探索材料科學：納米技術｜星島教室
發佈時間：16:35 2024-09-26
在Marvel電影《蟻俠》中，主角斯科特．朗（Scott Lang）使用皮姆粒子（Pym Particles）來改變自己的大小，同時保持原有的質量和力量。雖然皮姆粒子是虛構的，但它們操控物體尺寸和質量的能力與納米技術中的一些真實目標相呼應。納米技術涉及在原子、分子和超分子層面上操控物質，用於創造新材料和設備。蟻俠的超能力啟發了對納米技術潛力的想像，這技術未來可能在醫學、電子和材料科學等領域帶來革命性變革。今天，我們將以《蟻俠》作為引入，探索材料科學的魅力，並討論納米材料如何應用於現實生活。
何謂「納米技術」？
「納米技術」是一種科學技術，涉及超級小的東西，如果一個足球是地球那麼大，那麼納米就像是一顆小小的豌豆。科學家使用納米技術來製造非常小的東西，這些小東西可用於電腦、醫藥及許多其他有用的地方。
「納米」一詞來自希臘語，意味着「矮子」；它指的是一種極其微小的尺度，即一個納米相當於十億分之一米。這個尺度大約是一根頭髮直徑的十萬分之一。在這個尺度上，物質表現出一些非常獨特的物理和化學性質，這些性質與它們在宏觀尺度上的性質截然不同。
透過納米技術，我們能夠開發出具有革命性功能和應用的新材料和裝置，從而在醫療、電子、能源等多個領域帶來深遠的影響。
《蟻俠》的納米技術
縮小
在電影《蟻俠》中，主角透過縮小技術來變得極小。雖然這種技術在現實中是不可能的，但納米技術的確能夠創建極小的結構和機械。科學家們可製造出納米級機械人，這些機械人能在細胞層面進行精確的操作，如藥物輸送和細胞修復。
此外，納米技術還允許我們精確控制材料的密度和結構，理論上可以改變它們的宏觀物理性質，例如剛度和重量。
隱形
隱形技術在《蟻俠》中也是一個吸引人的主題。在現實世界中，納米技術對實現隱形技術的貢獻，主要是透過創造超材料來控制光的行為。這些材料可被設計來彎曲和操控光線，使光線可繞過物體，從而在視覺上使物體消失。納米級的結構調整亦可以改變材料對光的折射和反射，進一步達到隱蔽的效果。
高效能電池
至於高效能電池，納米技術提供了一種方式來增強電池性能。利用如碳納米管和石墨烯等納米材料，可以顯著增加電極的表面積，從而提升電池的能量存儲能力和加快充電速度。這些材料的高導電性和化學穩定性亦有助於提高電池的整體效率和壽命。此外，納米技術還允許更精確的電池結構設計，改善電荷的流動和存儲效率，從而提升電池的性能和耐用度。
納米醫療：精確診斷與靶向治療
在醫學領域中，納米科技主要集中在精確診斷和靶向治療上。例如，利用納米粒子進行藥物遞送系統的開發，可直接將藥物運送到病變部位，最大程度減少對健康細胞的影響。這些納米載體能夠被設計為響應特定生物標記的結構，當它們與目標細胞（如癌細胞）接觸時，能釋放藥物，從而實現精確治療。
納米技術還被用於發展出新型生物感測器，這些感測器能在疾病的非常早期階段檢測到微量的疾病標誌物，從而實現早期診斷和介入。
納米電子：推動半導體產業革新
在電子產品製造過程中，納米科技可令元件尺寸得以極端縮小，從而提高集成度和計算性能。利用極紫外光（EUV）刻蝕技術，可在硅晶片上精確地製造出幾十納米大小的晶體管。這技術不僅降低晶片功耗，更大幅提升處理速度和存儲容量。這對於發展高性能的計算機和智能設備，如智能手機和穿戴設備，提供必要技術支持。
納米材料：製造更輕更節能部件
納米科技在材料科學領域的進展尤為顯著，特別是在開發具有超常物理和化學性質的新材料方面。例如，碳納米管和石墨烯因其優異的力學、熱學和電學性能，正被廣泛研究和應用於從輕質高強度的運動器材到先進電子產品。碳納米管具有非常高的強度和極低的密度，使其在航空航天和汽車工業中，用於製造更輕、更節能的結構部件。
環保能源︰高效能量存儲減污染
納米技術在環境保護和能源領域的應用同樣重要。能源方面，納米材料被用於提升太陽能電池的光電轉換效率，以及開發更高效的能量存儲系統，例如更高容量的電池。
此外，納米催化劑在處理工業排放和污水處理中顯示出卓越的效能，能有效分解有毒化學物質，減少環境污染。
在上述探討中，我們從Marvel電影《蟻俠》中的虛構科技出發，深入了解納米技術在當代科學中的實際應用和潛力。雖然電影中的納米技術帶有明顯的科幻色彩，但現實中的納米科學已在多個領域展現出極大的潛力和影響力。從醫療、電子產品到環保，納米技術都在為我們的生活帶來革命性的變化。
隨着研究的進一步深入和技術的不斷發展，納米技術將繼續在全球範圍內推動科技革命，為人類帶來更多驚喜和便利。從《蟻俠》到實際的科學應用，納米技術的旅程才剛剛開始，未來它將如何改變我們的世界，仍充滿無限的期待與可能。
小思考，大智慧
在日常生活中，有哪些例子與納米技術有關？
參考答案
納米塗層，例子包括︰
- 清潔玻璃窗︰在玻璃表面塗上納米塗層，可以阻擋污垢，保持窗戶潔淨。
- 防指紋手機螢幕︰納米塗層可以減少手機螢幕上的指紋痕跡。
- 納米纖維織物︰在紡織品上塗上疏水性納米纖維，可以讓衣服具有很強的防水和抗污性。
- 抗菌牀品︰在牀單等紡織品中加入銀納米粒子，可以抑制細菌的生長。
- 納米化妝品（防曬霜）︰使用納米技術作為紫外線阻隔劑。
本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。
文：王余家潔紀念小學校長劉秀萍、王余家潔紀念小學老師陳潁釗、王余家潔紀念小學老師阮駿
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