台灣奈米科技新聞信, Vol. II, No. 7, 4/1/2003
第二卷 第七期 TNN 綱目
台灣的行政院核定新竹生物醫學園區計劃 / 中國大陸成立國家奈米科學中心 /
中國大陸西安稱將建設奈米科技產業園
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微射流中的混合 /
奈米材料用於纖維紡織2-3年產值逾150億元 /
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不要和矽晶奈米球開玩笑 / 加拿大公司的奈米材料讓重金屬變得暨輕又強 /
新的簡易的分子電路印刷技術 / 矽晶奈米電子會產生漏電現象 /
模仿細菌中的蛋白質可以應用在奈米電子上面 / 用困陷的離子來製造邏輯閘門 /
MAPPER蝕刻公司努力要來拯救姆爾定律 /
奈米白熾燈 / 美國杜邦公司開發出奈米管複合物可以形成一種可印刷的導電體 /
蛋白石為奈米管的研究科學家帶來好運 /
基因療法中的糖衣 / 蜘蛛絲的彈性特徵 / 用會導電的聚合物來製造人工肌肉 /
中國大陸清華教授歷時六載研製奈米人工骨投入臨床 /
台灣九鼎生物科技公司研發奈米化藥用粉末 / 發展奈米生醫 台灣有利基 /
奈米晶體粒子的聚合物可以用來感應身體中的訊息 / INFINEON和METRIGENIX推出3D的生物晶片 /
原子力探針顯微鏡將在台灣量產 / 日本的NEC公司藉著奈米碳角要來取得燃料電池的市場 /
Pacific燃料電池公司讓奈米管發電 /
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3/27/2003, Material Update, 在新興的微射流技術領域中, 科學家面對的挑戰之一就是在微射流系統中, 通過一個如迷宮式的微米管道來導引和處理各種微量的化學物質時,
如何來找出有效的方法來使兩種流體混合. 科學家已經發現建構一個幾何上複雜的三微微射流結構體,
來促進其間的渾沌流動,
可能可以解決這個問題. 微射流的領域未來將可以讓一大範圍的化學程序,
可以快速地和有效地在一片單一可拋棄式的整合為晶片上完成. 但是在這種”實驗室晶片” 的功能理想可以達成之前, 還有一些尚未解決的問題有待克服. 其中一個問題就是在一個由層流控制的單一微射流管道之中,
要讓兩種不同的物質達到有效的混合是非常困難的. 在下個月的Nature
Material期刊中,
Daniel Therriault和其同僚將發表如何來建構一個具有複雜幾何的三維微射流網絡結構,
來激發混亂的流體運動,
而能使兩腫瘤體可以有效地混合. 參考文獻:
Chaotic mixing in
three-dimensional microvascular networks fabricated by direct-write assembly,
Daniel Therriault, Scott
R. White & Jennifer A. Lewis, Nature Materials 2,
265–271 (April
2003) 左圖就是作者的複雜幾何三維微射流網絡結構體的製造方法的解說圖. a, 整個製程的開始乃是利用一個電腦控制的墨水運送系統,
使用石蠟機的墨水來打樣出一個三維的鷹架方陣. 然後藉著滲入環氧樹脂以及去除墨水,
將此鷹架轉變成一個微射流的網絡. b, 接著再於此網絡中灌入一種可光硬化的樹脂. c, 通過一個光罩,
藉著紫外線的曝光,
來選擇性地使某些樹脂硬化. d, 這種選擇性的光硬化就可以產生一個具有開 (黃色) 和關 (灰黑色) 的管道結構體.
e, 此圖就是一個在開狀態下的微射流管道的螢光影像. |
葡萄糖氧化酵素中含有一個被植入的奈米金粒子的三維結構圖. 這張圖乃是一張其用來當作傳導電子功能的示意圖.
這張圖的上方所顯示的乃是, 這個植入奈米金粒子的蛋白質(圖中箭頭所指的地方) 的一個穿透電子顯微術的影像.
這些科學家首先藉著在一個藍寶石的表面, 凝結四氯化矽的蒸氣, 來製造出無瑕疵的矽晶奈米球. 然後他們用一個鑽石針尖的探針來在藍寶石的表面擠壓這個矽晶奈米球, 以便能量測其硬度. 他們發現球體越小, 其硬度就越高. 直徑100奈米的矽晶奈米球, 其硬度大約是20
gigapascals (GPa), 而直徑40 奈米的矽晶奈米球, 其硬度大約是 50 GPa. 就比較上而言, 大塊的矽晶, 其平均的硬度大約僅有12
GPa, 而藍寶石的硬度大約是40 GPa, 鑽石的硬度大約是90
GPa.
" 人們從來沒有有過這麼完美無瑕疵的球體來試驗過,,"
Gerberich接著說, " 你可以拿奈米矽晶球來和氮化物和碳化物來比較, 一般它們的球體的硬度範圍大約介於
30-40 GPa."
Minnesota大學Barry Carter研究團隊的 Chris Perrey, 使用穿透電子顯微鏡 (TEM) 所攝取的兩個奈米矽晶球體的影像, 其半徑大約是70奈米. William Gerberich研究團隊中的研究生Bill Mook則對類似但是較小的球體進行機械性的評估. 影像左邊的奈米球相對上較無瑕疵, 但是右邊的球體則具有從左至右的一種 "nanotwin" 的瑕疵. 無瑕疵的奈米矽晶球, 其硬度要比大塊的矽晶要強出許多. (影像中的插圖乃使電子繞設的式樣, 用來確定結晶圖像的方位.) 影像來源: C Perrey, C B Carter, 美國 Minnesota大學.
這些科學家也使用一台超級電腦來進行這種矽晶奈米球行為的一個個原子的模擬. 他們是在期望藉著他們的發現, 可以讓他們未來能夠用來設計超強度的材料和奈米複合物. Gerberich解釋說, " 這種硬度的量測讓他們可以從一個機械性質的觀點, 來追求一個真正使用由下而上的材料設計方法."
一個 12奈米直徑的奈米矽晶球, 被壓得變形2.3奈米的一個原子上的模擬圖. 這個模擬乃是由在Los Alamos國家實驗室的Mike Baskes 所做的. 在圖中上下的原子被擠壓成一種不定型的狀態, 但是也沒有發現有變位的現象. 這個模擬的結果也支持了Minnesota 大學Bill Gerberich 研究團隊所實驗量測出來的硬度的結果. 影像來源: Mike Baskes, Los Alamos 國家實驗室.
3/27/2003, Small Times, 奈米冶金樹上的研究已經證實, 將幾乎任何金屬中的顆粒減小, 就可以大大地增加其強度和其奈磨度. 一家加拿大的公司, Integran科技公司就擁有至少十幾樣和奈米金屬製程有關的專利, 而且也在成功地將此技術推向市場. Integran科技公司推出的盾甲板目前就有美國軍隊車輛為其2020年需求所撰寫的規範中要求強度指數的2.5倍. 人體的盾甲, 有生產成布料的以及金屬板的, 其強度是目前市面上供給士兵, 警察和鎮暴隊伍的產品強度的七倍. 這意味著如果僅要維持目前防彈強度的水準的話, 那麼這些產品的重量就可以減輕七倍, 或是如果重量不成問題的話, 其產品就可以有目前強度的七倍.
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3/27/2003, Material Update, 傳統電路製造技術中表面打樣方法的解析度極限, 可以用一種簡單的印刷技術來超越. 現在科學家藉著對材料上的明智選擇,
已經可以將其解析度提升到50奈米以下.
這種新的微接觸印刷技術,
是目前用來創造表面花樣,
例如矽晶微電子電路的光蝕刻技術的一種又便宜又簡單的替代方法,
並且可以達到奈米的尺度裡. 英國劍橋大學的科學家已經成功地使用這種方法,
在一個矽晶的表面上印出小於50奈米的有機物和生物分子的線條. Wilhelm Huck和其同僚表示, 這個技術的關鍵乃是在於材料的選擇. 藉著使其用來印出表面花樣的 ”橡皮章” 是由相對上較硬的塑膠, 而不是像橡皮一樣軟的材質所製成, 而且選擇加在印章上的墨水, 在表面蓋印時是不會宣染開來的, 這樣他們就可以將印製花樣的尺寸縮小到比以前使用的方法要小上3倍以上.
傳統的光蝕刻方法,
因為光繞射的限制,
其解析極限大約是在0.1微米.
參考資料 : Li H.-W. , Muir B. V. O. , Fichet
G. & Huck W. T. S. Nanocontact printing: A route to sub-50-nm-scale
chemical and biological patterning. Langmuir 19,
1963–1965, (2003) |
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3/27/2003, Material Update, 奈米尺度的矽晶電子元件的開發過程中, 目前已經面對許多嚴重的障礙, 然而雪上加霜的是, N. Clement和其研究同僚最近的研究顯示, 奈米尺度的矽晶電子元件的前景可能會比現在想的更糟糕,
因為他們發現這些元件會被通過它們的電流快速地吞噬掉,
使得電路中的端點之間產生許多迷失方向的空洞通路. 在未來的幾年之內,
矽晶電子元件將會達到僅有幾十個奈米小的尺寸. 然而這也會產生一些可能的新問題,
例如電流的露電問題. 在這麼小的電子元件中所產生的高電場,
可能會使得移動的電子的能量加速到像子彈一樣,
然後會撞擊矽晶中的原子,
來產生電子—孔洞對, 以能提高通過這個元件的電流. N. Clement和其研究同僚懷疑, 就是因為這種撞擊現象, 使得他們的類似電晶體元件裡的端點之間, 會產生大約有45奈米寬的通道, 見左圖下方. 參考資料: Appl. Phys. Lett. 82,
1727–1729 (2003). 左圖,
撞擊前前後後,
這是一個原子力顯微術下的撞擊前後的破壞情形比較的影像. 正圖就是經過高電壓後,
一個奈米矽晶電線受破壞的情形.
內崁的小圖就是未經高電壓前的正常狀況. |
3/28/2003, Nanotech Web, 奧國的 Universität
für Bodenkultur Wien, 和愛爾蘭的 NMRC的科學家已經能夠使用毛細管微製模技術, micromoulding in capillaries (MIMIC) 來製造出細菌中蛋白質的式樣. 這種會自我組裝的蛋白質, 一般都是在形成細菌細胞的外部護裹, 因為這種蛋白質可以將自己和其它的分子或是奈米粒子結合, 因此在奈米鑄造上的應用潛力極大. 奧國的 Universität
für Bodenkultur Wien的 Erika Györvary說, 據他所知, 這是第一次有人應用毛細管微製模技術來打樣而且能夠自我組裝出蛋白質結構的二維表面結構層. 毛細管微製模技術是一種成本極低的方法, 它僅需要很少的材料, 而且它也是一種單步驟的技術, 這使得快速雛形產出變成可能.
此影像乃是一個掃描原子力顯微術的影像, 顯示出一個單層蛋白質的表面層
(S-layer) 重新結晶在一塊矽晶的表面上.
這個S-layers乃是在一般前核(prokaryotic)
細胞生物 (如細菌和archeae)
中的蛋白質性的方陣, 用來形成細胞最外部的護裹.
此影像中特殊的
S-layer (從 Bacillus sphaericus
CCM2177來的) 展現出一個對稱的方塊晶格, 其晶格常數是13.1奈米.
這個影像尺寸乃是相當於
150 x 113奈米.
3/27/2003, Nanotech Web, 當有兩個獨立的研究團隊宣佈他們都可以利用困陷的離子對, 來製造出邏輯閘門時, 量子電算科技就又向前進展一步了. 在美國和奧國的科學家, 最近都展示出如何來對困陷的離子進行量子控制的新技術. 這些科學家都認為這些邏輯閘門是可以在規模上加大到好幾個qubits, 來用在一台大型的可用的量子電腦中. (D Leibfried et al. 2003 Nature 422 412 and
F Schmidt-Kaler et al. 2003 Nature 422 408).
這種新的兩個qubit的邏輯閘門乃是使用一對被困陷的鈹離子. 這是由美國科羅拉州的National Institute of Standards and
Technology的 David Winefield和其在科羅拉州大學, 英國牛津大學和Belgrade 的同僚所提出的. 困陷的鈹離子的超級微細結構中, 其上旋和下旋的電子能階狀態, 使得它們可以儲存高度穩定的qubits.
3/31/2003, Small Times, 一般專家都認同假使我們無法找到一種新的晶片製造方法, 晶片產業就會將姆爾逐出門外, 或是至少會將此定律拋棄. 此定律乃是依據Intel的共創人Gordon Moore的名字而得的. 他曾預測電腦晶片上的電晶體數量, 每18個月就要增加一倍.
一般公司都在物理的可能狀況下, 使用光學蝕刻方法要來突破極限, 但是MAPPER蝕刻公司, 這家由荷蘭DELFT大學獨立出來的公司則是在研究一種全新的微小科技方法, 使晶片的製造能夠達到40奈米, 甚或更小的解析度.
要達到奈米尺度的晶片製造, 一般最常用的方法就是用電子束來在晶圓上刻畫出電路圖樣. 這種技術已經存在幾十年了, 也是最常用再光罩的鑄造. 問題在於我們無法用其來做大量的生產, 因為其製程非常緩慢, 尤其當電路圖樣越來越微小時, 其速度就越慢. MAPPER蝕刻公司的技術乃是架構於電子束蝕刻和傳統光學影像技術的混合, 這使得高解析度和高速度蝕刻變成可能. 而且此技術不需要有傳統的光罩. 一般光罩常常是非常昂貴, 因此對特殊應用的積體電路
(ASICS, Application-Specific Integrated Circuits) 的生產是行不通的, 因為這種晶片的產量都不是很多.
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3/20/2003, Material Update, 目前針對奈米碳管的研發, 科學家都對其在高科技的應用上, 例如應用於超強度紡織或是奈米電子上有較高度的興趣. 但是現在有一組科學家,
他們違反這種潮流而有點復古地,
在研究如何利用奈米碳管束來製造出一種簡單燈泡的燈絲. 奈米碳管在被研究中的許多應用之一,
就是利用其來建造平板螢幕顯示器中的發光元件. 在這種元件中,
奈米碳管扮演的角色就是提供電子,
這些電子再間接地被用來激發螢光材料,
使其放光. 但是現在發表在這一期的Applied
Physics Letters裡,
Peng Li和其同僚發現當奈米碳管束被用來當一般家庭用的白熾燈的燈絲時, 它也可以發出自己的光. 而和傳統白熾燈泡中的金屬燈絲所發的光比較,
奈米碳管燈絲所發的光會有點偏光. 此偏光現象乃是因為奈米碳管教明顯的一維性質,
他們認為單壁奈米碳管的燈絲偏光會比多壁奈米碳管燈絲還要顯著. 參考資料:
Polarized incandescent light
emission from carbon nanotubes, Peng Li, Kaili Jiang, Ming Liu, Qunqing Li, And Shoushan
Fan & Jialin Sun, Applied
Physics Letters 82, 1763–1765 (17 March 2003) |
3/21/2003, Nanotech Web, 美國杜邦公司的科學家已經開發出一種聚合苯胺—單壁奈米碳管的複合物. 這種材料是設計來使用雷射蝕刻
(Laser Ablation) 這種乾燥印刷製程來製造出塑膠的電晶體. 杜邦的科學家Graciela
Blanchet說她們開發這種複合物的目的就是要來盪做製造有機電子應用元件上的可印刷導體. 以目前開發的進展而言, 這種材料所能產生的導電度和解析度, 已經足夠其來當作一些電泳顯示器背板中的source/drain和gate層中的導電體, 例如電子書, 顯示面板, 和電子海報.
杜邦公司的科學家Graciela
Blanchet , 守中遲隻的是一片對角線29英吋的顯示器背板.
這塊背板中的source/drain和gate層就是利用聚合苯胺—單壁奈米碳管的複合物所印刷出來的.
3/17/2003, Nanotech Web, 雖然一般人會把蛋白石和壞運氣相連, 但是這種寶石最近卻為美國紐澤西理工學院的科學家帶來一個研究上的成果. 這群科學家乃是在矽晶晶球中間的孔隙間培養奈米碳管, 而製造出一些合成出來的蛋白石, 這種蛋白石可以用來製造出一種具有特殊光學性質的材料. 這個研究團隊首先先使用200—650奈米直徑的矽晶晶球, 來合成出一些蛋白石薄膜. 然後使用這些有排列整齊矽晶晶球的蛋白石薄膜來充當Mo/Co催化粒子的支撐, 藉著化學蒸發沉積法, 來在這個蛋白石的表面培養出管徑大約是0.9奈米的半導體性質的單壁奈米碳管.
單壁奈米碳管具有高度非線性而且快速轉變性的一種材料, 如果將之整合入一個光學上封閉的環境裡, 在相對低的雷射光強度下, 就可以使其顯示出這些特性. 這個團隊測試了這些樣品的光學性質, 發現經過這些管子的光穿透度, 會隨著雷射光照射強度的增強而增加, 而且在雷射的照射下, 其電流—電壓特性會改變. 其Raman散社會隨著電偏壓的增加而變小, 而且其結構也顯示出會在某一特定光的角度下, 有較好的穿透度.
這種特殊結構可以應用在通訊和感應系統中, 如果能將其整合入高速高校的權光學或是有機架構的電子—光學開關中.
在未來, 人們將可以用這些東西來以一種光電的模式來開關各種生物的品種.
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3/20/2003, Material Update,
科學家現在正在研究利用濾過性病毒來當基因療法中的一種傳送體. 現在科學家又發現一種模仿濾過性病毒的超級分子組構物,
也有可能可以用在基因療法中. 濾過性病毒常常被誇稱為自然的自我組裝的一個好樣板. 一些日本的科學家,
藉著使用球狀的分子團簇和DNA,
創造出超級分子組構物,
這種組構物可以被辯稱為一種人工製造的濾過性病毒. 他們希望能利用此物來替代濾過性病毒於生物科技醫學上的一個重要的角色,
那就是於設計合成系統中的基因運送的任務. Aoyama和其研究同僚就是希望他們所合成的粒子,
可以替代濾過性病毒,
能夠穿透過細胞膜,
來將DNA傳送入細胞.
參考資料:
Aoyama Y. Artificial viruses and their application to gene delivery.
Size-controlled gene coating with glycocluster nanoparticles. J. Am. Chem.
Soc. (in the press). |
3/27/2003, Material Update, 蜘蛛絲因為其高度的強韌和彈性的獨特組合, 使其功能幾乎可以超過所有曾經被人工合成出來的材料. 但是儘管過去曾經有多年的研究, 有關其真正的結構, 還是有許多未知的地方. 科學家現在從一個分子的尺度上來對蜘蛛絲量度和模擬其機械上的行為, 藉此希望能夠對此神奇的材料有更深入的理解.
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蜘蛛絲的強度可以媲美於鋼索, 然而卻比鋼索的延展性高出1,000%.
這種高長度和高彈性的組合, 使得其在從人工肌鍵到防彈衣的廣泛應用範圍上, 具有極大的吸引力. 在下一期的 Natural Material期刊中, Nathan Becker和其研究同僚將敘述其使用原子力顯微術來研究蜘蛛絲中分子的彈性特質, 並且開發出一套模型來解釋其在分子層次和巨觀層次上的性質. 參考資料: Molecular nanosprings in spider capture-silk threads, Nathan Becker, Emin Oroudjev, Stephanie Mutz, Jason P. Cleveland,
Paul K. Hansma, Cheryl Y.
Hayashi, Makarov E. Dmitrii
& Helen G. Hansma, Nature Materials 2, 278–283 (April 2003) |
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3/27/2003, Material Update, 感應啟動器 (Actuators), 就是一種將感應和動作結合在一起的元件, 乃是由許多的感應器組織在一起並聯工作, 使感應和移動能夠同步. 在西班牙Cartagena 大學的科學家已經建造出一種人工的肌肉, 在其中感應和啟動的能力被整合在一個單一的元件內, 因此唯一要接的就是兩條電線. 西班牙的科學家乃是利用將電化學能量轉換成聚合沘咯 (polypyrrole) 中的機械能量. 聚合沘咯乃是一種會導電的聚合物, 其體積可以很容易地藉著對其施加一個電壓來控制.
他們使用兩層僅僅接連的聚合沘咯薄膜, 一層和陰極相接來舒張, 另一層和陽極相接來緊縮. 能量轉換的效能大到使得這種人造肌肉有足夠的力量, 可以來移動一個比其重量要大1,000倍的物件. 參考文獻: Artificial
Muscles with Tactile Sensitivity, T.
F. Otero & M. T. Cortés Advanced
Materials 15, 279–282 (2003) |
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崔福齋教授介紹說：植入納米人工骨最大的好處就是病人免去了從自己身上再取一塊骨頭的痛苦. 植入奈米人工骨後, 就好像藤會沿著支架不斷生長一樣, 人體的骨細胞會慢慢 "爬" 進多孔的生物材料內部, 破骨細胞一邊 "吃掉" 奈米人工骨, 成骨細胞一邊鞏固陣地, 在奈米人工骨的內部生長起來. 隨著時間的推移, 骨細胞在奈米人工骨的內部聚集得越來越多, 奈米人工骨的材料逐漸被人體吸收, 直到最後奈米人工骨將完全被人體自身的骨細胞 "吃"掉.
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一種多孔隙的矽膠製造出來, 具彈性而且和生物體相容的聚合物的照片.
影像來源: 美國聖地牙哥加州大學Myeong Sik Yoon.
3/27/2003, Small Times, INFINEON科技公司和METRIGENIX公司已經推出一系列的三維的微方陣和分析系統, 用來做快速和有效率的藥物篩選. 這種一次流過的生物晶片乃是一種由矽晶做成的微小型的採樣基料, 於其上可以利用光學的判讀技術, 來同時進行好幾百種的試驗. 目前市面上有的試驗包括有肺癌, 乳癌, 艾茲海莫症和巴金氏症和多重硬化症的試驗. 這個德國公司和美國公司合作開發出來的產品, 其目標就是為製藥公司和生物科技公司, 在研究, 篩選和診斷上的需求所設計的.
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