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1、奈米科技概論期中報告： 自然奈米結構的實際應用,奈微所 碩一 王信鈞 指導教授 李旺龍 老師,盛開的蓮 駒井權之助 縱然深埋於潭中淤泥， 妳現身塵世獨立而不染何其美麗， 潔淨又祥和： 然而在你的純真之下， 你常背著我們在妳那生意盎然的葉上將朝露化作璀璨的寶石！,細微的死角會藏污納垢?,細微的死角會藏污納垢 ，這句 話或者這個概念可能是每個人都 曾有過的，但，所謂的細微的定 義是什麼，是指我們一般的牆角還有 小隙縫嗎 ？ 一旦這個細微的死角到達幾微 米甚至幾奈米的大小時，真的還會藏污納垢 嗎？這是個值得我們深思的問題！,蓮花出淤泥而不染,水珠輕盈掠過蓮葉表面，會有如一滴滴水銀般不會散開，而且近乎
2、完美的球形 灰塵對水的親和力似乎較對於蓮葉要來的大，因此只要一下起雨蓮葉上的灰塵便可不費催灰之力的全部沖刷掉,蓮花的象徵：純潔,佛教中的六字大明咒“唵嘛呢叭咪吽”以白話來說就是“瞧！蓮花中的寶珠” 三大部經書之一的“法華經”其中的華指的也正是蓮花,初窺蓮花表面的構造,蓮花效應的發現者：巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）教授，任教於德國波昂大學“尼斯植物之生物多樣性研究所（Nees Institute Biodiversity Plants）”，他身兼二職，一是學術界的植物學家，另一個則是掌握專利的產業界發明家,巴斯洛特（Wilhelm Barthlott）教授,初窺蓮花表面的構造,
3、掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope）的問世啟發了許多科學家，並且把細微構造的奇妙世界呈現在人們的眼前,掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope）,初窺蓮花表面的構造,植物的表面最外層並不是活細胞而是由無生命的外殼（角質層）所構成，而其外面更覆蓋了許多含有多種成分的蠟質層，蠟質層常以特定的形狀堆積在表面,1.左上圖為蘇利南巴本木的葉片上星狀絨毛構造 2.右上圖為一種鼠李科植物，其葉片上有種環繞氣孔四周生長的煙囪狀蠟質構造 3.左下圖為一種樟科植物，蠟值得晶體狀似通心粉 4.右下圖為捕蠅石竹種子外皮相互嵌合的細胞,究竟如何出
4、淤泥而不染呢?,經由SEM的協助下，巴斯洛特發現了一件非常重要的事情，”最潔淨的表面往往在顯微鏡下是最粗糙地”,電子顯微鏡下，蓮葉的表面(上圖) 其凸起物外圍所包裹的臘層(下圖),究竟如何出淤泥而不染呢?,可潤濕性與不可潤濕性（超親水性與超疏水性）,幾種表面與水的接觸角：圖a的親水性表面小於30；圖b的防水表面(疏水性)大於90 ；圖c具有蓮花效應的表面(超疏水性)大於150 ,水珠與超疏水表面的接觸角,究竟如何出淤泥而不染呢?,蓮花效應原理(微觀)=乩童坐釘椅的道理(巨觀),蓮葉上的小水珠,電子顯微鏡下水珠與蓮葉表面的接觸情形,究竟如何出淤泥而不染呢?,蓮花效應(Lotus effect),
5、a,b,圖a：在普通的表面上，塵埃與表面的親和力較與水來的強，因此經雨水沖刷後，塵埃依舊會留在表面；圖b：在具有蓮花效應的表面上，塵埃等於“坐”在微小顆粒的頂端，很容易被雨水帶走,蓮花效應(Lotus effect),在垂直的表面上也有一樣的性質,蓮花效應(Lotus effect),水滴在蓮葉上移動時，大致上會以一顆顆的狀態滾動，而且其流過蓮葉的部分，表面會呈現潔淨與乾燥,蓮花效應(Lotus effect),此為在蓮葉上滾動過後的水珠放大後的模樣，上面吸附滿了灰塵，然而這種特性可以用來做什麼呢?,蓮花效應初出江湖,不是活的生物只要擁有一樣的結構就可以有一樣的效果 巴斯洛特為了說服大家蓮花效
6、應可以實際的應用在科技產品中 ，於是他以蓮花效應做出了一把蜂蜜匙,以蓮花效應製成的蜂蜜匙，即使是黏稠如蜂蜜般的液體，一樣可以在倒出時流的一滴不剩,蓮花效應初出江湖,蓮花效應可搭配的材質不計其數，初期使用的全都是矽酮（Silicone）這是當今最常使用的防水劑，雖然有效但價格頗高 一群土耳其研究人員發現可用聚丙烯（polypropylene，餐具的製造原料之一）製作蓮花效應的塗層,矽酮（Silicone）,以矽銅製成的梳子,蓮花效應初出江湖,聚丙烯的優點在於它幾乎可塗在所有材質的表面，包括玻璃、鋁、鋼鐵、鐵氟龍以及聚丙烯本身，唯一的限制就是表面有圖布的材料絕對不可受到溶劑的侵蝕,以聚丙烯製成的各
7、項產品：液體槽、膠帶架、塑膠管,永保鮮豔與潔淨的超強塗料,蓮花效應是近年來最高度發展的仿生科技(僅次於魔鬼氈),水滴流經由蓮花效應所改良的塗料的表面,永保鮮豔與潔淨的超強塗料,Ispo公司與巴斯洛特所共同發展的的“蓮花王(Lotusan)”塗料 Ispo並宣稱使用蓮花王塗料的建築物，可以五年不用清洗，且常保潔淨,蓮花王塗料,塗上”蓮花王”塗料後的建築物,蓮花效應的反向操作：自潔玻璃,英國的皮爾金頓(Pilkington)公司所開發的自潔玻璃:：Pilkington Activ TM 其運用的原理是和蓮花效應完全相反的“反蓮花效應”但兩者所達到的目的卻是相同的,位於英國北部默西賽德郡(Merse
8、yside)的聖海倫斯市(St. Helens)的皮爾金頓(Pilkington)公司,反蓮花效應,不同於蓮花效應，反蓮 花效應運用特殊的表面， 使得水滴與表面的接觸角 變得更小，並提高表面的 可潤濕性，使得水在反蓮 花效應的表面上會形成一面水膜，再藉由 Activ玻璃表面的特性達到自潔的效果,裝設反蓮花效應之Activ玻璃的建築物,玻璃的演化史,傳統的玻璃：由良莠不齊的熔爐所製成，產量少且形狀不規則 現在化的浮式平板玻璃工廠：將砂、蘇打灰（soda ash及碳酸鈉）、石灰石、白雲石、硫酸鈉與回收玻璃（即碎玻璃）由一端送入攝氏1600的煤氣爐，另一端就會綿延不絕的送出帶狀的玻璃浮在熔融的錫床表
9、面接著再裁切成一片片的玻璃板,玻璃的演化史,熔融的錫床表面提供了完美的平整度，機台也可以任意的調整，以便於生產20mm以內任何厚度的玻璃毛胚玻璃 皮爾金頓(Pilkington)公司改良的玻璃：在製造玻璃的同時，一面讓蒸發的物質沉澱在玻璃上形成薄膜，這些薄膜替玻璃增添了額外的特性，就像市面上的“Pilkingdon KTM ”隔熱玻璃，Activ玻璃也正是以這種製程製造的,自潔玻璃：Activ,二氧化鈦（TiO2）：最常用於白色光漆的白色色素，具有非比尋常的光電特性，也因此常用來做為女性防曬的化妝保養品,二氧化鈦的粉末,含有二氧化鈦成分的粉餅與防曬乳,自潔玻璃：Activ,二氧化鈦陽光充電效應
10、 充電的表面空氣水氣能使有機物質氧化成離子 上述稱為“光催化作用” 二氧化鈦塗料可以分解大部分堆積其上的有機物,自潔玻璃：Activ,二氧化鈦塗料具有強烈的親水性，使得水在二氧化鈦表面會形成一層水膜，而不是一滴滴的水珠 當表面呈垂直或者某個角度時水即迅速滑落，同時帶走之前被分解掉的有機物質，以達到自潔的效果,自潔玻璃：Activ,前面所提到的，皮爾金頓(Pilkington)公司所改良製造玻璃的技術，能夠在玻璃的表面上鋪上一層薄膜，而這層薄膜正是二氧化鈦 由於二氧化鈦始終是白色的塗料，如此一來無法使玻璃達到真正的透明 皮爾金頓(Pilkington)公司厲害之處就在於他們能將這層薄膜做成厚度小
11、於20nm的超薄塗層，這項改良使得Activ玻璃放在一般的玻璃旁，頂多就是看起來比較容易反光，而且稍微偏藍色,自潔玻璃：Activ,但對於所有目的與用途而言，他與普通的玻璃沒有兩樣，但又多了自潔的特殊功效,真實體驗Activ玻璃,Activ玻璃相較於一般的玻璃較為閃亮 下雨時Activ玻璃上會形成一片水膜，而一般的玻璃會形成大顆的水珠 如果Activ玻璃不是呈垂直時，落葉或者碎屑一樣會存在時玻璃上，但只需要用清水沖洗就可達到清潔的效果，汙垢並不會真的附著在玻璃上 實際上如果有油漆這類的汙漬Activ玻璃仍無法完全應付，只是較一般的玻璃沒那麼容易附著在上面而已,Activ玻璃與一般玻璃之比較,真
12、實體驗Activ玻璃,Activ玻璃的其他應用,Activ玻璃除了對於附著在其上的污垢有著一定的功效外，對於空氣中的灰塵與廚房的油垢也可達到清潔的效果，所以將其擺在廚房或者辦公大樓內也可收到清潔的目的 另外Activ玻璃也可有效的將臭氧轉換成氧氣（臭氧在平地時是屬於汙染氣體）是另類的空氣濾清器可將其運用在管線或者空調系統中,蓮花效應與反蓮花效應之比較,蓮花效應,降低塵土對表面的親和力 超級不可濕 蓮花效應初期多使用矽酮(silicone)現在多使用聚丙烯(popypropylene) ，但其缺點為塗層不能受到溶劑的侵蝕,反蓮花效應,增加塵土與水的親和力 超級可濕 在此處二氧化鈦的功用就和一般的
13、清潔劑是一樣的,蓮花效應與反蓮花效應之比較,從以上的簡介中可知，要達到自潔的目的可以有兩條極端的路，一是超級可濕，而另一項則是超級不可濕，而我們生活中大多數的東西都是存在於這兩者中間的灰色地帶，常常我們有所謂新科技的發現，都是因為我們超越了某項極端的事物，像是紅外光、紫外光、奈米科技等,為何無法用二氧化鈦來製作自潔塗料？,過去人們就經常使用二氧化鈦當作白色的塗料，但由於二氧化鈦的特性，一旦受到陽光（紫外線）照射時，就會自動分解掉其所接觸到的有機物，正巧我們所使用的油漆就是所謂的有機物，所以二氧化鈦便成了掉漆的元凶，不過現在人們已經有了解決的方法，那就是在二氧化鈦的表面再塗上一層二氧化矽，以封鎖
14、住二氧化鈦的光催化能力，但如此一來二氧化鈦就只能是白色的塗料，而無法具有自潔的效果了！,弄不髒的布料：奈米自潔纖維,由美國企業家索恩(David Soane)所開發的一種名為“奈米呵護(Nano-Care)”的自潔纖維，由他的“奈米紡織(Nanotex)”公司銷售 在美國採用”奈米呵護”纖維的防汙牛仔褲與卡其褲自2001年,由Lee所推出的防汙牛仔褲,弄不髒的布料：奈米自潔纖維,起可在Gap、Eddie 、Bauer與Lee等服飾店內找到 防汙襯衫也在防汙牛仔褲推出不久就問世了！ 這種纖維於2001年9月搭配Rocola Shirt Tec在英國初次亮相,由Van Heusen的子公司Roco
15、la Shirt Tec所推出的防汙襯衫,弄不髒的布料：奈米自潔纖維,在此之後，號稱不怕髒 的衣料如雨後春筍一般冒 出，但倫敦標準晚報 (Standard Evening) 做了一番測試，將啤酒、 咖啡還有顏色特深的紅酒灑上了防汙襯衫， 雖非一滴都不沾，但幾乎可以接近無汙，如 此防汙襯衫通過了考驗,弄不髒的布料：奈米自潔纖維,“奈米呵護”所運用的原理不是蓮葉，而是取材於桃子 桃子的表面有柔軟的絨毛，其功用類似蓮葉的凸起表面，絨毛之間抓住了空氣，使水“坐”絨毛頂端 但這僅是非常類似而已，若將一個桃子放在水龍頭下沖洗，剛開始水珠會直接滑落，但一小段時間後，整顆桃子就會濕潤,弄不髒的布料：奈米自潔纖
16、維,”奈米呵護”的細絲是用較硬的材質所製成的，但其毛絲非常細微，高度還不及蓮花表面凸起物的千分之一 在此情況下毛絲上所沾黏的棉絮就有如樹幹一樣大，如此一來就很容易的可以清洗掉 毛絲是以化學鍵附著於衣服的纖維上，不會被洗掉,弄不髒的布料：奈米自潔纖維,由於他們十分的細小，所以在衣服的觸感上並不會有什麼明顯的不同,桃子與附著在其表面上的水珠,如果蓮花效應與自潔玻璃合而為一,蓮花效應所面對到的問題：蓮花效應的表面，一旦有較細小的汙垢卡在它的表面，如果沒有把它去除，那這個表面就不會再具有超疏水性 蓮葉之所以可以自我修復，其原因在於表面的蠟晶體會自己長回來 二氧化鈦的妙處就在於具有自我修復的功能，雖然過程中陽光、空氣、水缺一不可、不過這倒不是大問題,如果蓮花效應與自潔玻璃合而為一,蓮花效應為超防水，而二氧化鈦為超吸水，如何能結合在一起? 目前已有實驗證實，極少量的二氧化鈦不但能有效的分解蓮花效應塗層上的有機沉澱物，又不會降低塗層的防水性,
