Taiwan Nanotechnology Newsletter--TNN Vol. III No. 10

9/21/2004, Genetide.com, 奈米技術一旦滲入生物學領域將迅速改變農業和醫學的面貌，人類生活方式也將在奈米技術與計算機和基因生物學的結合中迅速出現革命性的變革，同時，在人類健康、社會倫理、生態環境、可持續發展等方面將會引發諸多問題，專家建議–––盡快建立國家奈米毒理研究實驗室。

8月12日，杜邦公司正式就美國國家環保署質疑20年來一直未通報製造“特氟隆”(Teflon) 的一種關鍵原料---全氟辛酸銨，可能會給人類健康帶來潛在危害的問題作出回應，將全氟辛酸銨的排放減少了99%，以減少全球的全氟辛酸銨的排放量。杜邦公司此舉可以說是默認全氟辛酸銨存在問題。

其實，有關特氟隆的質疑早在去年3月美國化學會的年會上就報告了奈米顆粒對生物可能存在的作用。其中，紐約羅切斯特大學的研究者發現，大多數在含有直徑為20奈米的特氟隆塑膠顆粒的空氣中生活了15分鐘的實驗鼠會在隨後4小時內死亡；而暴露在含直徑120奈米顆粒的空氣中的對照組則安然無恙。由此可見，不同直徑的奈米顆粒對生物的作用是不同的，需要通過大量的研究來確定不同尺度下的奈米顆粒對生物和環境有什麼作用。特氟隆是美國杜邦公司對其研發的所有碳氫樹脂的總稱。由於其獨特優異的耐熱(180℃-260℃)、耐低溫(-200℃)、自潤滑性及化學穩定性能等，曾被稱為“拒腐蝕、永不粘的特氟隆”。它在不粘鍋，其他如衣物、家居、醫療甚至宇航產品中也有廣泛應用。

特氟隆有潛在危害，此舉更加引起奈米技術研究的有關人士的重視。專家指出，奈米，雖然是物理概念的尺寸單位元，由於奈米結構所具有的特殊物理、化學性質。所以，用奈米技術生產的產品也就成為是高科技的像征。具有高科技的花環，奈米物質和奈米技術的研究已成為當今科學的前沿熱點。但是，理性的科學家忠告，對待科學的事物人類也要學會用法規來評估，充分重視對新技術科學帶來的負面影響防患於未然，纔可以使奈米技術免於重蹈轉基因技術的覆轍。種種跡像已經表明奈米物質具有與常規物質完全不同的毒性，我國目前有29種奈米材料在進行工業化生產，還有數種奈米材料可在實驗室大規模合成，奈米材料對環境及人民健康的影響已是一個現實問題。因此，專家建議盡快建立國家奈米毒理研究實驗室。

不言而喻，自上世紀90年代奈米產品進入世人生活以來，奈米材料已經應用於大眾生活的各個方面，顯示出巨大的發展潛力，由於奈米結構具有的特殊效應，應對它的安全應用予以高度重視。研究顯現，奈米技術一旦滲入生物學領域將迅速改變農業和醫學的面貌，人類生活方式也將在奈米技術與計算機和基因生物學的結合中迅速出現革命性的變革，同時，在人類健康、社會倫理、生態環境、可持續發展等等方面將會引發諸多問題，奈米技術必將會取代基因技術成為最受爭議的應用技術，影響遍及農業發展、計算機、醫療、制藥、國防、服裝等很多方面。

由於奈米結構具有的特殊效應，科學家要擔當起社會的責任，對它的安全應用更要予以高度重視，中科院高能所博士趙宇亮就是其中之一。2001年11月，趙宇亮就提出了開展奈米材料毒理研究的設想。趙宇亮利用高能所擁有的高靈敏度核分析技術、同步輻射等大型科學裝置和實驗平臺，與相關研究機構建立了緊密的合作關繫，於2002年底開始建立以“奈米尺度物質的生物毒理學及健康衛生科學”為研究方向的實驗室。兩年多來已有一些研究工作取得了重要進展。不久前，高能所召開了“奈米毒理學實驗室建設及其研究方向”專家評審會。

評審會旨在請專家們就奈米毒理學是否應作為重要發展方向；對有關問題的認識和分析是否準確；高能所發展此研究方向是否有特色和優勢；近期的研究計劃是否可行等問題發表意見，為高能所做相應安排提供參考。專家們普遍認為，奈米毒理研究綜合性非常強，需要臨床醫學、基礎醫學、毒理學、物理學、分子生物學、化學等多學科的融合，利用各種先進的分析技術，包括依託大科學設施開展多學科的綜合研究十分必要，發達國家已有很好的經驗。高能所依託擁有的多種核分析技術手段、設備以及多個研究微觀物質結構的同步輻射裝置實驗站，特別是具有明顯優勢的生物大分子實驗站，完全可以在這一研究領域發揮重要作用。已建成的“奈米尺度物質生物環境衛生實驗室”有一支較高水準的研究隊伍及數年研究經驗的積累。專家說，以高能所牽頭，與相關研究機構進行緊密合作，建立多學科、綜合性的國家奈米毒理研究實驗室是一個很好的設想，應該大力支持，盡快實施。

專家還就開展十分有特色的研究建議高能所，選定研究比較充分的奈米材料，集中於亞細胞－分子水平的研究，從奈米物質的輸運、分佈、與生物靶器官、細胞、細胞器直至生物分子的結合及對其生物功能的影響來研究其毒理，確定其作用的機制，力爭在5至10年內在一至二個重點有所突破。同時，專家們建議進一步拓展奈米毒理學研究的思路，應用某些“毒理”，以產生有益的生物醫學效益，例如對病變細胞的控制和病變組織的修復。還可以考慮研究如何利用奈米物質的生物效應來進行某些病變的早期診斷，以及有巨大發展潛力的在農業上的應用。要注意建立科學的奈米材料的檢測方法。專家們指出，奈米毒理研究應有持久戰的思想準備，要注意開展對實驗研究有指導意義的理論研究。奈米毒理研究的經費需求較大，需要更多方位、更多渠道地爭取經費，需要得到更高領導層的決策支援。

奈米技術安全知多少

提起“奈米”大家可能都不陌生，它已成為高技術的代名詞，如果有人說奈米可能有潛在危險，你能接受嗎？其實，專家認為與疾病有關的奈米顆粒污染早已存在。大氣可吸入顆粒物污染已成為大氣環境污染的突出問題，並日益引起各國高度重視。從在二十世紀五、六十年代倫敦和洛杉磯煙霧事件中，人們逐漸認識到氣溶膠污染與死亡率、發病率的統計關繫及顆粒的特性和致毒機理。上世紀九十年代後期，研究已側重於PM2.5（≦2.5μm）甚至超細顆粒（奈米）對環境的危害。除大氣環境污染外，局部的工作環境內也存在奈米顆粒污染，如由於吸收了電焊過程中產生的含金屬奈米顆粒的廢氣，電焊工人患帕金森癥的幾率大大高於普通人。矽肺的發生與吸入的粉末顆粒的大小、空氣中粉末的濃度，以及人接觸含粉末的空氣的時間長短有關。

科學家正努力將奈米技術運用到仿生學，設想研製出微小得幾乎看不見的奈米機器人，科學家希望奈米機器人能在血液、尿液和細胞介質中工作，不僅可以捕捉和移動單個細胞，而且能夠移動和重新安排人體細胞中的原子排列順序，使其按照新的指令發揮功能。奈米技術甚至可能仿照生命過程的各個環節製造出各種各樣的微型機器人，比如讓它們在血管中負責清除血管壁上沈積物，進入組織間隙清除癌細胞等。但是，由此是否會引發相應的負反應至今尚沒有任何機構開展研究。

奈米技術在藥物中存在未知風險。近年來，出現了藥物奈米化的趨勢，當藥物到達奈米級的時候，性質會發生什麼樣的變化。有報道說藥效提高了，吸收率好，但是沒有深入開展安全性方面的研究，並提到可能的毒性有多少。其實，藥物的吸收率高隻是尺寸效應。不是藥物的奈米顆粒，恐怕也會有很好的吸收率，因為細胞膜可能對奈米顆粒不構成障礙。另外，某些藥物奈米化技術也可能存在潛在問題，如植物類藥物採用雷射法粉碎，會把化學鍵打斷，然後生成自由基，下一步自由基重新組合，又生成其他的物質，這種新生成的物質是原本在藥物中不存在的，也許會是有毒的，需要我們通過大量的實驗，考察該方法是否會產生有毒的物質，是否對人體有潛在的危害性。但是這種方法對礦物性藥物的制備也許不存在這樣的問題。

在日常生活用品中，添加奈米材料的化妝品、聚酯類啤酒瓶等產品，直接與人體接觸，奈米顆粒作用於人體，其長期使用存在的問題是未知的，有待深入的研究。拿防曬霜為例，2003年一項研究表明很多產品中使用的二氧化鈦奈米微粒可以進入皮膚甚至細胞，並在細胞內產生自由基，破壞原有的基因，其長期使用的安全性是值得我們進行評估的。又如加入奈米顆粒的婦女衛生巾，具有極強的抗殺細菌作用。但是，這些與人體接觸的材料有多少奈米顆粒會脫落，而這些脫落的奈米顆粒的粒徑是多少，有多少會進入人體，並且多大的粒徑是相對安全的，進入人體的奈米顆粒是如何代謝的，它對人體會產生什麼樣的作用，所有這一切的答案都需要進行深入的研究來解答。

生物晶片成爲奈米會議焦點之一

9/10/2004, Guanzhou Nanotech Information Center, 環太平洋奈米科學會議於9月7日至11日在澳大利亞Broome舉行。來自美國休士頓大學的B.Montgomery Pettitt教授是大會特邀報告人之一，他向大會介紹了休士頓大學生物晶片研究取得的進展。

“生物晶片産業是一個新興産業，目前已有接近十億美元的規模，並且將在短期內增長10倍到100倍，”Pettitt說，“生物晶片現在已經成爲現實，但目前的生物晶片還很粗糙。在休士頓大學，我們揭示了下一代生物晶片設計的重要原理。”

Pettitt的實驗室致力於研究硬表面如何影響較軟的生物組分如蛋白質和DNA。DNA晶片是生物晶片的一種，它是將DNA分子連接到晶片表面，可用于基因測序、疾病診斷、藥物開發等領域。“我們對生物分子與材料表面的結合的理解對生物晶片的設計有著舉足輕重的作用。”Pettitt說，“這次會議爲材料科學界與生物技術界提供了交流的機會。同時，與亞洲的接觸意味著該地區的科學家將更多地與歐美科學家交流合作。”

奈米科學是多學科的，這次會議很好的體現了這一點。參與這次會議的科學家來自物理學、化學、生物學和工程界。大會專門設立了一個國際合作論壇。報告人分別來自美國、澳大利亞、日本、中國和歐洲。本次會議的基本目標是集中學術界和産業界中的實驗及理論奈米科學家，展示計算科學在支援及促進創新中的作用，探討奈米技術的應用。大會記錄將發表在《Molecular Simulation》上。

SEMI和IEEE就奈米技術及MEMS的標準化進行合作

6/10/2004, Nikkei BP Network, 半導體製造設備及材料相關的業內團體Semiconductor Equipment and Materials International（SEMI）和美國電氣電子學會（IEEE）就製訂奈米技術及微電機系統（MEMS）領域標準進行合作一事簽署了諒解備忘錄（Memorandum of Understanding：MOU）。這是兩家團體於當地時間6月7日透露的。據此，兩團體分別任命了聯絡人（liaison），並且將就上述兩個領域定期交流資訊，並將定期舉行聯席會議。

在IEEE內負責製訂標準的IEEE Standards Association（IEEE-SA）正在進行探討奈米技術標準的工作，並計劃於2005年發佈面向碳奈米管的計量標準規格。SEMI的MEMS Initiative也在開展同樣的活動。

關於此次與SEMI達成的協議，IEEE-SA執行董事（Managing Director）Judith Gorman說明稱，“SEMI和我們開發標準規格的活動將極大地推進可提高電子設備性能的奈米技術、MEMS以及其他新領域”。“候補對象領域包括有機、分子、碳奈米管以及使用矽制奈米纖維（silicon nanofiber）的電子設備。該諒解備忘錄為建立長期合作關係的第1步，兩團體通過互補各自擁有的專門知識，將給會員以及整個行業帶來好處。”

政府支援奈米科技應該擴展到奈米科技產品的採購

9/24/2004, Small Times, 沒有人可以否定布希總統和其各部門所大力推動的奈米科技法案的影響力。自從布希進入白宮之後，支援奈米科技研發的經費幾乎已經加倍了，而於其2005年度的財務預算中，規劃了美金十億元要來支援奈米科技。這樣的聯邦支援可以確保美國最好的奈米科技頭腦，可以將創意的概念從實驗室中帶到產品生產線上。

美國Nanofilm公司的總裁Scott Ricker

但是美國Nanofilm公司的總裁Scott Rickert表示，現在乃是政府應該邁向下一階段的時候了。產業界和政策訂定者應該攜手合作，來找出美國政府如何來從資助者轉變成採購者的方法。政府的採購再創造一個恰當的商業環境上是非常關鍵的一環，因為其可以確保我們有一個國內的市場需求。沒有了這個需求，公司和科技就會去尋找有這個需求的地方，如此就有可能危害到美國的經濟和軍事上的安全。

科學博物館為美國大眾解說奈米科技

9/10/2004, Small Times, 為美國一般不理解何謂奈米科技概念的大眾解說奈米科技科，對Daniel Davis而言乃是他絕得非常快樂的一個挑戰。每天Daniel Davis所演講的聽眾乃是美國奈米科技的最終投資者，也就是所有的美國大眾，因為是他們所繳納的稅金在資助著美國的奈米科技啟動計劃。現在Daniel Davis在美國波士頓科學博物館和這些聽眾相會，在那裡他引領著他們一一地解說奈米科技的展示品。

波士頓科學博物館乃是一個140年的地標，每年吸引了超過160萬參訪者的人潮。波士頓科學博物館於兩年前開始了這個奈米科技的展覽。這些置放在當今科學和技術中心的展品，展示了所有利用勒奈米科技的消費性產品。這個計劃乃是美國國家科學基金會有關和大眾介面的一項努力，其目的乃是要將奈米科技的概念引入大眾。Daniel Davis所製造出來的展品乃是由一筆送給美國哈佛大學的1080萬美金的經費所資助的。

Daniel Davis將其演講盡量侷限在奈米科技於醫學上的應用，因為這種應用乃是大多數人能夠理解的最具體的例子。

奈米材料科技:

鑽石中嵌奈米金的震盪行為

8/4/2004, Physics News Update, 金與鑽石除了同為婚禮上不可或缺的點綴外，它們還有幾乎相同的音阻抗 (acoustic impedance)。兩位分別來自法國和加拿大的科學家原本期望能利用這個特性，讓嵌在晶格中的奈米微粒 (nanoparticle) 產生振動，以協助發展各種奈米科技元件，不過事實卻不如他們的預期。

音阻抗類似光學中的折射率，傳統定義為密度與材料中聲速的乘積。金元素具有高密度和中等聲速 (約3300 m/s)，而鑽石具有低密度和非常高的聲速 (約18190 m/s)。這兩種元素雖然在很多方面差異極大，但卻具有相當接近的音阻抗，因此科學家一般預測聲能 (sound energy) 應該很容易在這兩種組物質之間傳遞。然而新的研究發現，一旦使嵌在鑽石晶格中的金奈米粒子開始振動，粒子將會持續振動，而不像原先的預期將聲能傳遞給周圍的晶格。

根據法國Bourgogne大學的Lucien Saviot及加拿大Okanagan大學的Daniel Murray的研究，行之多年的音阻抗公式在進入奈米範疇時，不再只是 (密度) ×(聲速) 這樣簡單的公式而已，應包含更複雜的因素如介面的曲率半徑和音頻。到目前為止，科學家尚未實際將金奈米粒子嵌入鑽石中，但已研究過金粒子在二氧化矽和藍寶石中的振盪行為。他們是以穿過晶格的雷射脈衝使金粒子振動，同時亦利用雷射光監測其振盪。觀察結果顯示，當雷射光束逐漸減弱之後，粒子依舊顯示持續振動。

RNA可以用來建構三維的奈米結構體

8/25/2004, Science Daily, 美國普渡大學研究人員成功地把RNA組成3D陣列 (3D arrays)，此種結構體將有可能成為奈米科技上所需的鷹架的骨架。一般來說，具有遺傳訊息的去氧核糖核酸DNA可以轉譯成核糖核酸RNA，但是RNA分子結構比DNA分子結構具有多樣化的特性，也就是RNA可以形成多樣的結構（諸如：單體monomer、雙合體dimer、三合體trimer、六合體hexamer等等），同時也比起其他許多蛋白質的可替代物要來得容易操控。

普渡大學分子病毒學教授Peixuan Guo的研究團隊，早於1987年在phi29病毒裡發現一種特殊的RNA結構，它稱為pRNA(packaging RNA)，其pRNA單體 (monomer) 之間可以互相聯結組合成六合體（hexamer）環狀結構，而這種六合體環狀結構又稱做奈米馬達（nano-motor），它可以用來包裝DNA，把DNA分子送入病毒衣殼（procapsid）裡頭。

DNA封裝的phi29細菌病毒奈米馬達的三維結構圖 ，其中包含了6個RNA的分子。於其複製過程中，phi29細菌病毒利用了一個奈米馬達來將其基因中的DNA封裝入一個預先成型的蛋白質的空殼體。此圖中所顯示的乃是這個DNA的封裝馬達的三維結構體，其中六種不同的顏色代表著六個RNA的複製體。圖中中心的通道乃是在複製過程中，DNA所依循流動的路徑。(圖片來源: Peixuan Guo, Purdue University)

Peixuan Guo等人目前正把奈米馬達的概念應用在設計人工RNA奈米裝置中，他們已經成功地從RNA形成的模塊中建造出3D陣列，並且這些3D陣列更可以延伸至數個微米(micrometers)，進而搭起奈米製造（nanofabrication）與微米製造（microfabrication）之間的橋樑。而消息已刊登在2004年八月的《奈米通訊期刊》 (Nano Letters)。

Peixuan Guo指出，在生物體內具有各式各樣的奈米機器，例如細胞膜上的幫浦(pump)或馬達(motor)等，他們正致力在把這些生物體內的奈米裝置，拿到外界也就是活體外的環境下來表達，正如同上述的RNA六合體環狀結構，就可以用來當成精小但強又有利的奈米馬達。而目前這些RNA的3D陣列還是處於初期研發的階段，他們希望未來能夠把這些3D陣列應用在病理診斷晶片、微小感應器、基因治療使用的基因輸送載體以及電子儀器等研發。

參考文獻：Shu D, Moll D, Deng Z, Mao C, and Guo P. 2004. Bottom-up assembly of RNA arrays and superstructures as potential parts in nanotechnology. Nano Letters 4: 1717-1724.

利用Sol-Gel法在有機材料表面形成無機層

9/10/2004, Nikkei BP Network, 日本信州大學纖維繫精密素材工藝專業的村上泰講師領導的研究小組開發成功了一種新工藝--使用基於觸媒的Sol-Gel法、低溫形成無機材料的高折射率塗層。該工藝有望成為未來有機半導體雷射器及有機LED（發光元件）的高耐熱性無機材料塗層形成的關鍵技術。

具體而言，使用鹽觸媒（離子性觸媒）在有機材料表面形成高折射率層--氧化鈦（TiO₂）層、使用非離子性觸媒在有機材料表面形成低折射層--氧化矽（SiO₂）層。目前全世界只有村上講師的研究小組發現了可以在Sol-Gel法中實際使用的非離子性觸媒。在PET（聚脂）等有機材料表面形成無機材料層時，必須使用能在有機材料的耐熱溫度以下形成薄膜的工藝。村上講師此次通過在Sol-Gel中配合使用觸媒這種新工藝，成功地將氧化鈦製備成所需要的鎖狀而不是粒子狀。在150℃的低溫下，從Sol-Gel法的原料--烴氧基氧化鈦中製備出了細密、高折射率的氧化鈦層（非結晶狀）。折射率在1.9以上。如果氧化鈦層製備成球狀粒子的話，粒子間的間隙中會混入低折射率的空氣，會導致氧化鈦整體折射率的下降。而鎖狀的間隙較小，不會影響氧化鈦本來的折射率。

氧化鈦層的製備中使用了鹽觸媒。作為Sol-Gel法中延緩縮聚反應（Polycondensation）的鹽觸媒，開發出了混合弱酸醋酸和弱鹼氨水的鹽觸媒。弱酸與弱鹼的混合方法是開發中的關鍵所在。據說，在開發中發現了多種離子性觸媒--鹽觸媒。另一方面，作為低折射層製備出了二氧化矽多孔質層。為在低溫下製備內部富含低折射率空氣的多孔質二氧化矽層奠定了基礎。此次利用非離子性觸媒、通過原料--烴氧基二氧化矽製備低折射率層。已證實非離子觸媒具有延緩Sol-Gel法的加水分解反應、產生微細多孔質體的前體以及延緩加水分解反應的作用。折射率目前正在測定。這樣，就為在耐熱性較差的有機材料表面製備高耐熱性無機材料質地的高折射率和低折射率層奠定了基礎。通過這種工藝技術有望提高所有有機材料的耐熱性。另外，村上講師同時還在利用非離子性觸媒進行奈米混合材料製造方面的研究。

此項研究是長野上田地區科技創新事業中的“基於功能性奈米高分子材料的智慧資訊元件研究開發”項目中的一環。該項目由信州大學纖維繫谷口雄教授負責。

奈米晶片奈米電子奈米機電系統科技:

通訊用高品質三維光子晶體元件

7/26/2004, Advanced Technology, 為了配合通訊上的應用，日本京都 (Kyoto) 大學的科學家製造出操作波長為1.55微米的三維光子晶體。該人造晶體主要是以砷化鎵(gallium arsenide) 為材料，中央為一層磷砷化銦鎵發光層。這項成果時整合半導體光電特性上的一項突破，將有助於發展高品質的光通訊元件。

光子晶體具類似半導體晶體的週期性結構，不過其週期要大上許多倍，因此是靠週期性介電分佈來散射波長相近的電磁波，形成類似半導體電子能帶的光子能帶結構。由於波長位於能隙的電磁波無法在光子晶體內傳遞，因此可以用來導光或改變發光體的自發輻射。

這個由Susumu Noda領導的研究小組，目標是要發展出類似電子半導體的全光子半導體 (full photonic semiconductor)。該計畫已經達成兩項成果：具備在光子晶體內任意位置製造缺陷的能力(類似半導體摻雜)，以及將發光元件併入光子晶體結構中。研究人員在三維光子晶體製造的缺陷範圍由3.77×3.60至0.44×0.60微米，波長1.55微米的光由於對應到週遭光子晶體的能隙，因此無法傳遞，只能被侷限在缺陷附近，因此可以達成高Q質的發光。較大的缺陷得到的發光頻譜包含許多光學模態，而最小的缺陷對應的頻寬只含有一個模態，其行為近乎完美的發光體。研究小組表示，理論模擬的結果與實驗數據相當穩合。

許多光子晶體方面的研究都是針對二維系統，主要是因為以先進的微影術製造起來較容易，然而代價是得犧牲部份光學品質。在二維光子晶體中，隨著缺陷尺寸減小，Q質有降低的趨勢，而在Noda的三維系統中，情形正好相反。詳見近期的Science雜誌。

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