效法大自然、善用软物质，是奈米科技发展的主流。

撰文╱刘仲明，工业技术研究院材料所所长。




台湾是蝴蝶的王国，美丽的蝴蝶表现在蝶翼的色彩斑斓绚丽，服饰工业再怎么先进也望尘莫及。人类漂亮的衣着通常用染料来成色，蝴蝶却只用无色的蛋白质，就能产生吸引众人目光的色彩，令人不禁要赞叹大自然的巧夺天工。蝴蝶到底是怎么做到的呢？科学家利用电子显微镜解开了这个谜。原来构成蝶翼的鳞片表面有许多类似树枝状的奈米结构，其细枝之间的距离约在70~100奈米。因此对光线而言，看到的是两种物质，也就是空气和蛋白质组成的结构。因为空气和蛋白质的折射率不同，再加上这些结构是有些规则但又不是很规则，可见光照射后就产生了所谓的彩虹效应。不同的结构组合可以造成不同的颜色及图案，让我们有机会欣赏到千百种不同的美丽蝴蝶。事实上，孔雀五彩斑斓的羽毛也是类似的原理，不过它利用的是羽毛表面角质下的蛋白质形成「棒状构件」，靠着堆积的疏密、间距的大小造成折射率的差别，来产生彩虹效应。

自然界的生物透过由小做大（bottom up）自组装奈米结构，这种做法正是奈米科技未来发展的主流。它就像是堆积木，以分子为构件，在一些物理原理的指引下，堆出多样性的构造，从而展现出与构件本身特性显着不同、却与其集合体构造密切关连的功能特性。举例来说，蝴蝶翅膀或孔雀羽毛的各种颜色，并非有各种各样的染料在其表面，而是因为特殊的构造藉着微小构件间彼此折射率的不同，和一些规则性所带来的集体效应，造成彩虹效应而形成。就材料组成而言，这些不过是蛋白质，本身其实是无色的。大自然神奇之处在于，它不只是利用元素或分子的本质特性、个体功能而已，更重要的是能以原子、分子，甚或奈米点、奈米线为构件，自组装成各种结构，因此产生全新的特性或功能。

软物质（soft material）是奈米科技的关键材料，它具有可挠性、流动性，而且多为非晶态物质，如液晶、胶体、乳液、界面活性剂、蛋白质、高分子等，具有复杂性与柔软性的特点。复杂性的意思是指软物质具有短距离的规则性，却缺乏长距离周期性的规则排列，以此为构件可以创造出极复杂的系统，生命就是一个例子。从这个方面来看，软物质可称为连结奈米科技与生物技术的锁链。软物质的柔软性是指其对很小的外力（如温度、电场、磁场、化学反应等）有很大的响应变化，这是因为软物质的组成是以分子集合体的状态形成，彼此间以非键结方式作用，因此具有很大的空间自由度。以液晶为例，只要很小的电场就能让分子重新排列，利用这个特性，控制光的通过、折射、显影等动作，于是有了广泛用在笔记型电脑、PDA的液晶显示器。这个柔软性也可说是材料对外界环境的反应性，是材料朝智慧型发展的关键之一。

在液晶显示器里，有种特殊的光学元件可以将光的偏极转换而达到增亮效果。这是由两种折射率不同的透明塑胶交替堆叠数百层所形成，它利用了软物质的易加工性和奈米构造对光的影响，对显示器产品的高亮度需求提供了解决方案。到目前为止，液晶显示器已经是10亿美元市场规模的产品，且需求不断增加，与其相关的新应用也持续出现。

2002年12月，行政院第23次科技顾问会议在针对奈米国家型计画推动方案进行审议时，曾任美国能源部副部长的莫尼兹先生（Ernest Moniz）明确指出，台湾发展奈米科技时应强调软物质的研发。整体而言，经由设计和操控自组装的方式来发展奈米级产品已是主流，而软物质材料因其复杂度高、阶层构造、超大时间尺寸范围等特性，亦逐渐成为现代智慧型材料的重要支柱。随着科技研发不断地突破创新，软物质及其与硬物质的混成材料也已在奈米尺度进入融合阶段，成为21世纪奈米材料研发的重点。

【本文转载自2004年3月号】 http://www.sci...m.tw