

納米物料的比例

納米物料的類別可分為一維納米物料、二維納米物料和三維納米物料。

一維納米物料只有一維的大小在 \(1 - 100\;\rm{nm}\) 之間,例如薄膜或表面塗層。

納米塗層

二維納米物料其中二維的大小在 \(1 - 100\;\rm{nm}\) 之間,例如納米線和納米管。

納米管

三維納米物料的三維的大小都在 \(1 - 100\;\rm{nm}\) 之間,例如納米粒子和富勒烯。

富勒烯 \(\ce{C60 }\)

納米物料可應用在日常生活中,例如防曬用品。

一般的防曬用品中都含有氧化鋅 (\(\ce{ZnO}\)),它能有效吸收紫外光;但由於它亦能反射可見光,因此這些防曬用品都是呈白色的乳液。

當氧化鋅 (\(\ce{ZnO}\)) 以納米粒子的形式出現時,由於納米粒子比可見光的波長還細小,所以納米粒子不能反射可見光,這使含有氧化鋅的納米粒子的防曬用品呈透明乳液狀。此外,氧化鋅的納米粒子能吸收紫外光以保護皮膚,避免被陽光灼傷。

防曬用品

納米物料在醫學方面有廣泛應用,例如改善藥物在人體內的傳送。

傳統藥物都是透過身體的血液循環系統,把藥物傳送到患處(例如:腫瘤)。雖然這個傳送方法操作簡單,但副作用較多(例如連健康的細胞也會被藥物殺死),而且因為藥物並不是針對性地到達患處,所以要提高用藥的份量。

納米物料能改善藥物的傳送效率,使藥物能有效地、針對性地傳送到患處,減少用量和副作用。

試想像一個納米膠囊,膠囊內藏著藥物。納米膠囊的外圍有些特別的標記,只有患處的細胞才會吸納這些膠囊(正常的細胞則不會吸納膠囊);當到達患處,膠囊便會釋出藥物進行治療。

納米膠囊

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料,而 \(2010\) 年的諾貝爾物理學獎便授與 \(2\) 名英國科學家 (Sir Andre Konstantin Geim 和 Sir Konstantin Sergeevich) 以肯定他們在納米物料研究方面的貢獻。

石墨烯是只有一層碳原子厚度的薄膜,每 \(1\) 個碳原子與 \(3\) 個碳原子生成共價鍵。

雖然石墨烯還未被廣泛應用,但它某些特性使它有很大的潛力取代傳統物料。例如:石墨烯幾乎完全透明(透光率 \(97.7\%\)),而且導電性良好(電阻率約 \(10^{−6}\;\text{Ω·cm}\),比銅或銀都還要低),因此它可被應用在透明導電電極、觸控式螢幕和光伏電池等。

石墨烯
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