奈米，不是啥稀米

序　向大自然取法

劉仲明 （工業技術研究院工業材料研究所所長 ）

近二、三十年來，推動世界文明向前躍進的推手，主要是以ＩＣ（積體電路）為核心的電腦科技，除了對商業行為、工作模式產生巨大改變外，又與網路、無線通訊結合，使資訊無所不在，進一步推動了知識經濟的發展。在網路的世界裡，只要有創意，似乎無所不能；但真實世界還是由物質構成的，因此瞭解材料發展的趨勢，將可幫助我們看準未來的方向。

當科技和產業更有效率的提供物質和產品之後，我們的周圍已逐漸充斥著過多無用的物品，填飽肚子也不再是問題，焦點於是愈來愈明顯集中到人的本身。比較電腦系統與人，雖然在數位運算的速度上電腦遙遙領先，但在經驗、感知甚至於智慧累積、學習方面，電腦就比人遜色太多了。試想一個小孩子迷失在叢林中，或許會長成「泰山」，但是一部最先進的電腦系統或機器人若掉進叢林裡，下場應該是變成廢鐵吧！

為何生物有高度的適應性、有學習的智慧，而電腦卻很難做到？原因當然很多、很複雜，也還未能全然瞭解。本書主要從材料的角度來看大自然的許多現象，也間接提供了部分答案。

電子科技的核心為IC，IC是由矽這種材料構成的，它的要求是極高的純度（>99.999999%）和完美的晶體。諾貝爾獎得主葛爾曼（Murray Gell-Mann, 1929-）教授告訴我們：「要構成一個高度複雜的系統，其組成單元若是很規則或是完全無規則，都不是創造高度複雜系統的好方法。」

相對於單純的矽晶片材料，生物是由軟物質構成的，例如我們熟悉的碳水化合物和胺基酸組成的蛋白質等。軟物質雖不像矽材料的堅硬、耐久，這是因為軟物質分子彼此間是以很弱的作用力結合的（譬如凡得瓦力，見第5章），這也使得它對外來的變化，如溫度、力量、光、磁等，具有很明顯的反應性，而不是像石頭一樣，無論外界怎麼改變，它都不動如山。

軟物質不像矽晶一樣，呈現高度規則性，但也不像流水一樣，完全沒有規則。軟物質具有短距離的規則性，以此為單元所建構的系統，才能具備高度的複雜性，且能與時俱進、因應環境變化而調整，成為具高度智慧的系統材料。當科學研究從深入原子、核子的瞭解逐漸轉向複雜系統的探索時，我們需要重新將焦點回到對人的瞭解，但這可能是一條漫長的路。

大自然是奧妙的，為什麼「蓮花出汙泥而不染」﹖「壁虎能夠倒掛天花板爬行」﹖……這些現象早已觸動了人類探索自然奧秘的心。另一方面，效法自然，一直是人類研究科學的準則之一。近似自然產物的奈米結構，需要能夠在分子的尺度上，操控物質或結構的形成，這可望帶來與自然界相近似的功能或成果。但困難度極高，奈米科技就在這個背景下誕生。

奈米（nanometer, nm）尺度泛指1奈米至100奈米尺寸的領域，1奈米是10的負9次方公尺，也就是十億分之一公尺，相當於人的頭髮的五萬分之一，或是2至3個金屬原子或10個氫原子排列在一起的寬度大小。而高精度、高倍率電子顯微鏡的發展，更提供了奈米尺度的分析，以及操控原子和分子所需的「眼睛」與「手指」。

本書介紹了我們熟知的蝴蝶、蓮花、貝殼、壁虎、甚至於肥皂泡泡、彩繪玻璃等，深入淺出的從奈米尺度來做討論。希望能讓更多人從材料的角度，瞭解我們所處的環境和自己本身均蘊藏著無窮的奧秘和潛力，更希望能吸引年輕學子投入這個對未來發展極為重要的領域。

政府為積極發展材料科技，於民國七十一年七月一日正式成立「工業材料研究所」，隸屬於工業技術研究院，踏出材料科技從學術研究走向產業化的步履。 初期任務在於適時提供材料技術，協助國內工業界提昇材料應用技術。二十多年來，勇於開創的材料所，推動國內材料科技萌芽成長，並將研發成果擴散業界。 隨著近年來產業佈局國際化的發展，材料研發也必須跳脫「替代進口」的單線考量，以具突破性之「研發創新」為挑戰目標，而日趨蓬勃的奈米科技更為材料科技的突破性創新帶來全新機會。 本書取材自工研院材料所向社會大眾宣導奈米科技重要性的簡介資料，也是其中較通俗、有趣的部分。這本書從我們生活中隨處可見的現象談起，深入淺出的點出奈米科技創新與應用的關鍵，期望對奈米科技有興趣的莘莘學子與社會大眾，能在本書裡獲得基本又不失深度的奈米知識，並從閱讀中找到個中趣味。

（撰述本書第6章） 1962年生於台北市。國立台灣大學機械工程系畢業，國立台灣大學應用力學研究所碩、博士。曾任中央標準局專利審查委員、元智大學機械工程系兼任助理教授。1991年任職工業技術研究院工業材料研究所研究員迄今。著有《台灣奈米科技》一書（合著）。

（撰述本書第5章） 1959年生於台北市。國立台灣大學土木工程系畢業，國立清華大學動力機械研究所碩、博士。現任工研院材料所多尺度模擬實驗室及電漿子共振計畫主任。著有二十餘篇論文。

（撰述本書第1、2、3、4章） 1947生於臺南市。考試院紡織技師高考及格，日本帝人獎學金東京工業大學大學院纖維專攻科研究，逢甲大學紡織工程博士，美國Akron 大學高分子工程中心博士後研究。現任材料所所長室正研究員兼特別助理。國內的纖維和高分子工程科技及奈米材料應用研究先驅。迄今已有百餘篇專業論文發表，散見於國內外各相關刊物。