1-1 奈米尺寸與奈米世界 奈米是長度單位，為十億分之一米，大概為人類頭髮直徑的十萬分之一。這個看似平凡無奇的長度單位卻對現代工業產生重大影響，亦將為人類生活與文明帶來嶄新風貌。 奈米有多小？ 「米」是東方人的主食。平日食用的米有蓬萊米、在來米、糯米等。米中所含的營養成分以澱粉為主，可提供我們日常活動所需要的熱量。
「奈米」是新科技的代名詞，並非可食用的米。「奈米」中的「米」字是長度單位，即公尺（meter）的譯名。1米即是1公尺。「奈米」中的「奈」字是一個單位尺度，是英文nano的譯名，表示10-9的意思，亦即是十億分之一。
「奈」（nano）與「米」（meter）合在一起成為「奈米」（nanometer），代表一個為十億分之一公尺的尺寸大小，也就是1 nm = 10-9m。
一個奈米尺寸有多小？小到人的眼睛看不見，人的手也感覺不出來。一個奈米大概是3～4個原子相連的長度。假設把人的頭髮直徑切成十萬分之一那麼細，就約等於是一個奈米。 「奈米科技」是二十一世紀的最新科技之一，對光電、電子、化工、材料、生醫等產業將造成巨大影響，亦將為各產業帶來龐大商機與無窮發展機會，預期將使人類文明進展至前所未及的新世界。
奈米世界 奈米是人造科技，但自然界中其實有許多奈米物質及奈米組織，可提供我們更多創意來發展奈米技術。
1-2 奈米與自然界 奈米技術是一種近年來方興未艾的新科技，無數科學家正努力在實驗室中開發新奈米材料。事實上在自然界裡，許多生物體內均含有奈米粒子或具備奈米構造，使其展現特殊功能或形態。當我們汲汲追求奈米科技時，「師法自然」或許能提供另一種思考途徑與模式。 出汙泥而不染的蓮花 你可曾注意過，為什麼荷葉上的水珠是一顆顆圓滾滾的，而其他葉片上的水珠則不然？德國波昂大學的植物學家巴斯洛特（William Barthlott）研究各種葉片，發現荷葉就是一種奈米結構。以電子顯微鏡觀察，會發現葉片表面有許多突起狀的表皮細胞（5~15微米之間），上面覆蓋著長度約100奈米的疏水性含蠟絨毛。由於空氣分布於突起的表皮細胞間隙，使水珠無法與葉面完全接觸，再加上顯微絨毛的結構，更加強荷葉的疏水能力。
由於此種疏水效應，物體表面與水珠的吸附力量降低，水珠在物體表面可快速移動。在有足夠動能的條件下，可將物體表面的灰塵或汙染物清除。荷葉的「自潔效應」可以應用於大樓外牆、室內磁磚及汽車烤漆的防汙上。 穿上人造海豚皮膚的船殼 你是否曾經感到好奇：為什麼鯨魚及海豚終其一生在海中生活，皮膚仍能常保平滑乾淨，但下水後的船艦，不消多時船殼即開始出現鏽蝕，甚至有許多海洋生物附著其上？如此不但會增加行船的摩擦力，也必須消耗更多能源。
長久以來，船體抗汙的研究一直著重於開發超級平滑、使生物體無法附著的表面。但曾有研究人員觀察海豚的皮膚後發現，儘管肉眼看來極為光滑，但其實布滿了奈米尺寸的微小突起。這些突起物的大小不至於對海豚的游動構成摩擦力，但小到足以讓海中的有害微生物無法附著其上，海豚的皮膚因此具有自潔功能。 美國的研究人員正著手研發模擬海豚皮膚的高分子材料，或許在不久的將來，每一艘船在下水前都會先「穿上」人造的海豚皮膚，使船隻航行更快速省油。 昆蟲翅膀的自潔作用 飛行中的昆蟲必須保持翅膀的平衡，即使上面沾有一點點灰塵或水滴，也會因重量不平衡而造成飛行上的問題。尤其是一些翅膀較大的昆蟲，因為無法以腿部進行清潔，所以在翅膀表面多具有奈米構造，可減少與汙垢的接觸面，水珠也較不易停留在翅膀上。
漆黑的飛蛾眼睛 飛蛾的眼睛看起來異常漆黑且不會反光，所以在夜間飛行時，不容易為敵人所察覺。這是因為在其角膜表面具有奈米級的微小突起構造，由於比光線的波長還小，所以反光性極低，而且似乎可以吸收來自四面八方的光線。
目前已經有企業依據此種原理，製造出不會反光的玻璃，將來可望運用在鏡片、電視及電腦螢幕上，甚至是汽車玻璃。如此就不會發生在烈日下開車時，被前車的玻璃反光照得睜不開眼睛的困擾了。 會回家的動物 許多昆蟲及動物都具有辨識方向的能力，即使離家千里，終能找到回家之路，例如螞蟻、蜜蜂、鴿子和鮭魚等。科學家發現，這些生物體內都存有奈米級的磁性粒子，這些奈米磁性粒子即為磁場感應器，亦像是生物磁羅盤，使這類生物在地磁場導航下能辨識方向，找到回家的路。 五彩繽紛的蝴蝶翅膀 某些生物的顏色特別繽紛燦爛，例如甲蟲殼、魚鱗及蝴蝶翅膀，科學家發現這與光子晶體（photonic crystal）的顯微結構有關。所謂「光子晶體」，係指物質呈特殊的週期性排列，可以反射特定波長的可見光。蝴蝶翅膀的鱗片具有此種類似光子晶體的網狀結構，週期在數百奈米左右，可反射部分顏色的光，其餘顏色的光則會穿透過去，而且顏色會隨觀看角度的不同而改變。
奈米新進展
超硬的鮑魚殼
有些貝殼的外殼十分堅硬，鮑魚殼就是其中一個例子。科學家對鮑魚殼十分感興趣，它的主要成分與粉筆相同，都是碳酸鈣，但是它質地堅硬又耐磨耗，結構韌度是碳酸鈣的三千倍，吸引科學家對它深入研究，努力由生物體上學習新技術，發展模仿生物的仿生材料。
鮑魚殼會這麼硬主要與它的結構有關，那是一種層狀結構，由5至10奈米厚、10000奈米寬的霰石板平行排列後，再以有機絲狀蛋白質黏合，成為如同磚牆般的結構。當有強大外力施加時，絲狀蛋白質黏結劑扮演吸收能量及阻止奈米板片裂縫擴展的作用，使鮑魚殼成為堅硬的材料。科學家已學習了鮑魚殼的結構概念，發展出陶瓷與金屬的複合物，成功運用於裝甲車上。
恐龍鰻魚
美國陸軍由一種古老的非洲魚類身上，發現了將來製造輕巧防彈盔甲的祕訣。這種魚名為「塞內加爾多鰭魚」，又稱為「恐龍鰻魚」，已經在地球上生存了數千萬年。魚體長約四十公分，全身覆蓋緊密鱗片，每片鱗片僅2奈米，卻由四層不同的物質構成，與一般魚類的鱗片結構大不相同。當掠食者以利齒在魚體表面咬出裂痕時，裂痕會局限在傷口周圍，不會繼續擴大，這使牠們可逃脫掠食者的攻擊。魚鱗的特殊多層次結構可分散外界的衝擊能量，以保護魚體，減少損傷。
美國陸軍與麻省理工學院將合作開發新型的防護盔甲，利用「恐龍鰻魚」的強韌界面及衝擊能量分散機制，達到質輕並可保護士兵及運輸工具的防護裝置。
（摘自本書第一章）
2024專利防護中