材料與奈米

組長：B95501071 林珽蔚

組員：B95203003 林峻玄

B95203006 黃子瑄

B95203018 趙志鋼

B95203021 黃銘浩

B95203026 錢乃瑛

B95203027 許嘉中

B95203031 魏瑋齊

B95203035 鄭宇軒

B95203040 林敬堯

R97223145 徐嘉鴻

R97223155 陳奕丞

 

 

內容

奈米材料簡介 R97223155 陳奕丞

奈米塗料簡介 R97223155 陳奕丞

蓮花效應 R97223145 徐嘉鴻

光觸媒 B95203026 錢乃瑛

奈米塗料之應用 B95203006 黃子瑄

自我組裝的應用 B95203021 黃銘浩

Nanoreactors B95203003 林峻玄

奈米碳球 B95203031 魏緯齊

二維 DNA 奈米粒子 B95203040 林敬堯

分子篩 B95203018 趙志鋼

奈米孔洞材料的特性 B95203027 許嘉中

奈米孔洞材料的應用 B95203035 鄭宇軒

奈米多孔薄膜材料的應用 B95501071 林珽蔚

結語 B95501071 林珽蔚

 

 

奈米材料簡介

R97223155 陳奕丞

奈米發展歷史

在 1959 年的物理年會上，諾貝爾獎得主費曼先生提出：人類在未來可以隨心所欲的操控小尺寸的物質而有數

不清的科技應用(What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale. Furthermore, a point that is most important is that it would have an enormous number of technical applications.)，也可將大英百科全書的內容記錄在像大頭針這麼小的體積中(Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin)；並切費曼先生覺得在 2000年時大家反而會回過頭來檢視 60 年代的科學家為什麼那麼晚才開始認真發展這門科學(In the year 2000, when they look back at this age, they will wonder why it was not until the year 1960 that anybody began seriously to move in this direction.)。這場演講揭開了奈米蓬勃發展的序幕！

光學性質：當材料從塊材變成奈米級時，其顏色可能發生重

大的改變。

Ex：金奈米

熱學性質：在一般的化學中，一種材料的熔沸點是固定的，

但在奈米時其熔沸點卻會根據尺寸的縮小而下降 60 年代，日本物理學家久保良武發現能量不連續的特殊物理性質。奈米的研究發展持續增加。

Ex：金的塊材 m.p=1064OC，金奈米 10nm m.p= 1037 OC 2nm m.p=327 OC 最後隨著奈米技術的日異月新，IBM 工程師利用掃描

式穿隧顯微技術移動氙原子寫下 IBM 三個英文字母，這是人類首次運用儀器設備操控原子的排列，自此奈米科學又邁

向了新的里程碑。 磁學性質：可能會有超順磁性產生，可作為資料儲存的工具

Ex：磁片、磁卡等等

力學性質：如陶瓷材料；陶瓷材料在一般狀況下是比較脆

的，如果變成奈米級的材料時其孔洞和缺陷部分減少，陶瓷

材料可能增加了堅韌的特性，變得比較可塑造且耐磨，這些

性能可讓材料的應用性增加。

奈米特性

尺寸效應：奈米材料因其尺寸變小，在其聲、光、電磁、熱

方面可能會有新的特性 。 Ex：人工關節

表面積效應：奈米材料比一般塊材的總表面積大，使表面活

性增加，產生新的反應

Ex：奈米鎳的化學催化；在奈米鎳的幫助下，有機的氫加成和脫氫反應速率將提升 15 倍

量子化效應：當材料的尺寸變小，軌域間的能量有增大之趨

勢，造成吸收、螢光波長 Shift 之情形(下圖為能帶效應之圖，可解釋奈米材料性質改變之因)

 

 

奈米塗料簡介

R97223155 陳奕丞

奈米塗料的定義

奈米塗料未來發展方向 X Y Z 至少有一個方向的粒子排列在 1~100nm 之中

耐候性：一般來說奈米粒子對於紫外線有較強的吸收能力，

所以用在奈米塗料上可提

升其耐候性。像是建築的塗料或者是汽車塗料可增長其使用

之時間。

電磁性：因為現在人們已經可以操控奈米粒子的大小進而有

不同的吸收波長，由於這個特性奈米材料擁有比一般碳黑的

塗料更好的防電磁波能力，這樣可讓在 在加入了奈米級的材料後,塗料的能力有顯著的改變

Ex：自潔塗料、抗菌陶瓷 強磁場下工作的人員得到更好的防護設備。

力學能性質：如同前面所描述， 奈米塗料有機會增強力學能性質如韌性、耐磨性、耐劃傷性、硬度 奈米塗料發展現況

轎車烤漆：如利用奈米級的陶瓷維粒覆蓋在上，可有

效增加烤漆的耐刮傷能力；或者是隨角度變色性的豪華轎車

面漆皆為奈米塗料的應用。

抗菌性及自我清潔能力：

光學性質增強：像是隔熱塗料、或者利用奈米材料當作儲存

光能並放出光能的塗料； (下圖為烤漆的硬度測量，發現能力提升了)

這些塗料不但比傳統光源放光的時間要長之外，並且

可以調控不同的顏色，如此一來也可達到省電的效果。

參考資料

[1] 三羽建材股份有限公司

絕緣塗料：可達到隔絕靜電的效果 http://www.sanyeu.com.tw/

[2] 費曼先生的演講

光催化自潔塗料：如 TiO2利用光產生自由基達到殺菌之效果 http://ieeexplore.ieee.org/book/0780310853.excerpt.pdf

Ex：防污瓷磚(下圖為防汙磁磚原理，利用氧化鈦的塗料可使磁磚達到自潔之能力)

[3] 陳雅玲老師，奈米催化劑簡介

[4] 薛富盛教授，奈米科技之現況與發展

[5] 奈米新世界

http://nano.nstm.gov.tw/01conception/conception01.asp

[6] 維基百科

http://zh.wikipedia.org

http://ieeexplore.ieee.org/book/0780310853.excerpt.pdfhttp://nano.nstm.gov.tw/01conception/conception01.asp

 

 

蓮花效應

R97223145 徐嘉鴻

緣起

宋朝周敦頤先生曾經於〈愛蓮說〉寫到：「水陸草木之花，可愛者甚蕃。……吾獨愛蓮之出汙泥而不染，濯清漣而不妖，中通外直，不蔓不枝……」。這是由於蓮花縱使生長於泥土裡，從土裡生長出來時，表面仍能保持潔淨不染，因

此自古以來，蓮花在中國文人中素有花中君子之稱；而蓮花

是怎麼能做到「出淤泥而不染」的呢？

歷史

1997 年，德國波昂大學的植物學家 Wilhelm Barthlott 和 C.Neinhuis 利用高解析度電子顯微鏡觀察蓮花葉子的表面，發現了蓮花的 superhydrophobicity(超疏水性)與self-cleaning(自潔性)的關係，並針對這個特殊現象進行了一系列的實驗，因此創造了「蓮花效應」(Lotus effect)一詞，從此以後，蓮花效應就成了奈米科技最具代表性的名詞。

外表觀察

首先，我們先在 SEM 下觀看蓮葉表面結構(圖一、圖二、圖三)，我們可以看到表面有微凸的結構，而這就是造成 superhydrophobicity(超疏水性)及 self-cleaning(自潔性)的最主要原因。

(圖一)

(圖三)

定義

蓮花效應是指蓮葉表面具有 superhydrophobicity(超疏水性)及 self-cleaning(自潔性)的現象。

superhydrophobicity(超疏水性)及 self-cleaning(自潔性)

蓮葉表面有超疏水現象，也就是具有不吸水的表面，再加上水的表面張力大的緣故，使得葉面上的雨水形成水

珠形狀。水與葉面的接觸角會很容易大於 140 度，只要葉面些微傾斜，水珠就會滾離葉面，造成即使經過一場傾盆大

雨，蓮葉的表面總還是乾燥。蓮葉表面細微的奈米結構，是

促進 self-cleaning 的關鍵之ㄧ。蓮葉上水珠與葉面接觸的表

面積大約只佔總表面積的 2~3%，當葉面呈傾斜狀，滾動的水珠會吸附葉面上的灰塵或污泥顆粒，最後一同滾離葉面，

達到清潔的作用，如圖四；另一方面，在另一具有疏水的一

般表面，水珠只會以滑動方式離開，並不會一起夾帶灰塵或

污泥顆粒，因此即不會具有 self-cleaning 現象，如圖五，以上就是蓮花總是能一塵不染的原因。

圖四 圖五

圖六 圖七

蓮葉的表面在電子顯微鏡下，可觀察其表皮細胞約為 5~15微米的細微突起的表皮細胞，突起間的凹陷位置太細小，污

垢的微粒都不能進入，所以污垢物總是停留在凸起的頂部，

如圖六；而在表皮細胞上，又覆蓋著一層直徑約 1nm 的 wax crystal，如圖七，因為 wax crystal 本身即具有疏水性， 因此，當水與 wax crystal 之表面接觸時即會因表面張力而形成水珠狀，再者，葉表面之結構為微米及奈米化，使水與葉面

之接觸面積更小而接觸角更大，進而加強了疏水性、也降低

污染顆粒對葉面之附著力。

(圖二)接觸角(contact angle)

如何測定材料是疏水還是親水，一般來而言，最簡單的方式，為量測材料接觸角(contact angle)。針對水滴與材料表面的接觸角測試作為材料表面親水性及疏水性的判斷；量測

方法為將適當長寬的試樣至於顯微鏡底下，調整座台使得稜

線影像清晰，擠壓針頭使前端產生水滴並滴在試樣上(圖六)，等待一分鐘使水滴穩定後擷曲影像，利用電腦計算出水滴與試樣接觸點的切線與稜線的角度，即為水滴在試樣表

面的接觸角；一般而言，接觸角越大，代表材料的表面越疏

水，反之角度越小，材料表面的親水性越強。 圖七為親水性和疏水性的表面比較；圖八為水在親水性與疏水性表面上

形成的水珠比較。

 

 

(

參考資料 [1] http://nano.nchc.org.tw/dictionary/lotus_effect.html

[2]http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus01_c.html (圖六)

[3] http://www.basf.de/

(圖七)

(a) 水在親水性的表面上散開。(b) 水在疏水性的表面上形成水珠 (圖八)

其他

此外，自然界還有許多的奈米效應，例如：各種會爬牆的小

動物大多手、腳上都擁有奈米級的細毛。譬如：壁虎牠的手

腳上都有許多的奈米毛，而這些毛使得壁虎牠的手腳接觸面

積變大許多（一隻重九十公克的壁虎，能帶著六十公克的東

西在牆壁上移動），也可以吊掛在牆壁、天花板上！。

蓮葉上複雜的奈米與微米級結構除了有自潔的功能外，還可以防止受到細菌、病源體的感染，經過一場大雨的

洗禮，就能煥然一新。目前蓮花效應的概念主要是應用在防

污防塵上，透過人工合成的方式，將特殊的化學成分加入塗

料、建材、衣料內等等，使其具有某些程度的自潔功能，以

實現拒水防塵的目的。

 

 

光觸媒

B95203026 錢乃瑛

光觸媒的定義 反應式： TiO2+紫外光→h+(電洞)+e-(電子)

OH-＋ h+→˙OH O2＋ e-→O2-

用光能來催化反應的半導體觸媒，稱為光觸媒。

它是一種以奈米級二氧化鈦為代表，具有光催化功能之半導

體材料的總稱， 光觸媒在光的照射下，會產生類似光合作用的光催化反應，產生出氧化能力極強的氫氧自由基

（‧OH）和活性氧(O2-)，具有很強的光氧化還原功能，可氧化分解各種有機化合物和部分無機物，能破壞細菌的細胞

膜和固化 病毒的蛋白質，可殺滅細菌和分解有機污染物，把有機污染物分解成無污染的水 H2O 和二氧化碳 CO2， 因而具有極強的殺菌、除臭、防黴、防污、自潔、清除甲醛、

淨化空氣功能。

適合作為光觸媒的材料必須具有半導體特性，例如氧化鋅

（ZnO）、二氧化鈦（TiO2）、二氧化錫（SnO2）、硫化鎘（CdS）等都是，而所有材料中，又以二氧化鈦的氧化還原力較強，並具有化學性質穩定、對環境無害、材料價格低廉

等優勢。所以，目前使用的光觸媒材料大都以二氧化鈦為主。

倘若以光觸媒淨化水質，則從光化學反應中產生的氫氧自由

基，也會與水中的不純物發生反應，變成水、二氧化碳或沉

澱物。

原本令人傷腦筋的是，欲使二氧化鈦光觸媒產生反應的光

子，必須要有 3.2 ev 以上的能量，亦相當於波長 380 nm 以下的紫外線。這樣的啟動條件，讓光觸媒的應用受到了限

制，也因此，如何擴大光源利用，使波長 400～700 nm 的可見光也能激發光觸媒反應，成為科學家急欲突破的關卡。

然而，氫氧自由基具有強烈的氧化作用，易破壞細胞膜、血

管壁、蛋白質和基因，這種功能雖然可以用來抑制細菌，但

也會使人體產生老化和疾病問題，因此有人擔心，在光觸媒

反應中出現的氫氧自由基，是否會對人體造成傷害。一般而

言，光觸媒反應是在物體表面發生，而氫氧自由基釋出到空

氣中的可能性非常小，在光觸媒表面的濃度亦非常微弱，對

人體應不致於造成傷害，不過相關問題仍需進一步確認。 現在為了擴大光觸媒的應用範圍，日本已成功開發出可見光(390~780 nm)適用的光觸媒；另一方面，應用奈米科技將二氧化鈦製成奈米級顆粒，則可藉由大幅增加表面積與體積的

比例，提高光觸媒作用的效率。這些發展預期將帶動更多的

光觸媒應用。

光觸媒的功能

光觸媒的功能非常多元，可分為以下六種：

抗紫外線—抗老化

光觸媒中二氧化鈦具有強大吸收紫外線的特性，可以保護被

噴物體表面不受紫外線侵害，可以有效防止被塗物老化。

抑菌、殺菌、防黴

光照下光觸媒表面產生的氫氧自由基具有超氧化能力，可破

壞細胞膜使細胞質流失導致細菌死亡、凝固病毒的蛋白質、

抑制病毒的活性，並且捕捉、殺除空氣中的浮遊細菌，其能

力高達 99.96% 。可殺除大腸桿菌、綠膿菌、金黃色葡萄球菌等。也可分解空氣中的過敏源、減少過敏性疾病及氣喘，

亦可分解細菌，改善腳氣情形，且不傷皮膚。同時還可以防

止發霉及藻類物質的生成，及防止水垢的附著。

光觸媒原理

從化學作用來看，光觸媒是一種半導體材料，在光的照射

下，材料中的電子被打出來，並留下一個具有強大氧化能力

的電洞，這些電子與電洞在化學上稱為「電子電洞對」。

當電子與空氣中的氧分子（O2）相遇時，即生成反應性很強的活性氧分子（˙O2-）﹔當電洞與空氣中的水氣（H2O）相遇時，會透過光化學反應搶奪水中氫氧基的電子，此時，失

去電子的氫氧基立刻變成不安定的氫氧自由基（˙OH）。一旦不安定的氫氧自由基遇到外來的、附在物體表面上的有機

物時，又會藉由搶奪對方電子的方式使自己趨於穩定。如此

一來，有機物即被氧化，變成水和二氧化碳，消散在空氣中。

除臭

空氣中臭味主要是由空氣中有機物氣體產生。由於光觸媒表

面產生的氫氧自由基，它能破壞有機氣體分子的能量鍵，使

有機氣體成為單一的氣體分子，因而分解空氣中的有機物氣

體，故可除去空氣中的臭味。二氧化鈦 TIO2 比臭氧負離子有更強的氧化能力；比活性碳有更強的吸附力，亦具有活

性碳所沒有的分解功效（分解細菌）。根據歐 美國家權威

 

 

實驗機構測試，每一平方公分的 TIO2 與每一平方公分的高效能纖維活 性碳比較， TIO2 的脫臭能力為高效能纖維活性碳的 150 倍，相當於 500 個活性碳冰 箱除臭劑。

空氣淨化

光觸媒能有效地分解大氣中的有機污染物，氧化去除大氣中

的氮氧化物、硫化物及各類臭氣等。也能淨化室內甲醛、苯

系物、氨、一氧化碳、煙味、NOX、SO2 等有害氣體。因 TIO2 所產生的氫氧自由基會先行破壞有機氣體分子的能量鍵，使

有機氣體成為單一的氣體分子，加快有機物質、氣體的分

解，將空氣中的 甲醛、苯等各種有機物、氮氧化物、硫氧化物以及氨等氧化，成為無害物質。

自潔功能

污垢是由有機物和無機物構成，有機物不易溶於水，時間一

長形成污垢，表面變髒。在表面噴塗一層抗污自潔型光觸

媒，由於其強大的氧化作用，光照下可以把吸附在二氧化鈦

表面的有機氧化成二氧化碳和水，剩餘的無機物很容易被雨

水沖走，達到良好的自潔。

親水性

適當的光照表現出超親水性，這個特點可以用於玻璃防霧 如果磁磚鋁板大理石外牆與玻璃幕牆大樓施塗抗污自潔型

光觸媒，可以在飾材表面形成一層水膜，可以降低大樓外牆

溫度，減少城市熱島效應。 ＊熱島效應：都市地區的等溫線排列，由都市中心向四周鄉

村遞減，很像一個海島的地形圖。因此稱都市中心較熱的地

方為「熱島」。

這種效應造成降水量增加、空氣污濁、能見度惡劣、冬季多

霧的天氣，甚至工業區下風處會降有害的酸雨。城市熱島效

應在冬季最為明顯，夜間也比白天明顯。

如何分辨光觸媒的真偽：

分辨「奈米光觸媒」真偽逢甲大學提出醫學檢測證明。

「奈米光觸媒」自從被用在總統府的消毒後，成為熱門的話

題，但實際的殺菌滅毒效果卻眾說紛紜。究竟什麼是「光觸

媒」？什麼又是「奈米光觸媒」？市售「奈米光觸媒」的真

偽如何分辨？「奈米光媒」如何殺菌？「奈米光觸媒」能殺

死 SARS 病毒嗎？「奈米光觸媒」對人體安全嗎？一般民眾實在無從得知。

逢甲大學於 6 月 5 日舉行「奈米光觸媒殺菌新技術」的記者說明會，由該校奈米科技研究中心主任蔡宜壽教授一一解答

上述問題，並提出醫學檢驗報告的證明照片，而且當場操作

實驗，示範了分辨「奈米光觸媒」真偽的幾種訣竅。

蔡宜壽教授表示，奈米光觸媒可以破壞細胞的細胞膜，造成

細菌死亡；也可以凝固病毒的蛋白質，抑制病毒的活性，並

且捕捉、殺除空氣中的浮游細菌或過敏原，殺菌能力高達

99.997％，遠高於臭氧或負離子，也是漂白水的數倍以上。但是，唯有尺寸小於 20 奈米的光觸媒，才是「奈米光觸媒」，廠商若以大顆粒的「顏料級」光觸媒混充「光催化級」的光

觸媒，不但可能牟取百倍的暴利，而且殺菌作用有限。一般

消費者若要分辨真偽，最簡單的方式是觀察靜置後有無沈

澱，凡有白色粉末沈澱物，應該就是偽品。但若容器不透明，

消費者也可以甲基藍(下圖)溶液檢驗其變色反應，或試驗其臭防黴的實際效果。最精確的方法，則是委託專業研究機

構，例如逢甲大學的奈米中心，以電子顯微鏡或檢測儀器，

實際測量其分子粒徑或表面積的大小。

甲基藍

逢甲大學奈米中心研發自製的「奈米光觸媒」噴劑，經過中

國醫藥學院的檢測實驗證明，具有非常顯著的殺菌效果，遠

高於市售的光觸媒消毒劑或一般的噴霧消毒劑。最近 SARS疫情讓大家「人口一罩」，蔡宜壽教授表示，口罩僅是消極

地避免病毒由口鼻侵入人體，並無法殺死病毒。但冠狀病毒

一旦接觸到光觸媒表面，在光線照線下，則會「碎屍萬段」。

目前普遍使用的漂白水消毒，固然可以殺死病毒，但是味道

刺鼻。光觸媒的氧化力則是漂白水的數倍，並且對人體毫無

妨礙，長期使用也無補充原料的問題。

蔡宜壽教授舉出日本厚生勞動省的相關法規為證，光觸媒對

人體無害，屬於食品添加劑，甚至可以用於人體，治療特應

性皮膚炎。奈米光觸媒目前只能用於紫外線，未來若能進一

步用於可見光，將更能成為日常除污、防霉、脫臭、抗菌、

淨化的的好幫手。

文獻出處

[1] 《科學發展》2004 年 1 月，373 期，38～43 頁(pdf檔)

[2] http://nano.nstm.gov.tw/03application/application02_06.asp

[3] http://coolpa.blogspot.com/2009/03/blog-post.html

[4]http://tw.myblog.yahoo.com/coolpa58/article?mid=176&l=f&fid=11

[5]http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1105041808908

http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2004_6/38-43.pdfhttp://nano.nstm.gov.tw/03application/application02_06.asphttp://coolpa.blogspot.com/2009/03/blog-post.htmlhttp://tw.myblog.yahoo.com/coolpa58/article?mid=176&l=f&fid=11http://tw.myblog.yahoo.com/coolpa58/article?mid=176&l=f&fid=11http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1105041808908http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1105041808908

 

奈米塗料之應用

B95203006 黃子瑄

黏土奈米複合防蝕塗料

奈米黏土由鋁鎂矽酸鹽層層堆積而成。其粒徑約在

1μm 左右，而每一顆約可能有數百或是上千層所堆積不等，平均是有 850 層。而一層一層間的距離(即 d spacing)約 6~17Å。市面上多用陽離子交換型的奈米黏土，其一層層間有金屬陽離子，多半為 Na、Li、Ca、K 等，他們是可互相置換的其結構如下圖一。

圖三 添加奈米黏土後使的氣體穿透率下降

抗菌功能

奈米塗料具有抗菌的能力，前面有提到 TiO2光觸媒因其強大的氧化能力，故有殺菌能力。另外，奈米銀也

具有殺菌能力。奈米銀在低濃度下就能消滅 650 多種細菌、病毒之病原體，包含了綠膿桿菌、沙門桿菌、

金黃色葡萄球菌及大腸桿菌等等，研究尚有 99.99%的效果。一般認為因銀奈米使的生物之 DNA 不能再複製所需的蛋白質。而銀離子因為攜帶正電，所以會

吸引蛋白質上的氨基酸，兩者結合後會使蛋白質失去

正常功能。更好的是，人體對銀奈米過敏的機率很

低，且不會對人體之免疫系統有所傷害，所以是良好

的抗菌劑。故在製作衣服的時候，我們將衣服纖維浸

泡在奈米銀之溶液中，即可以做出奈米衣服。

圖一 奈米黏土之晶體結構

以往業界多使用聚苯胺多被用來製備金屬的防蝕材

料。現在則可以利用奈米分散技術(Nano-Dispersion Technology)將無機之奈米黏土分布於有機塗料中，製成奈米複合塗料。奈米黏土可以增加高分子塗料之阻

氣特性，因此增加了氧氣、水氣穿透高分子的時間，

故減慢了金屬氧化的速率。因此提升高分子塗料之防

腐功能。而此種奈米塗料的性質，會因每種塗料之奈

米黏塗的分布不同，而表現出不同的防蝕能力。在一

般非奈米級的黏土因為無法均勻的分布在高分子塗

料中，且高分子與無機黏土的作用力弱，所以其抗腐

蝕之能力有限。(見下圖二、三)

下圖四我們可以看到把銀奈米加入大腸桿菌之中

後，大腸桿菌的細胞壁會產生孔洞，使的大腸桿菌之

透過度大幅提升，最後將導致細胞死亡。

圖二 原路徑為非奈米黏土時的，可以看到其比加了奈米黏土後的路徑短。

 

 

圖四 銀奈米加入大腸桿菌之中 (a)原本的大腸桿菌 (b)四個小時候的大腸桿菌

自潔功能

利用奈米塗料的自潔功能，我們可以做出奈米衛浴設備，如

奈米馬桶。有兩種不同的機制可以做出奈米馬桶。一是利用

蓮葉效應，在馬桶上塗以疏水性的奈米塗料，如此一來，馬

桶表面即有低汙染之性質，再加上其疏水，故我們可以單單

利用沖水以水來帶走表面汙垢，維持其乾淨。另一種是利用

塗上陶瓷釉層粉，使的在經高溫燒製後，其表面變得光滑，

到奈米級的程度(小於 20nm)。而一般汙染物多大於 100nm，為幾個 μm，因此汙垢不會卡在馬桶上，因此可以輕易用水沖掉。如果再於塗料中，加入奈米銀，如此一來就可以做出

既防汙，又抗菌之奈米衛浴設備。

特殊的光學性質

其具有別於一般物質的吸收電磁波的特性，例如奈米

銀膜，可以使表面之紅外線放射降低，使紅外線偵測

器判斷困難 。如下圖五，背景為 58℃，紅外線偵測儀測得 54℃，塗有奈米銀的部分測得 20℃。

圖五 紅外線偵測熱源

這種性質使的奈米塗料可以應用在軍事武器上，像是

B-2 隱形轟炸機之表面(如下圖六)，利用黑色的奈米塗料，因其為一種吸收波的材料，故在雷達所發射的

波照射之後，其會將之吸收，不再反射回去。一些奈

米金屬、或是其氧化物如 ZnO，即隱形奈米塗料的一種。因其會遮蔽紫外光，所以可以是飛機在雷達上看

不到。

圖六 B-2 隱形飛機

奈米塗料運用於核生化之防護

利用前文所提及之奈米黏土，軍服可以具有具遠紅外線輻

射，因此可以促進血液循環，具有抗紫外線即熱老化、且具

保暖功用之衣料。並且也使的軍服更加耐磨、有彈性。而其

他不同種類之奈米塗料的應用，則可以使軍服防水、防油、

抗污、抗菌，更可以抗高輻射線，如紫外線及電磁波，並且

不失其舒適度與柔軟度，使的其在野戰上發揮極大的功用。

(見下圖七)

圖七 超輕奈米軍服

奈米材料的反思

奈米材料雖然可以帶給人類許多好處，但其危險性科學家依

然不十分清楚。奈米材料因其體積小，故可能進入人體之血

液循環，進入生命組織中，對人體造成危害。另一方面，科

學家發現，奈米微粒會累積在實驗用動物的肺裡，可能被細

胞吸收，或是吸附在細菌上因此進入了血液循環，大部分老

鼠於 四個小時內死亡，不過當粒徑大於 130nm 後，此物質的毒性就明顯降低。而且因其強大的催化能力，使的可能造

成他不可控制，也容易被拿來作為生化武器等等。而奈米材

微粒也可能成為新一代之生物不可分解之廢物。

參考文獻

[1] 周更生,李賢學,高振裕,盧育杰, 科學發展 2006 年12 月，408 期 [2] 劉逸群,奈米科技在核生化防護上之運用 [3] 區祖珮 陳澄河, 合成溫度對導電性聚苯胺(PANDB)/黏土奈米複合材料之製備與性質之影響 [4] 中原大學奈米科技中心, 導電高分子聚苯胺/黏土

 

 

 

奈米複合防蝕塗料 [5] Nanoscience 奈米科學網 http://nano.nchc.org.tw/aboutnano.php [6] 張煥宗,奈米生物實驗室 http://www.ch.ntu.edu.tw/~htchang/index.htm [7] 三羽建材股份有限公司 http://www.sanyeu.com.tw/ [8] 黃肇瑞教授,奈米材料簡介http://www.nanoedu.ndhu.edu.tw/93forum/93100601.pdf [9] http://www.arl.mil/wmrd/Tech/NanoMat.pdf [10] 奈米新世界http://nano.nstm.gov.tw/03application/application02_07.asp

http://nano.nchc.org.tw/aboutnano.phphttp://www.ch.ntu.edu.tw/%7Ehtchang/index.htmhttp://www.sanyeu.com.tw/http://www.nanoedu.ndhu.edu.tw/93forum/93100601.pdfhttp://www.nanoedu.ndhu.edu.tw/93forum/93100601.pdfhttp://www.arl.mil/wmrd/Tech/NanoMat.pdfhttp://nano.nstm.gov.tw/03application/application02_07.asphttp://nano.nstm.gov.tw/03application/application02_07.asp

 

 

自我組裝的應用

B95203021 黃銘浩

Self-assembly 或許不是一個令人很熟悉的字眼，不過卻是每的人每天每發每秒都在發生的反應，諸如水分子的結

晶、肥皂泡的排列、DNA 的構型等等，簡單來說，就是相同構造的物質會以某些特定規矩聚集或排列的法則，這或許

也說明了為什麼人們不能離群索居，或許我們在天生構造上

被設定了某些機制，於是造就了我們這樣的行為!

大自然是很奧妙的，當我們正汲汲營營的去追求縮小物

質的尺寸，為了將目標往更小的尺寸推進時，上帝卻已悄悄

地將答案寫好，等著人們去挖掘。1959 年, 著名物理學家, 諾貝爾獎得主費曼 R. Feynman 曾說：「如果有一天我們能把百科全書全儲存在一根針大小的空間內, 並能移動原子, 那麼這將會給科學帶來什麼樣的變化？」為什麼會有變化?有什麼變化? 人類為何要變大？變小？或許人類想變大比較容易了解一些，形體代表力量，力量越大越能做更多事情，

相較之下，變小的好處比較難理解，曾經有一個故事叫《格

列佛遊記》格列佛遊歷了四個國家，作者是 Jonathan Fwifg（1667-1745）。格列佛在小人國是巨人、在大人國變成小人，他在大人國做的事讓所有大人國的工匠嘆為觀止─他拿大人國國王的鬍渣做梳子。這段故事對我來說是很重要的啟

示跟佐證：所有的童話裡面都曾想到，如果人的形體變小，

就可以做一些常人做不到的事。所以在很早以前就有一些人

想到，人如果變大或變小，就可以做一些超越人體極限的

事，《格列佛遊記》也許不是個很好的例子，因為他本身並

沒有改變大小，而是他周遭的人事變了，變大的慾望很容易

解釋，像我們在工業革命之後能用機械生產，不管是火車頭

還是大型機械，都是人類變大的渴望慢慢轉化成科技的發

展，可是如果變小了卻可以達到一樣的效能，何樂而不為呢?變小的想法在大概兩百年後被人們提及，在這此技術底下還

有一個極度小的世界!然後費漫又丟出了另一個炸彈，他提供＄1,000 給首先把書上一頁長寬都縮為 1/25,000，寫成電子顯微鏡可以看到的樣子的人。然後提供另外＄1,000 給首先造出工作電動馬達的人。一個旋轉電動馬達，可以由馬達

外面控制，而且不計算連進馬達的線，為 1/64 英吋邊長的立方體。天啊!這真是太容易了，也需我該抽一些我的血，

然後讓他看看裡面的細胞是怎麼運作的，順便分析一下裡面

DNA 的排序，我就可以賺到兩千美元! 回歸正題，生物體中有太多物質具有奈米層級大小及奈

米級功能，如自我辨認（self-recognition）、自我組裝（self-assembly）以及自我複製（self-replication）等。而我們今天要討論的就是自我組裝（self-assembly） 經過這些年的研究，self-assembly 已經發展出了一些成果，例如:Nanorod 、nanotube 、nanowire、 nanocapsule、nanoswitch 等等，我在其中挑了兩個有趣的應用，其中一個分子有是由 Dr. Chad A. Mirkin 的研究團隊合出來的，這位教授非常有趣，他曾經在三角板上 coating 上一層他想要的分子，然後讓他們在水面上自由漂動，在會有什麼樣的結

果，然後神奇的事情就發生了，一塊塊的三角板在水面上慢

慢地移動著，規律地朝著某一方向排列移動著，像是訓練有

素的士兵，像這樣由大的物體觀察小分子運動的實驗在以前

是前所未聞，非常地新鮮有趣!

我們要討論的應用是 nanorod 怎麼在 Kinetically Controlled 的情況下做出不同造型的分子，首先，我們的nanorods 是由 gold (Au) and polypyr-role (Ppy)所組成，依照其不同的比例混合，也會有不一樣的性質喔!如過讓它自己 self-assembly 並且完全不做任何控制的話，他就會形成類似微胞(micelle)的構造

然後，如果我們再要長出 nanorod 的模板上作出一些刻印(十字型、長條型、鋸齒狀等等)，他就會長出很多不一樣的形狀!

http://tw.wrs.yahoo.com/_ylt=A3eg8qsFlNJJyVQBshB21gt./SIG=121mm2nn6/EXP=1238623621/**http:/www.elftrance.com/Downloads/MC-DNA.jpg�

 

 

以下是合成方式:

因為它應用的方法很簡單，只需要做好 lithographic pattern，然後讓 nanorods 自己在上面長即可，並跳脫古早是用電化學或其他化學方法控制分子的形狀，對分子自組裝而

言算是一個很的地躍進!

另外一個分子是由 Jung-Keun Kim, Eunji Lee, Yong-beom Lim, and Myongsoo Lee 這幾個教授的研究團隊合成出來的，也是 nanorod 的 self-assembly，可是這次的分子組裝起來就成為了一個多孔洞的膠囊(nanocapsule)，同樣也是用溫度控制就行了，加熱-孔洞就放大；冷卻-孔洞就縮小，而且，這樣的反應可以重複好幾百遍，這個分子可以應用在醫療科

技上，我們可以將藥物放置在這種分子中以延長它釋放藥物

的時間，達到更好的醫療效果!

這是它在室溫下的 TEM 圖:

以下是他所用的分子和所照出來的 TEM 圖

 

 

Self-assembly 還有很大的發展空間，我相信，如果投入研究的話，對於奈米科技及材料化學的發展都會有很大的收穫，

並且一定會讓我們的生活有很大的改變!

參考文獻:

Kinetically Controlled, Shape-Directed Assembly of Nanorods

Jacob W. Ciszek, Ling Huang, Yuhuang Wang, and Chad A. Mirkin* small 2008, 4, No. 2, 206 – 210

然後因為分子有苯環共振，因此我們可以在螢光顯微鏡

下看他的構造!

 

 

Nanoreactors B95203003 林峻玄

Introduction[1] 當一個環化的反應進行時，兩個客體分子在主體分子內被控制在一個固定的位向，利用 cucurbituril 的衍生物cucurbit[6]uril 即可達到此目的(圖 2)，此分子由於內部的空間夠大，可容納脂肪族及五圓環之芳香族化合物，因此可在

裡面進行一 1,3-偶極環化反應(1,3-dipolar cycloaddition)(圖3)，在未催化的情況下會產生等量的 6a 及 6b 兩種混和物，但若加入催化量的 cucurbit[6]uril，速率即可增加 55000 倍，且在位向選擇上，只有 1,4-雙取代的產物(即 6a)產生。[3]

在大自然裡，化學的變化是發生在一個被限制的環境

(confined environment)中，且是環環相扣的，即使得某一步的產物就是下一個反應的受體或是催化劑，這樣成雙成對的

反應(coupling of reactions)可以提高作合成的效率，是現在許多化學家熱衷研究的領域之一。

大自然就是利用一個完好架構(well-defined)的反應環境來完成並控制如此成雙成對的反應，而這種環境可從奈米

尺寸如酵素之類相對的簡單的系統，到微米尺寸即更複雜的

組成，如細胞。而對於一個合成的化學家，要完成如此一個

成雙成對的反應，首要的目的就是要去設計並建構一個限制

的環境，即反應會在此環境中進行，也就是所謂的反應器

(reactor)。

Covalent system Nanoreactors[1]

在大自然最有效率的催化劑就是酵素，其超高的效率及

選擇性一直都是化學家極力想達到的目標。因此，模仿酵素

的架構在設計人工的超分子催化系統上即為一關鍵點。為了

達到有效率的模仿酵素，設計分子的重點就是擺在此分子可

擁有一鍵結空位(binding cavity)，使得受體可選擇性的去辨認並且鍵結上去。

圖 2 Cucurbit[6]uril。[1]

其中最具代表性的例子即為Breslow利用β-cyclodextrin及 imidazole 所設計的仿核糖核酸酶 A(Ribonuclease A)分子(圖 1)，[2]可應用在 cyclic phosphodiester 的水解上，其速率比在無催化劑的情況下單純的用 NaOH 來進行水解快了有120 倍，且選擇性為 99%以上為 3a。

圖 3 1,3-dipolar cycloaddition。[1]

Sanders 其研究團隊則是第一個合成出環狀且中心含有Zn 的紫質(porphyrin)(圖 5)，[4]並以此分子作為主體分子，當客體分子能配位至 Zn，其分子的位向即能確定住。藉由調控此紫質環大小，便能控制客體分子在裡面反應的位向，

如用的是 7a，則進行如圖 4 之 Diels-Alder reacion 時，則只會產生 exo-位向的產物，若是用 7b 進行反應，則產物皆為endo-位向，而這都是由於在反應進行之前，兩個客體分子先配位至 Zn 金屬上的位向而決定的結果。

圖 1 Breslow 所設計之仿 RNase A 分子。[1]

上述的例子為僅針對受體之單一鍵結的轉換，現在已發

展出了可以使得兩個甚至更多受體同時進行反應，在這種情

況，結合區域(binding site)被設計為一個可使客體分子(guest molecules) 封近一隔離周遭環境的反應腔室內，而此周遭環境通常即為溶劑。因此在設計主體分子(host molecules)時就要特別的注意到它的幾何限制以及伴隨而來的產物的立體

及位向選擇。 圖 4 利用 7a 及 7b 進行位向選擇的 Diels-Alder 反應。[1]

 

 

由此分子所組成的膠囊系統，共含有 12 個氫鍵(圖 9)，且客體分子進入此膠囊系統是一個傾向增加 entropy 的過程，這與以往主客化學的觀察－大部分的結合都是 entropy unfavorable 的過程，是由 enthalpy 來主導的，有著相當大的差異，舉例來說，當此膠囊裡面放入金剛烷(adamantane)或著二茂鐵(ferrocene)時，會有兩分子的溶劑從膠囊中被釋放出來，因此是一個增加 entropy 的反應。

圖 5 中央為 Zn 之環狀 porphyrin。[1]

圖 9 分子壘球。[1] 到目前為止所介紹的主體分子系統皆為由共價鍵所形成的，而它們廣泛的催化能力及選擇性也已經被許多團隊所

證明。但若想要完成一更加複雜的目標產物時，設計一個以

供價鍵所組成之膠囊狀(capsule-shaped)的催化系統，會因為合成上的繁瑣使得困難度提昇，而且較為複雜的共價鍵系統

的所能展現出的催化效果較沒那麼多樣，通常都具有高度特

異性，因此實用性並不算太高，因此近幾年的策略由一般的

共價鍵分子轉為利用許多個小分子進行非共價的結合，也就

是進行所謂的自組裝(self-assemble)，大部分的自組裝膠囊都是藉由氫鍵或由配位基與金屬所組成的，氫鍵的作用有高

度的方向性且特異性高，而配位基與金屬鍵的作用通常鍵結

能力較強。下面就來介紹幾個以非共價鍵結合的奈米反應

器。

而此分子亦可應用於 Diels-alder 反應上，如p-benzoquinone 及 cyclohexadiene，若將此反應於p-xylene-d10中反應，在有此膠囊的情況下，其反應速率為無膠囊的 200 倍(圖 10)。[7]

圖 10 Diels-Alder reaction accelerated by reactor 。[1]

Conclusions Noncovalent System Nanoreactors[1]

奈米尺寸的容器不論在有機合成上，或是當做運送分子

的工具，甚至是作為量子電子零件上都有很大的發展前途，

雖然要達到有如大自然那樣完美複雜的系統還有很長的一

段路要走，但相信總有一天能成功，將整個基礎的化學合成

及工業製程邁向一個新的領域。

Rebek 團隊算是在這領域帶頭的，他們已經發明了許多藉由氫鍵自我組裝而成的膠囊系統，首先發展出來的是被稱

為”網球”的系統，是由兩個 bis-glycoluril(圖 6)所組成的。此分子進行自我組裝最主要的力量為分子本身具有的曲率及

分別由 N－H 和 C=O 產生的八個氫鍵，組合起來的樣子為圖 7，其內部空間體積大約為 50Å3，僅能容納甲烷或著一些惰性氣體等簡單的分子。[5]

References:

[1] J. M. Nolte, Chem. Rev. 2005, 105, 1445.

[2] Breslow, R.; Schmuck, C. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 6601.

[3] Mock, W. L.; Irra, T. A.; Wepsiec, J. P.; Manimaran, T. L. J. Org. Chem. 1983, 48, 3619.

[4] Walter, C. J.; Anderson, H. L.; Sanders, J. K. M. J. Chem. Soc.,Chem. Commun. 1993, 458. 圖 6 bis-glycoluril。

[1] 圖 7 自組裝而成的膠囊。[1]

[5] Branda, N.; Wyler, R.; Rebek, J., Jr. Science 1994, 263, 1267.

而另一種一樣是經由自組裝而形成的比較大的膠囊，稱

為”分子壘球”的系統，由 Rebek 團隊於 1996 年發表了出來，是由七個環將 glycoluril 連接在一起 (圖 8)。[6]

[6] Kang, J.; Rebek, J., Jr. Nature 1996, 382, 239.

[7] Kang, J.; Rebek, J., Jr. Nature 1997, 385, 50.

圖 8 組合成 molecular softball 之單體。[1]

 

 

奈米碳球

B95203031 魏緯齊

奈米碳球簡介：

不論是石墨、碳管或碳球，都是由純碳所組成，只是其構造形狀不同而已。其中，奈米碳球為由多層石墨層以球中

球的結構所組成的多面體碳簇，粒徑大小約為 1~100 奈米，其中最為人知的 C60，粒徑只有 0.7 奈米而已；內部常保持中空或填充一些金屬。

而奈米碳球有何特殊之處呢?由於奈米碳球外部的類石墨結構，使其具有熱傳導性、導電性、強度佳及化學性穩定

等優點。也因此提供了一個穩定的外層環境，使得內部的金

屬粒子部會在聚集或是受到環境氧化，而能夠保持好其獨特

的結構和特性。而奈米碳球也會因為其內部填入的金屬不

同，而有不同的效果。此外純碳所組成的外形，會隨著碳數

的多寡而使的碳球有著不同的大小與形狀，而具有更多樣性

的變化，而能因應不同的需求，使得其具有告應用範圍與高

價值。

數個奈米碳球組合

此外，因為奈米碳球外層的石墨結構也可進行化學改質(變化各種官能基化衍生物而控制性質)，使奈米碳球在光電、生醫領域等領域的應用極廣，相當有潛力成為未來尖端

產業的重要材料。

奈米碳球的製備：

在早期時，奈米碳球通常是在製備奈米碳管是的副產品，而

由於奈米電弧放電設備碳管與奈米碳球的表層都為石墨

層，且性質相類似，故並不易分離，產量不高且量不純，故

其用途只僅限於在電子顯微鏡下觀察結構，使的奈米碳球的

應用發展一直處於停頓狀態，直到近幾年，工研院化工所終

於找到了，以脈衝電弧法來製備奈米碳球的，不但製備量

大，且純度高達 95%：

電弧放電設備

此方法事先準備高純度的鐵粉與石墨，然後兩電極各分別以石墨棒為陰極，而另一邊的陽極則是在石墨棒中心添加

了鐵作為催化劑，然後再氬氣的環境下，通以 20 伏特的電壓，電流則控制在 80 ± 10A，然後將陽極緩緩靠近陰極，當兩電極距離足夠小時（約 1mm），會於兩極間會產生一高溫（約 4,000K）的電弧，同時將陽極的碳與鐵催化進行高溫氣化並沉積在陰極石墨棒表面，但這時產生的不僅僅只是

奈米碳球而已，伴隨一起產生的還有奈米碳管以及一些雜碎

的奈米粒子，所以此時要再進行純化的工作。首先，先以蒸

餾水回流 12 小時，在對其進行過濾與乾燥，如此，可以先除去一些石墨顆粒與不定型的碳。之後，剩餘的煙塵將其集

中起來，以硫酸及過錳酸鉀，來氧化多餘的金屬將其除去。

最後，將其送入 XRD、EDS 或拉曼光譜做鑑定。

純淨的奈米碳球 TEM 像

奈米碳球的應用：

奈米化妝品：

奈米碳球所製成的化妝品，主要在利用奈米技術製作直徑僅 130 到 600 奈米左右的奈米球，它就像一個膠囊，可以填入保養品的成分。而由於奈米球的結構非常微小，所以能

夠很快的滲透進入皮膚內層，而此時將奈米碳球的外殼的石

墨層保裹上一層脂質，使其接觸到皮膚時，皮膚本身的會將

 

 

日本的科學家認為 C60奈米球是一種很好的分子球狀軸承。他們發現一片石墨和另外一片石墨若以單一層的 C60 分子隔開，其間滑動的平均摩擦力小到乎可以忽略.，但同時，他們也發現這些碳球所提供的不是單純的一種潤滑型式。

奈米碳球的表皮結構分解，而釋放出裡面的保養品成分，讓

該保養品能在體內發生效用，使化妝品的保養不再只是做單

純的表面工作。

L’Oreal早在1970年代就已經注意到微脂體的作用，她和法國的國家科學研究中心)合作，開發了一種非常微小、可以引導保養品成分到皮膚正確位置的容器外殼，像

L’Oreal 公司的 Plenitude 系列和 Lancee 公司的 Promordiale Intense與Hydra Zen Serum產品等都屬於這類奈米化妝品。

C60在一個石墨的表面的滾動中, 對其分子上和石墨分子上的六碳環間的排列方向非常敏感，因此會造成一種和方

向有關的運動，而認為 C60碳球可能是一種絕佳的潤滑劑。

因此，在兩層石墨中間夾著一層 C60的系統，對實現奈米和微積電的理想，將具有非常大的潛力, 而且可能打開分子軸承的一個新技術領域。像是在矽晶架構的微機電系統, 可藉由在其表面先圖上一層石墨, 然後在加入 C60潤滑劑來作為潤滑。

半導體性質：

使用會接受或是貢獻電子的原子來摻雜入一種材料，以致於能夠改變此材料的電子性質，在半導體的電子學上扮演

一個極其關鍵的角色。而美國柏克萊大學的科學家就研發出

了一種新方法：用鉀原子來 ”摻入” 一個碳 60 分子中，這各行為類似於板到體之中的 n 形摻雜。使用會接受或是貢獻電子的原子來摻雜入一種材料，以致於能夠改變此材料的電

子性質，在半導體的電子學上扮演一個極其關鍵的角色。而

柏克萊的研究人員們則將這種概念應用到奈米球上面。

柏克萊大學的研究團隊使用了一台穿隧式掃描顯微鏡，將一個碳 60 的奈米球拖曳到一個含有鉀原子的銀金屬表面上(如下圖)。而他們可以讓任意數目的鉀原子來附著於一個碳 60 的分子上面。其中每一個鉀原子會貢獻出一個確切數量的電子到這個分子上面，因此使得這個新型成的鉀原

子─奈米球複合體中的電子結構可以被控制。除外，這各過程可以簡單地藉由其他粒子(如氧原子)將這個結構表面上移開鉀原子，來逆轉其反應。

高溫超導：

奈米碳球本身不但是一個具導電性，好的熱傳導性，強度佳而且又穩定的一個分子 ，當初剛發現，就發現他在 18K時具有超導性，當在裡面添加一些鉀後，將超導溫度提升到

了 33K，但是，當有辦法製備高純度的 C60 時，超導溫度更進一步的飆到了 52K，這已經是目前已知最高的超導溫度，這是由於研究人員在純 C60材料上放置了一個場效應電晶管，通過控制電流，電子在電晶管的作用下被從 C60材料中移出，效果相當于往材料中注入帶正電的自由“電洞”。當這些電洞移動時，就能產生電流。因此，有了電洞的 C60就具有了較高的超導溫度。而一些相關的研究也發現，若能夠加

入一些雜質，也許有望將超導溫度提到更高的 100K。

參考資料： 將一個碳 60 的奈米球拖曳到一個含有鉀原子的銀金屬表面上 [1] Y. Saito, "Nanoparticles and filled nanocapsules," Carbon,

33[7] (1995). 抑菌：

[2] T.W. Ebbesen, "Nanotubes, nanoparticles, and aspects of fullerene related carbons," J. Phys. Chem. Solids, 58[11], (1997).

美國萊斯大學和喬治亞理工學院的研究人員最近發現，若在土壤中添加碳 60，在特定的條件下,這種分子 會抑制土壤細菌的成長及呼吸作用效率。 [3] J.H.J. Scott and S.A. Majetich, "Morphology,structure, and

growth of nanoparticles produced ina carbon arc," Phys. Rev. B 52, (1995). 研究團隊以C60分子對兩種經常在土壤中發現的細菌進

行測試,它們分別為枯草桿菌及革蘭氏陰性菌大腸桿菌，結果發現對於含菌量較少的培養基,濃度度相當低的 C60，便可抑制兩種細菌的生長。

[4] http://tainano.com/chin/nanotube%20c.htm

[5] http://airp.org.tw/iarsg/ga_doc_05.asp

[6]http://tainano.com/TNN%20Vol.%20III%20%20No.%204.htm 軸承：

http://www.nanotechweb.org/articles/news/3/3/9/1http://tainano.com/chin/nanotube%20c.htmhttp://airp.org.tw/iarsg/ga_doc_05.asphttp://tainano.com/TNN%20Vol.%20III%20%20No.%204.htmhttp://tainano.com/TNN%20Vol.%20III%20%20No.%204.htm

 

 

二維 DNA 奈米格子為模板進行之分子自我組裝

以合成週期排列且具類似正方形排列之金奈米粒子

B95203040 林敬堯

前言 在奈米光電材料的發展上，如何控制奈米粒子的尺寸大

小一直是個吸引人的研究領域。在本篇文章中，我們將介紹

如何利用修飾過的 DNA 分子進行分子自我組裝以合成二維的奈米粒子。接著，我們以原子力顯微鏡來檢測此粒子，並

與理論推算做比較。

二維金奈米粒子之分子自我組裝

完成二維 DNA 分子模板之合成後，藉由金奈米粒子上的 T15序列，金奈米粒子可以跟此序列以金-硫鍵產生鍵結。進一步地，藉由可以 T15序列跟 A15序列鍵結，至此我們成功地完成了規律重複的二維奈米結構。（圖 3）

二維 DNA 分子模板之單體

首先，嘗試合成具有四個分支手臂的 DNA 分子，本文章中準備了兩股具有互補黏性端的 DNA，兩股 DNA 可以藉由黏性端之鍵結來架構規律的正方形孔洞。另外，在其中一

股 DNA 分子上，還合成了 A15 序列，以提供將來與金奈米粒子鍵結的位置。（圖 1）

圖 3 二維金奈米粒子之示意圖

原子力顯微鏡之檢測

我們以原子力顯微鏡檢視我們合成出來的金奈米粒子，可以發現金奈米粒子具有規律地排列（圖 4a）。將圖再放大之後可以更清楚地看見原子之排列，在平面上很整齊

地排列（圖 4b），此外我們再模擬此金奈米粒子之三維排列（圖 4c）。

圖 1 兩條用來建構二維結構的單股 DNA 分子

二維 DNA 分子模板 (a) 將前述步驟中合成之 DNA 分子模板進行分子自我組

裝，互補的黏性端產生鍵結，例如 1 跟 1’接在一起，2 再跟2’接在一起，兩股 DNA 就接在一起了。利用此種互補關係，可以建構出二維的奈米結構，具有週期排列的正方形模板，

並且在一半的頂點上具有 A15 序列，可以跟金奈米粒子結合。（圖 2）

(b)

圖 2 二維 DNA 分子模板之示意圖

 

 

(c)

圖 4 (a)原子力顯微鏡下之金奈米粒子

(b)放大倍數下之原子力顯微鏡下的金奈米粒子

(c)金奈米粒子之三維排列

二維金奈米粒子其高度與位置之關係

藉由原子力顯微鏡，我們可以掃描二維金奈米粒子其位置與高度的關係（圖 5）。我們可以很明顯地發現，原子的高度與位置有著週期性的變化：約每 40 nm 就有一個最高峰、每 40 nm 就有一個最低峰。此結果與理論之推算很接近。

圖 5 原子的位置與高度之關係圖

結論

奈米粒子的正方形排列在建構合理的非直線多孔網狀結構上很有用，本實驗成功地利用修飾過的 DNA 分子進行

分子自我組裝以合成二維的奈米粒子，此外我們還以原子力

顯微鏡證實了此奈米粒子排列上具有很高的規律性。

參考文獻

[1] Pinto, Y.; Le, J. D.; Seeman, N. C.; Musier-Forsyth, K.; Taton, T.A.; Kiehl, R. A. Nano Lett. 2005, 5, 2399-2402.

[2] Junping Zhang; Yan Liu; Yonggang Ke; Hao Yan Nano Lett. 2006, 6, 248-251.

 

分子篩

B95203018 趙志鋼

簡介

分子篩，又稱泡沸石或沸石，早在 200 多年前，克龍施泰特是第一個把鋁矽酸鹽命名為泡沸石的科學家。其化學組成通

式為

式中 M 與 n 是金屬離子及其價數；y 是二氧化矽的分子數;w是水的分子數。此外還含有電價較低而離子半徑較大的金屬

離子和化合態的水。

分子篩是一種具有立方晶格的矽鋁酸鹽化合物，主要由矽鋁

通過氧橋連接組成空曠的骨架結構，由於水分子在加熱後連

續地失去，但晶體骨架結構不變，形成了許多大小相同的空

腔，空腔又有許多直徑相同的微孔相連，這些微小的孔道排

列整齊且孔徑均勻，其中孔徑為分子大小的數量級。能把比

孔道直徑小的分子吸附到孔穴的內部中，而把比孔道大的分

子排斥在外，因而能把形狀直徑大小不同、極性程度不同、

沸點不同或飽和程度不同的分子分離開來，而將混合物中的

分子按大小加以篩分，故稱分子篩。

分子篩吸濕能力極強，常用於氣體和液體的乾燥、純化、分

離和回收。其中，分子篩能吸附高達其自身重量 22%的水分。因此，在保存時應避免直接暴露在空氣中，存放時間較

長並且已經吸濕的分子篩在使用前應進行再生。此外分子篩

忌油和液態水，使用時應儘量避免與油及液態水接觸。

分子篩在化學工業中作為固體吸附劑，被其吸附的物質可以

再釋放，分子篩用後也可以再生，相當實用。工業生產中乾

燥處理的氣體有空氣、氫氣、氧氣、氮氣、氬氣等。用兩隻

吸附乾燥器並聯，一隻工作，同時另一隻可以進行再生處

理。相互交替工作和再生，以保證設備連續運行。乾燥器在

8-12℃下工作，在加溫至 350℃下充氣再生。但不同規格的分子篩再生溫度略有不同。

不僅如此，分子篩對某些有機氣相反應具有良好的催化作

用。從 20 世紀 60 年代開始，在石油煉製工業中用作裂化催化劑，現在已開發多種適用於不同催化過程的分子篩催化

劑。目前分子篩在冶金，化工，電子，石油化工，天然氣等

工業中廣泛使用。

分子篩的骨架結構

種類

分子篩有天然沸石和合成沸石兩種。

天然沸石大部分由火山凝灰岩和凝灰質沉積岩在海洋或湖

泊環境中發生反應而形成。目前已發現有 1000 多種沸石礦，較為重要的有 35 種，常見的有斜發沸石、絲光沸石、毛沸石和菱沸石等。主要分佈於美、日、法等國，中國也發

現有大量絲光沸石和斜發沸石礦床，日本是天然沸石開採量

最大的國家。

因天然沸石受資源限制，從 20 世紀 50 年代開始，大量採用合成沸石。見表一

表一：常用合成沸石

氣體行業常用的分子篩型號

A 型 X 型 Y 型

鉀 A(3A)

鈉 A(4A)

鈣 X(10X) 鈉 Y

鈉 X(13X) 鈣 Y

鈣 A(5A)

商品分子篩常用首碼數碼將晶體結構不同的分子篩加以分

類，如 3A 型、4A 型、5A 型分子篩。4A 型即表中 A 類，孔徑 4 Å。含 Na+的 A 型分子篩記作 Na-A，若其中 Na+被K+置換，孔徑約為 3 Å，即為 3 Å 型分子篩；如 Na-A 中有1/3 以上的 Na+被 Ca2+置換，孔徑約為 5 Å，即為 5A 型分子篩。

性質

分子篩為粉末狀晶體，有金屬光澤，硬度為 3~5，相對密度為 2~2.8，天然沸石有顏色，合成沸石為白色，不溶於水，熱穩定性和耐酸性隨著 SiO2/Al2O3 組成比的增加而提高。分子篩有很大的比表面積，達 300~1000 m2/g，內晶表面高度極化，為一類高效吸附劑，也是一類固體酸，表面有很高

的酸濃度與酸強度，能引起正碳離子型的催化反應。當組成

中的金屬離子與溶液中其他離子進行交換時，可調整孔徑，

改變其吸附性質與催化性質，從而製得不同性能的分子篩催

化劑。生產方法有水熱合成、水熱轉化和離子交換等法。

 

 

奈米級多孔洞材料 Zeolite 的特性

B95203027 許嘉中

緒論

沸石在 1756 年首先為瑞典礦冶學家 B. Cron stedt 發現，它是一種低密度軟性的礦石，由氧化矽、氧化鋁與鹼在

水汽壓力下作用所形成的結晶性矽鋁酸鹽。結構中含有大約

20％的水分，因水分會受熱而失去，溫度降低而再吸收，使得它在水中煮沸時會冒泡泡，故以希臘語”ZEO”(沸騰)和”litos”(石頭)命名稱為 Zeolite (沸石)。沸石的孔洞大小大多是在微孔洞的尺度範圍。因為具有極高的表面積，而被廣

泛的應用作為吸附劑、觸媒及觸媒載體

作為吸附劑的特性

奈米多孔性材料（zeolite）具有分子尺寸的孔洞,這些孔徑的的大小正好又與一般有機分子相當，因此具備對有機分

子的吸附性。沸石的孔徑約在 1nm 以下，而分子的最小直徑約 0.28nm 因此沸石所能吸附的就是在 0.28nm -1nm 之間的所有分子，包括有機、無機的分子不過因為每種沸石的孔

徑不一，吸附的峰值各不相同常見在水中能被吸附的像是甲

醇、氨等較小的分子都是其吸附範圍這些物質大部分都是蛋

白、活性碳的處理範圍以外的物質。

沸石結構 沸石同時具有陽離子交換功能

沸石的結構是以矽或鋁氧化物的四面體（SiO4或 AlO4）為基本單元，以氧原子連接矽、鋁的四面體而成的三度空間

骨架結構。因鋁原子為三價，呈 AlO4 四面體時，鋁帶負電荷，須仰賴陽離子來中和其電性。因此沸石的結構式可以寫

為：

沸石的另一項特色是由鋁矽酸鹽等成所組成的礦物，並

且對陽離子具有吸附性。最主要的關鍵是其成分中 AlO4 ，多了一個 O 原子，因此會帶 -1 的價數因此沸石中會有Na+,K+,Ca++等鹼金屬來抵銷使其成電中性(帶有較多 Na+的稱為鈉沸石，Ca2+稱為鈣沸石以此類推)而這些沸石中的金屬元素在水中極易被其他金屬離子所取代(見下圖) Mx/n［(AlO2)×(SiO2)y］．Z H2O

其中 n 為陽離子「M」的氧化數，常見的陽離子有鹼金、鹼土、稀土金屬、銨或氫離子。因兩個 AlO4 四面體無法直接相連，使 x≦y，即沸石的矽／鋁 原子數比必須大於或等於1。

沸石骨架結構中含有四、五、六、八、十或十二個四面體構成的環面，形成一定大小的孔洞及管道，使得加熱脫水

處理過的沸石能選擇性的吸附大小適當的分子，因此沸石又

稱為「分子篩」。孔洞及管道中的陽離子及水分子，由於具

有相當的抗動性，使得沸石有離子交換及可逆的吸水脫水特

性；同時不同大小的陽離子會使得沸石孔洞的大小、極性隨

之改變，分子篩的功用就更富變化。

在農業上的應用

Zeolite 的強力土壤水吸著能力，可防止農作物遭受旱害，另外被吸著的水，即使在-20℃也不會凍結，因此在寒害時，也能保得住農作物。

只有 Zeolite 所擁有極高的離子交換能力 [鹼置換容量]，可將水田、農地的肥料養分，確實吸著保持住不 Two type of channels

Straight channel：5.1Å × 5.5Å 會讓肥料養分流失掉。普通的水田、農地，若進行施肥，其肥料的 50~80﹪會流失，不為農作物所吸收。

Tortuous channel：5.3Å × 5.6Å

另外，Zeolite 自身所含珪酸．氧化鋁．鈣．鉀．鎂．鐵及其他微量要素， 可提高農作物的生育收益，這些 Zeolite所持有的特性，可使因輕率的連連使用化學肥料而導致老朽

化的土壤促其活性化，恢復生命力。

 

 

三、過渡狀態的選擇性：在沸石孔洞內進行催化反應時，反應中間體的形成也受到沸石孔洞尺寸的限制，太大的中間體

不易生成，以致由此種反應途徑形成的產物也隨之減少。 在海洋科技的應用

實例:Propane cracking 沸石有化學的離子交換特性及物理的吸附特性離子交換的特性通常會化除水中的Cs+,Rb+,NH4+,K+ 等而水中的Na+,Ca+等則會增加的在海水中可使用鉀沸石或鈉沸石來限制其離子交換的範圍，也是最常被使用的，對 NH4+也具有較高的交換力沸石的物理吸附性比較單純，沸石的孔徑多

在 1nm(奈米)以下，但是每一種的沸石的孔徑又不太一樣，因此每種沸石的吸附對象與吸附總量並不相同，在海水的應

用中最好是能混用多種沸石。

Step 1.

Propane absorbed at the Zeolite acid site.

做為固體酸性催化劑 Step2.

酸性來源 Transition state for propane cracking

固體酸的酸根的來源是源自在氧化物的電荷不平衡，如

下式所示，Si 是正四價而 Al 是正三價，兩種元素週圍都是四個負二價的氧，為維持整個結構電荷的平衡，在 Al 附近必需有一個正電來中和。如果此正電是 H+，則可視為Bronsted acid 即是質子的提供者(proton donor)，如果經加熱脫除水分子則轉成 Lewis acid 即是成為電子對的接受者(electron pair acceptor)，不論如何均成為一個酸基。

具有形狀選擇性

由於沸石具有規則性的孔洞，因此在催化反應中，沸石

具有形狀選擇性，它的形狀選擇性可分為

一、反應物選擇性：反應物小於沸石孔洞口的才能進入沸石

結構中進行反應。

二、產物選擇性：產物中分子的形狀及大小比沸石孔洞口小

的，才有可能跑出來成為產物；若初步反應形成的產物尺寸

太大，則必須再重組或轉化成較小的分子。

Step3.

 

 

Product of propane cracking reaction

Ref: http://www.physics.valpo.edu/facultyResearch/cond.html 固體酸催化劑的優點

(1)具高活性和選擇性(selectivity) 實例: 選擇性

(2)反應物及產物容易與固體酸分離 Title: Selective dehydration of 3b-hydroxy-5a-androstan-17-one over sulfonic acid- incorporated- (3)可以再生重覆使用

(4)處置廢固體酸比廢酸液容易。 MCM-41 mesoporous materials

(5)沸石固體酸不會腐蝕反應器和管線

Catalysis Communications 9 (2008) 2312–2315 未來發展 近年來由於反應越做越往大分子的領域前進，故 Zeolite

的微孔結構在大分子領域不敷使用，因沸石的孔徑多集中於

微孔範圍，其應用受到孔洞大小的限制，只能適用於較小的

化學品之吸附及反應，於是漸漸的有中孔洞、大孔洞的分子

被合成出來，像是 1992 年 Mobil Oil 公司在 Nature 雜誌上發表，利用帶正電的四級胺鹽介面活性劑玉帶負電的矽酸鹽

結合開發出新型的介孔洞材料-M41S、以及 MCM 系列的材料，都是新孔洞材料發展。

在這篇 Paper 中，所要做 dehydration 的反應，由於起始物有兩個 αH 的可提供，所以產生的生成物會有兩種，且分離不容易，而採用孔洞材料當作固體酸性催化劑後，不但產

率高且選擇性好，產率高的原因是因為酸性位置足夠、表面

積高且孔洞材料結構非常完整，具有高活性。而選擇性的來

源在於其孔洞材料大小剛好足夠，而且當反應分子近到孔洞

材料中的時候，雖然有兩個可供反應的 H，但是卻因為孔洞材料結構上的限制，導致只有一個在特定的 H 可以參予反應，固有其高選擇性。

Reference

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[2]http://tw.myblog.yahoo.com/jw!dRMEwtyVFRiIGCjvtGf7BCX4qiuB/article?mid=1824

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Zeolite

[4]http://www.chem.ncu.edu.tw/KaoHM/%E7%B6%B2%E9%A0%81/zeolite.htm

[5] http://www.iza-structure.org/databases/

 

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[6] M.I. Merlani, L.S. Amiranashvili, E.P. Kemertelidze, K. Papadopulos, E.Yannakopulu, Chem. Nat. Compd. 42 (2006) 313.

[7] This journal is _ The Royal Society of Chemistry 2007 Chem. Commun., 2007, 4113–4115 | 4113

[8] Catalysis Communications 9 (2008) 1272–1276

[9] Catalysis Communications 9 (2008) 2312–2315

[10] Journal of Catalysis 227 (2004) 479–49

 

奈米孔洞材料的應用

B95203035 鄭宇軒

奈米孔洞材料依孔徑大小可分為微孔洞物質、界孔洞物

質、大孔洞物質。孔徑在 2nm 以下稱為微孔洞，以沸石(Zeolite)為代表；在 2nm 到 50nm 之間稱為界孔洞，如MCM41、SBA-15；大於 50nm 稱為大孔洞，光晶材料等屬此類。奈米孔洞材料由於具有一致性的孔徑大小、相同的孔

洞形狀、可容易調整孔洞、擁有大表面積、高熱穩定性，因

此可運用於催化反應、生化分離、選擇性偵測、重金屬分離、

合成奈米碳管等許多領域的應用。 圖三

在以下的奈米孔洞材料應用中，主要是介紹孔徑較小的

沸石(Zeolite)及界孔洞分子篩在各領域的用途。光晶材料等大孔洞物質則不多做陳述。

而其中一種加入此增加選擇性的催化劑的方法，就是將

催化劑其置入 zeolite 中，而由於 zeolite 的孔洞有一定的形狀大小，不同大小的分析物，通過孔洞抵達催化劑處的速率

及數量也不同。故若將此含有氧化觸媒的 zeolite (combustion catalyst-containing zeolite)接在 sensor chip 上，則會因不同可燃物質在 zeolite 移動速率的不同，而反映出不同的訊號，進而分離出這些不同的物質。圖四所顯示的是在不同 zeolite的情況下，對分析物的選擇性也會改變。

分子篩的表面修飾

介孔洞矽因表面積大且具有規則排列的孔洞，故在環境

上及工業上都有很廣泛的應用。但實際上這些應用都需要材

料具有一些特性，如結合部位(binding site)、光化學結構、電荷密度、酸性等。所以，在此部分的應用是在介孔洞矽表

面接上官能基 thiol groups，建構一層有機層。

圖四

圖一 圖二 類固醇的分離

Thiol groups 的碳氫鏈在基材上聚集，形成最密堆積的規則排列，而 siloxane groups在水解過後，最終與基材共價結合，並與旁邊的 siloxane groups cross-linked。所形成的材料稱為 FMMS (Functionalized monolayer on mesoporous supports)，如圖一所示。若將含重金屬污染液以 FMMS 處理過後，重金屬如汞，會被 FMMS 吸附，如圖二所示。但一些如鈉、鋇、鋅等金屬吸附力則不佳，所以利用 FMMS可吸附重金屬的性質，在環境上，可以用來處理有重金屬污

染的廢液；在工業上，則可拿來分離一些重金屬。

昆蟲可以藉其體內的選擇性來分離飲食中的

β-sitosterol 和 campesterol；某些生物膜及紅血球也可以分離此兩種固醇類的物質。當然在產業上不可能是應用生物方法

來分離，所以介紹一種可有效分離固醇類的方法：Zeolite是一種有規律排列的微孔洞物質，藉由其有固定形狀的孔

洞，則可選擇性地分離大小不同的類固醇。

圖五

選擇性化學物質偵測

在現今科學研究愈來愈需要更精密的偵測，在許多化學

偵測器的研發中，儘管努力地提升其偵測的靈敏度，但總是

被 transducer 和分析物間界面材質的選擇性扯後腿。所以這裡介紹一種用於 thermal transducer 上的 zeolite-based 氧化觸媒，藉此可提升其選擇性。

詳細來說，這裡的 transducer 其實是一種微機械器材TFCM(thin-film catalytic microcalorimeter)。若加上適當催化劑，如圖三所示，花紋處元素則會因催化劑的加入，反應產

生的熱通量通過電阻，形成分析訊號的基準，而提高此元素

選擇性。在此加入的催化劑是前述的氧化觸媒(combustion catalyst)，使 TFCM 成為微小化的感熱器，一種可偵測可燃燒物質的儀器，就算物質獨特性很低，仍可有良好的選擇

性。

若詳細地來說，Zeolite 對具有極性的分子有很大的吸附能力，而固醇類(sterol)有-OH 基故有偶極存在，可被Zeolite 吸引。如圖五所示，四種不同的固醇 Cholesterol、Campesterol、β-Sitosterol、Stigmasterol 都接有不同的支鏈，Campesterol 比 Cholesterol 在 C(24)上多了一個甲基；β-Sitosterol 則多了一個乙基；圖六就是 Zeolite 接上各種固醇所構成的模型，表一則是四種固醇模型的長度及直徑。根

據表可判斷出較小的固醇會較容易通過孔洞，所以可快速被

吸附。

 

 

奈米結構材料的合成

在前述的應用中，微孔洞材料 Zeolite 佔有舉足輕重的地位，但 Zeolite 優秀的催化能力卻被其狹小的內部空間及孔洞所限制住。所以有些材料的合成就不適用 Zeolite，而需要孔徑較大的奈米孔洞材料，如接下來所介紹的介孔洞材

料 MCM-41。 圖六

MCM-41 是六角柱陣列構成的一維孔洞。其孔徑可以藉由改變介面活性劑的鏈長或藉由可拉長介面活性劑的有機

分子，大小可從 1.6nm 到 10nm。而近年來所合成的高品質MCM-41 大多在 4.5nm 以下。MCM-41 之所以可以吸引許多目光主要是因為：其在孔洞內的空間可用來當作合成其他

材料的容器或模板。圖十左就是 MCM-41 方向的 TEM 圖，可看出由六角柱構成的陣列。

從圖七的實驗圖表也可看出吸附速率由大到小(通過孔洞難易度)為 Cholesterol＞Campesterol＞β-Sitosterol＞Stigmasterol。故藉由 Zeolite 的吸附可以分離此四種固醇。

以合成鉑 Pt 為例，當 Pt 置於 MCM-41 的六角柱陣列中，會成長出 Pt nanowire，大部分的 nanowire 會沿著六角柱成長，如圖十右的細箭頭所指，也有少部分會在外表面成

長，如圖十右粗箭頭所指。

圖七

聚合物的催化合成

在生物學中，一種叫 Acetobacter xylinum 的細菌會提供纖維素合成酶，此合成酶會先生成出基本的纖維細絲，這細

絲會在細胞膜上的奈米孔洞藉著擠壓生成較大、較完整的纖

維；而一具有規則排列的催化位置的介孔洞材料，則可以模

擬此一過程，運用在合成纖維狀聚合物上。 圖十

若把 MCM-41 用 HF 溶掉後更可以清楚看出，如圖十一的 TEM 及 HREM 圖所示，所剩下單純的 Pt nanowires，其直徑大小與孔道大小一模一樣，可大略推測其形狀應該為六

角柱狀。

圖八

利用此方法(擠製法)可用來合成 30~50nm 的聚乙烯纖維。其合成機制大略如圖八所示，首先在介孔洞矽上接上一

官能基 titanocene (Cp2Ti,Cp=cyclopentadienyl ligand)：介孔洞矽擁有蜂巢狀的六角形結構，孔徑大小可控制在 15~100 Å，而此介孔洞矽會形成如圖九中的長條型六角管柱，稱為介孔洞矽纖維(mesoporous silica fiber ,MSF)；將介孔洞矽纖維接上 titanocene 形成的 MSF-Cp2Ti，在 methylalumoxane (MAO)作為副催化劑的條件下，可催化乙烯的聚合。其形成聚乙烯纖維的過程就與前述的纖維合成類似，從六角型管柱

擠壓出來。

圖十一

參考資料

[1] X. Feng, G. E. Fryxell, L.-Q. Wang, A. Y. Kim, J. Liu,*

K. M. Kemner, Science 276, 923 (1997) [2] Ken E. Yasuda, Jacobus H. Visser, Thomas Bein, Microporous and Mesoporous Materials 119 (2009) 356–359 [3] Mikhail Yu. Berezin, John M. Dzenitis, B. Mason Hughes and Sa V. Ho, Phys. Chem. Chem. Phys., 2001, 3, 2184~2189

[4] Keisuke Kageyama, Jun-ichi Tamazawa, Takuzo Aida, Science 285, 2113 (1999) [5] Zheng liu, Yasyhuri Sakamoto, Tetsu Ohsuna, Kenji Hiraga, Osamu Terasaki, Chang Hyun Ko, Hyun June Shin, and Ryong Ryoo, Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, No. 17

圖九

 

 

 

奈米級多孔材料薄膜的應用

B95501071 林珽蔚

前言

奈米多孔性材料（zeolite）具有分子尺寸的孔洞，其在實驗室中的常見用途為分子篩，利用其極小的孔洞以及矽元

素對氧的吸附力，作為水、氧氣及其他雜質的過濾器。近年

來由於奈米科技的蓬勃發展以及探測技術如掃描式電子顯

微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、穿隧式電子顯微鏡（TEM）等的快速進步，我們得以一窺這些孔洞材料的面貌，並對於其性質和應用作更進一步的探討。

近年來發現由這些孔洞材料所形成的單層膜

（monolayers）在許多方面具有發展的潛力而成為一熱門研究主題，其用途包含： 圖一

可辨識分子並將不同分子分離的分離用薄膜（separation membrane）。

於界面處可進行化學或催化反應的反應用薄膜（reaction or catalysis membrane）

雷射裝置的改良（microsystems）

光能儲存系統（light energy harvesting device）

電極的改良

圖二

等用途。其中這些多孔洞材料的薄膜在某些條件下（比如說

透過不同種類的鍵結方式）會組裝成具有整齊排列的形式，

因此我們就以此介紹一些奈米級多孔薄膜在壓電

（piezoeletric）材料及高分子材料上的一些應用。此外也有其它以孔洞材料作為探測器的一些實例，而不侷限於薄膜。

應用

其中一種奈米多孔性薄膜，其 SEM 及 X 光繞射圖如圖一所示。其乃利用氫鍵為鍵結，使其在高分子材料（如壓

克力、聚乙烯醇、聚環烷等）中組裝成薄膜（圖二）。由圖

可知，形成氫鍵的方式大致有二，即高分子上的氧原子和多

孔材料的 OH 上的氫原子形成氫鍵，或是高分子上的 OH 基和多孔材料上的 OH 基作用形成氫鍵。而圖三的左圖和右圖分別為將此多孔性薄膜附著在一般玻璃前後的情形。

圖三

圖三係以巨觀的方式觀察多孔材料薄膜鋪在玻璃上的形

貌，圖四則是鋪在玻璃後再經過超音波震動等處理後，其晶

體的圍觀形貌。我們可以用超音波震動或是用手輕微壓過而

使薄膜的組成晶體具有良好的排列、增強其與玻璃表面的吸

附能力。

  

 

 

圖四

以更實際的例子，將該多孔洞薄膜鋪在光碟或是一般眼鏡的

鏡片上，如圖五，會明顯發現上面有一層白色不透明薄膜，

而此種薄膜極具發展空間，比如說它可作為鏡片或光碟的拭

鏡紙，也就是利用薄膜與玻璃間的吸附力緊貼在鏡片上，而

移除時利用多孔材料將雜質吸附其中而帶走，如此一來就可

在不摩擦鏡片的情況下進行清潔。

圖五

第二種要介紹的多孔性薄膜，是利用多孔材料以含硫取

代基修飾而得（圖六）。我們知道硫和金具有很強的親和力，

因此我們一旦修飾硫醇於薄膜上，便可在無水環境下於金上

鍍一層多孔性材料薄膜。我們以 zeolite-A 和 ZSM-5 這兩種多孔性材料作為鍍在金表面上的實驗對象，並利用光的散射

偵測（dynamic light scattering）和 SEM 可知鍍上的膜的組成顆粒之直徑約為 100 奈米（圖七）。由實驗中也發現，當使用無水的非極性溶劑如甲苯做再結晶時，所得到的顆粒效

果差；然而若是使用無水的有機極性溶劑如 DMF（N,N-dimethylformamide），所得到的結晶顆粒大且排列整齊。

圖六

圖七

多孔性材料的一個主要任務即選擇性地將不同的物質

區分出來，因此當對材料之表面結構進行探測後，就需要進

行其吸附能力的研究。目前一常用的技術為石英晶體微天平

法（quartz crystal microbalance），係利用反壓電效應（converse piezoelectric effect），即利用改變電場時壓電材料產生形變並造成其震盪頻率的下降，而得以很準確地得知

多少重量的待測物質吸附多少於表面上，再配合待測霧之分

子量，即可知多孔材料上所吸附的待測物質之數量。以正丁

烷和異丁烷的吸附作為對照，可發現由於兩者形狀及有效大

小的不同（正丁烷為線型，而異丁烷較像球形），因此孔洞

材料上正丁烷的吸附量很明顯地比異丁烷多（圖八）。

 

 

圖八

以上正丁烷和異丁烷的吸附實驗僅提供一簡單的比

較，我們可將這種利用多孔材料附著在壓電材料的技術應用

在其他更複雜的系統中。我們可將其應用於生物探測上，比

如說在薄膜上再修飾對某些生化分子有特殊選擇性的探測

分子，如此一來就可更靈敏地檢測出待測分子的含量。且使

用此多孔性薄膜材料有另一優點：由於其本身吸附力強且吸

附量多，因此此類多孔薄膜探測器的體積相當小，也就是可

在不傷害其他細胞的情況下在身物體內進行探測。

多孔材料的另一應用為分子影像上的應用。簡圖如圖

九，將多孔材料所組成的分子通道上吸附一些分子染料，在

利用生物分子的特異性，對某些抗體之類的分子有高親和力

而附著於其上並產生螢光，由螢光強度便可知所含待測物之

含量。

圖九

此種利用多孔性材料所組成的分子通道探測，在醫學上

有著重要應用，特別是在磁共振影像（MRI）上有很高的發

展潛力。當使用對生物體有相容性的 zeolite L crystal 時，其表面可修飾具高度密集度的 Gd(III)- 或 Eu(III)-DOTA 錯合物，且其亦可以界面活性劑改良，使其聚合（aggregate）的現象降低，再次降低多孔性容器的體積，亦即可做更細微的

探測。

參考資料

[1] Zhou, M.; Liu, X.; Zhan, B.; Zhu, H., Langmuir 2008, 24, 11942-11946.

[2] Biemmi, E.; Bein, T., Langmuir 2008, 24, 11196-11202.

[3] Li, S.; Li, Z.; Bozhilov, K. N.; Vhan, Z.; Yan, J. Am. Chem. Soc 2004, 126, 10732-10737.

[4] Tsotsalas, M.; Busby, M.; Gianolio, E.; Aime, S.; Cola, L., Chem. Mater. 2008, 20, 5888-5893.

 

 

結語

B95501071 林珽蔚

以上所舉出之例子僅微奈米科技在材料中眾多應用的一小部分。由以上多樣的應用，可知奈米科技在二十一世紀人類的生活

中具有舉足輕重的地位，除了利用社些技術使人類生活水準更好之外，如何利用這些控制微觀世界的科技來探索一切萬象的

起源，更是人類未來應努力的目標。

 

 

 

[6] 維基百科http://zh.wikipedia.org