奈米技術研究

奈米技術研究
奈米材料
　　如在「奈米尺度的性質」一節中討論的，材料的性質──電學、光學、磁學、力學和化學性質──與它們確切的尺寸有關。這也開闢了以操控奈米結構來發展新型和改良型材料的新方式。將奈米工程生成的材料經過分級組合成更大的結構或裝配成設備，可提供製作全新材料和機器的基礎。
　　自然界的物體組合指出了改進結構材料的方式。經常被人提到的鮑魚貝殼，為堅硬易碎的奈米結構無機物如何與柔「韌」的有機物結合產生強硬耐久的奈米複合材料，提供一個完美的例證。從本質上說，這些奈米複合材料是由被糖蛋白「膠」黏在一起的碳酸鈣「磚」而構成。諸如黏土奈米複合材料(polymer-clay nanocomposite)的新工程材料不斷出現，它們不僅堅硬有韌性，而且重量輕，比傳統強化塑膠更易於回收利用。這些在結構材料上的改進對運輸工業特別重要，減少重量使燃料經濟得到直接的改善。其他改良可以提高安全性，或減少製造和回收的環境影響。進一步的改良，例如可以預示將發生的錯誤甚至自己修復缺失的真正聰明的材料，可能實現於未來的複合材料上。
　　感測器是幾乎所有現代控制系統的重要環節。例如，多重感測器用在汽車的各項任務上──引擎管理、點火控制、可靠性、安全性、舒適性、車輛監測和判斷。這類物理感測器的傳統應用一般依賴微尺度的感測元件，奈米材料及其結構的發展則導致新的電、光和磁奈米感測器的出現，這類感測器有時被稱為「智慧塵」(smart dust)。由於體積小，奈米感測器顯示出前所未聞的速度和靈敏度，在某些情況下甚至可以用來探測單分子。例如，由奈米碳管、矽或其他半導體材料製成的奈米線(nanowire)對化學物種或生物製劑格外靈敏。使分子附著於奈米線表面，局部的電子能帶結構會發生擾動，可造成通過奈米線的電流發生變化。依靠表面覆蓋著能選擇性地附著於特定物種的感測器分子的奈米線，就可以用電荷引起的電流變化來探測該物種是否存在。同樣的方法已被採用於許多種類的感測系統中。具有超高靈敏度和特異性的新型感測器將會有多種應用；例如，可以在癌腫瘤僅由一些細胞組成時即將其探測出來的感測器，會是非常重要的進步。
　　奈米材料還是優良的濾器，可以分離工業廢水中的重金屬和其他污染物。奈米技術對於地球上多數人類生活的最大潛在影響之一是經濟實惠的水淡化和淨化。奈米材料極可能在以下方面發現重要用途：燃料電池、能量的生物轉換(bioconversion)、食品的生物加工(bioprocessing)、廢棄物整治和污染控制系統。
　　關於奈米粒子，近來引起關注的是它們的微小尺寸和新奇性質是否可能引發重大的健康和環境風險。一般來說，諸如影印機的碳粉或者內燃機和工廠產生的煙塵等這類超細微粒，對人類和動物的呼吸和心血管有不良影響。對於某些奈米尺度粒子是否會引發較高風險乃至需要特別立法加以限制，相關研究正在進行中。要特別關注的是吸入粒子的潛在致癌風險，以及極小的奈米粒子穿過血-腦屏障將造成的未知效應。目前引起衛生官員注意的奈米材料有奈米碳管、布基球和硒化鎘量子點。經由皮膚吸收氧化鈦奈米粒子(用於防曬劑)的研究亦在計畫之中。就毒性、傳遞和奈米粒子在生態系統和環境方面的全面結果進行更廣泛的研究至今還未開展。一些早期的動物研究備受爭議，例如涉及導入極高水準的奈米粒子，這會導致許多個體迅速死亡。
生物醫學和保健
藥物投遞
　　奈米技術將以多種方式影響醫學治療。首先，奈米粒子在設計和製造上的進步為藥物投遞和藥物療法提供新的選擇。每年開發出的新藥有一半以上是非水溶性的，這使藥物投遞變得困難。然而，以奈米粒子形式，這些藥物會更容易地被傳遞至目的地，而且可以用藥丸的傳統形式投遞。
　　更重要的，奈米技術可以使藥物精確地投遞至身體的正確部位，並按最佳治療預定的時間方案釋放藥劑。常用的方式是把藥物依附於奈米尺寸的載體上，載體將在經過一段時間後在體內釋放藥物，或者在受到特定誘發時釋放。此外，可以對這些載體的表面加以處理，使其可尋找並局限於患部，例如附著於癌腫瘤上。這種應用中特別受到關注的一種分子類型是有機樹枝狀聚合物(dendrimer)。樹枝狀聚合物是一種特殊種類的聚合物分子，從一個空心中央區域穿進穿出。這些球形的「毛球」大約是典型蛋白質分子的大小，但不能像蛋白質一樣釋放。對樹枝狀聚合物的研究興趣出於它可以變換空腔的大小和化學性質以攜帶不同的治療劑。研究人員希望設計出不同的樹枝狀聚合物，當它們接觸到指明疾病標的的特定分子時能夠增強和釋放其攜帶的藥物。目前人們正在探討將這種奈米粒子引導藥物投遞的方法作為一種常規手段用於其他類型的奈米粒子
　　另一種方式採用覆金的奈米殼(nanoshell)，它的大小可以調整以吸收不同波長的光能。尤其是紅外線可以穿透人體組織數公分，能夠精巧地加熱這種囊狀物，從而釋放其中的治療物質。進一步地，抗體可以附著於殼的塗金外層表面，以便與特定腫瘤細胞結合，減少對周圍健康細胞的損傷。
生物鑑定
　　奈米醫學中第2個研究重點是開發新的診斷工具。該領域的研究興趣從單基因或單細胞水準的基礎生物醫學研究到保健服務的定點照護(point-of-care)應用。隨著分子生物學的發展，許多診斷工作現都集中於檢測特定的生物學「表徵」。這些分析被稱為生物鑑定。例如，確定何種基因與特定疾病或治療藥物有活性反應的研究。一個常用的方法是將螢光染料分子附著於標的生物分子上，以顯示出其濃度。
　　另一種生物鑑定的方法是利用半導體奈米粒子(例如硒化鎘)，它會依尺寸大小而發射特定波長的光。不同大小的粒子可以標記為不同的受器，比起利用染料分子來識別，這樣做能有更多不同的色標可利用。染料中螢光因重覆發射而減弱的缺點也可以避免。此外，各種大小的粒子，可以封入乳膠粒子，它們產生的波長解讀起來就像條碼。這個仍然在探索階段的方法將可以為生物鑑定提供大量的鑑別標籤。
　　在生物鑑定中的另一個奈米技術是將要檢測的基因序列中的半個單鏈互補DNA片段附著於一組金粒子，而另一半附著於另一組金粒子。當目標物質出現於溶液中時，兩個附著物會導致金球聚集，使光學性質發生巨大變化，其變化可在溶液的顏色中看出。如果序列的兩半不能匹配，將不會發生聚集也看不到變化。
　　不涉及光學探測技術的奈米粒子方法也在研究中。例如，磁奈米粒子可以附著於抗體上，再由抗體識別和附著於特定的生物分子。此時的磁粒子則起到標籤和「把手」的作用，磁場可以藉此在微升(microlitre)或奈升(nanolitre)尺度的樣品中混合、提取或者識別被附著的生物分子。例如，磁奈米粒子在一段時間內保持單一區域磁化，使之能夠在磁場中被校準和探測。尤其是被附著的抗體-磁奈米粒子結合體會緩慢旋轉並發出一個可識別的磁信號。與此相反，沒有附著於被探測到的生物材料上的磁標籤抗體，旋轉較為快速因而不會發出同樣的識別信號。
　　微流體系統(microfluidic system, 或稱「晶片上的實驗室」)已發展供微小樣品的生物化學鑑定之用。大量電子和力學元件通常被塞進不超過信用卡大小的可攜單位中，它們對處理生化領域中的快速分析特別有用。雖然微流體系統最早在微尺度(即1公尺的百萬分之一)中操作，但奈米技術已帶來新的概念，在未來將可能發揮更大作用。例如，DNA分離對於熵效應特別敏感，就如釋放給定長度的DNA片段所需的熵(entropy)。一種分離DNA的新方法是利用經由通過一個奈米尺度的端子或通道陣列，從而使不同長度的DNA分子以不同的速率展開。
　　其他研究人員則關注於探測奈米寬度的DNA鏈穿過奈米尺度的細孔時的信號變化。早期研究用的是病毒在膜上鑽的孔，人工加工的奈米孔亦在試驗中。藉由在液態電池中對膜的一側施加電位能以推動DNA通過，當分子的不同基本單元重覆通過孔時，可以測出離子流的改變。奈米技術在整個生物鑑定領域中實現的進展，將以多種途徑對保健產生明確的衝擊，從早期探測、快速臨床分析和居家監測到對分子生物學和對抗疾病的基因治療的新理解。
輔助裝置和組織工程
　　奈米技術的另一個生物醫學應用是為喪失或缺少特定自然功能的人們提供輔助裝置。例如，研究人員希望為視力受損者設計視網膜植入物。其設計思想是植入具有光電偵測器陣列的晶片，將信號從視網膜經由視神經傳送到大腦。有意義的空間資訊，即使是處於尚未完全發展的水準，對盲人來說也有很大的幫助。這樣的研究展示出要設計在無機裝置和生物系統之間介面工作的混合式系統會面臨的巨大挑戰。
　　密切相關的研究包括在腦組織中植入奈米尺度的神經探針以啟動和控制運動功能。這需要許多作用於神經元的有效且穩定的電極「線路」。這是令人興奮的，因為有可能使運動神經受損的人恢復控制。已有研究顯示使用電信號刺激脊髓受損者的神經可恢復些許運動功能。研究人員正在尋求可能的途徑以協助骨、皮膚和軟骨的再生和治療。例如，發展具有奈米尺寸孔隙的生物相容或生物降解合成結構，作為施放化學物質輔助修復過程時再生特定組織的模版。在更複雜精細的水平上，研究人員希望有朝一日能製造奈米尺度或微尺度的機器，用於修理、輔助或替換更複雜的器官。
資訊科技
　　半導體專家認為，「常規」電子裝置的不斷小型化將不可避免地達到根本的極限，原因在於諸如「隧道效應」的量子效應。隧道效應使電子跳出預設的電路，在設備間產生原子量級的干擾。就這點來說，想進一步發展資料儲存和資訊處理需要全新的方法。例如，已經想像出以量子計算或生物分子計算為基礎的全新系統。
分子電子學
　　將分子用於電子設備的構想最早於1970年代由西北大學的拉特納(Mark Ratner)和IBM的阿維朗(Avi Aviram)所提出，但是直到進入21世紀才出現合適的奈米技術工具。連接約寬0.5奈米、長數奈米的分子仍為一個大難題，對於經由單個分子的電傳輸的認識也才剛興起。例如，一些研究小組已能夠演示分子開關(molecular switch)，可想像將它用於電腦記憶體或邏輯陣列。當前的研究領域包括引導分子選擇的機制；把分子組裝成奈米門的結構布局；以及類似電晶體性質的三端分子。更基本的一些研究包括DNA計算，在矽晶片上的單鏈DNA可以將所有可能的變數值編碼，而互補鏈的相互作用將用於求解的並行處理(parallel processing)。與分子電子學相關的是有機薄膜電晶體和發光體領域，其中可能的新應用包括可以像壁紙一樣捲起的顯示器和可彎曲的電子報紙。
奈米管和奈米線
　　奈米碳管有顯著的電學、力學和化學性質。依據它們特定的直徑和碳原子的鍵結排列，奈米管顯現出金屬或半導體兩者擇一的性質。完美的奈米管內電的傳導呈衝擊型(散射可以忽略)，熱消耗非常低。因而，奈米管做的導線(或稱奈米線)可以承載的電流比同等粗細的一般金屬線大得多。直徑1.4奈米的奈米管大約是矽半導體元件閘極寬度的百分之一。除了用於傳導的奈米線外，已展示出結合金屬和半導體奈米碳管的電晶體、二極體和簡單的邏輯電路。同樣，矽奈米線也已被用於建造實驗元件，如場效應電晶體、二極電晶體、換流器、發光二極體(LED)、感測器乃至簡單的記憶元件。同分子電子學一樣，奈米導線電路面臨的最大挑戰是如何把這些元件連結整合成一個可使用的高密度結構。理想的狀況是使結構能在適當的位置生長組合。兼具導線和元件功能的縱橫結構最引人關注。
單電子電晶體
　　在奈米尺度裡，增加一個附加的電子到「小島」(孤立的物理區域)──例如通過隧道能障(tunneling barrier)──所需的能量變得很重要。這個能量變化提供設計單電子電晶體的基礎。在低溫環境下，熱的波動幅度小，各種單電子元件的奈米結構可以手到擒來，對僅有有限電流的結構也已開展廣泛的研究。然而，室溫下的應用還要求結構尺寸顯著減小至1奈米範圍以達成穩定運轉。對於數百萬個元件的大規模應用，如同在當前的積體電路中那樣，需要尺寸非常一致的結構以維持不變的元件特性，這個需求帶來相當大的挑戰。而且，在這個和許多正在探索的新奈米元件中，缺乏效益是限制在大尺度電子電路中實際採用的一大障礙。
自旋電子學
　　自旋電子學適用於不僅根據載流子的電荷而且基於其自旋進行邏輯運算的電子元件。例如，訊息可以透過電子的自旋向上態或自旋向下態進行傳輸和儲存。這是一個新的研究領域，研究課題包括極性自旋載流子的注入、傳輸和探測。人們感興趣的課題還有在自旋注入(spin injection)過程中奈米結構的作用和鐵磁半導體介面的電子性質；在奈米尺度控制下新鐵磁半導體的生長；以及利用奈米結構特點來操控自旋的可能性等。
資訊儲存
　　當前資訊儲存和檢索方法包括高密度、高速度、固態的電子記憶體，以及較慢的(但一般容量更大的)磁片和光碟(參閱電腦記憶體〔computer memory〕條)。隨著用於電子處理的最小形體尺寸接近100奈米，奈米技術提供了進一步減少資訊儲存空間的可能，由此增加密度和減小互連距離，以獲得還要更高的速度。例如，目前一代磁片的基礎是巨磁電阻效應(giant magnetoresistance effect)，透過確定在奈米厚度金屬層(在鐵磁性和不具鐵磁性兩者間變化)的磁場方向，磁讀寫頭儲存資訊。同自旋相關的電子散射在介面層的差異而導致的電阻差可以被磁頭讀出。力學性質──特別是摩擦學(tribology, 運動表面的摩擦力和磨損)──在硬磁碟機中也扮演著重要角色，因為磁頭僅僅懸在旋轉的磁片上約10奈米處。
　　另一個依賴於奈米厚度磁層設計的資訊存儲方法正處於商業開發階段，稱為磁性隨機記憶體(magnetic random access memory, MRAM)，一排可用電開關控制的磁性材料被非磁性奈米夾層自永磁性層分離出來。從通過橫穿這些線的大型導線陣列可以電信號方式讀取出與相應磁場排列有關的電阻變化。MRAM將需要傳統半導體製造工藝中的一些小變革，它還具有產生非揮發性記憶體(nonvolatile memory, 不需電源或電池即可維持儲存的記憶狀態)的附加效益。
　　雖還處於探索狀態，通過分子的電傳導研究已經因其可以當作記憶體使用的可能性而廣受關注。雖然還僅僅是純理論性質，分子和奈米線的儲存方法仍很誘人，因為很小的空間裡就可以儲存資訊，生物系統使用這種方式能夠有效地儲存大量資訊。
通訊
　　光學裝置中的奈米尺度結構，如垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)、量子點雷射(quantum dot laser)和光子晶體材料等引領著通訊技術的額外進展。
　　VCSEL有外延進腔壁的化合物半導體奈米塗層，將介電層依次作為反射鏡和量子阱。量子阱使得帶電載流子被限定在特定區域，可提供能量轉換成所要波長的光。量子阱被放置於雷射腔裡，限制載流子處於駐波波節處，改變能帶結構以適應更高效率的幅射複合(radiative recombination)。與精確生長出極薄的外延半導體塗層有關的一維奈米技術發展於1990年代。這種奈米結構提高了VCSEL的效率，並且減低啟動雷射所需的電流(稱為閾電流)。由於改善了效能和相容於平面製造技術，VCSEL很快地成為各種通訊應用優先考慮的雷射源。
　　最近，針對量子點(區域小到可以給於一個單電荷)用於半導體雷射進行了研究，並且發現其所帶來的附加效益──進一步減小閾電流和縮小頻帶寬度。量子點把光發射波型限制在一個極窄的光譜，並且提供迄今為止在VCSEL內發射雷射所需的最低閾電流密度。量子點在應變層的生長過程中，透過史特蘭斯基-克拉塔諾維(Stransky-Krastanov)生長模式被引入雷射。這個生長來源於晶格失配(lattice mismatch)的應力和生長薄膜的表面張力。目前還在尋求能夠精確控制產生的量子點使其大小更加一致的改良方法。
　　光子晶體提供操控光子的一個新手段，它建基於週期性排列的電介質晶格，週期類似於光的波長。這些材料具有非常奇異的性質，諸如在具有特定週期結構的材料中不允許特定波長的光通過。光子晶格可以用作完美的波長選擇鏡，把所有方向的入射光反射回去。它們在前所未有的小尺度內為光學開關、操控和波長分隔提供基礎。這些人工晶體所需要的週期結構可以構造成二維或三維的晶格。由於更容易製作，光源、開關和路由器正在考慮開發中，尤以具有二維平面幾何特點者受到最多關注。
　　奈米技術在通訊中的另一個潛在重要應用是微機電系統(microelectromechanical system, MEMS)，其元件大小在微米尺度(1公尺的百萬分之一)。微機電系統目前經由光開關對通訊帶來巨大影響。未來，機電裝置將縮小到奈米尺度，利用較小質量帶來更高的機械振動頻率。小機械束振動的自然(共振)頻率隨尺寸的縮小而增大，因此驅動它們作為振盪器所需的動力就很小。其效率以品質因子Q來評等，Q是每個週期儲存的能量與消耗的能量之比值。Q值越高，振盪器的絕對頻率就越精確。微米和奈米尺度的機械振盪器具有很高的Q值，這些裝置可以達到極高的頻率(高達微波頻率)，可能作為電子振蕩器和濾波器的低能耗替代品。
　　達到10×100奈米面積的機械振盪器已經由矽製成，其中有超過10％的原子距表面不足1個原子的距離。在此類大小範圍內可以製成高度均勻材料(例如單晶矽棒)的同時，表面在奈米尺度中的作用越來越大，而能量損失也增加，大概是因為表面缺陷和表面分子樣品的吸收所致。
　　或許可以想像，透過將奈米機械結構移到分子系統而帶來的更高頻率，會出現在可能被視為奈米機械系統的極限中。例如，正在探討多壁層奈米碳管的力學性質。當奈米管的外層底部被移動，內層的管就會被拉離開外層一些，兩個管之間的凡得瓦耳力將提供一個恢復力。內管因此在外管裡面來回滑動振蕩起來。這種結構的振蕩的共振頻率預計超過1個十億赫茲(gigahertz, 每秒10億次)。若把這個系統推至宏觀世界並消除表面效應，還不知道是否可行。