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超越想像的奈米科技 馬遠榮 |
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「奈米科技」現在已和「生物科技」、「資訊科技」 並列為二十一世紀科技發展的三個主要方向。 本文將從經濟面、社會面討論奈米科技對全球經濟的影響。 |
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全球經濟陷入衰退期 然而在二十一世紀初的二○○一年，資訊與電子等高科技產業的陸續飽和，各國企業投資獲利率不如預期而紛紛大量裁員，先進國家在失業率大增與消費減少的陰影下，經濟成長的腳步逐漸緩慢下來甚至出現負成長，原擁有資訊與電子等高科技產業的國家，不再享有經濟競爭上的優勢，如台灣、日本；至此全球經濟的榮景泡沬化，反而是勞力便宜、資源豐盛的國家逐漸佔盡經濟優勢，如中國大陸。
世界各國歷經了二○○一年的經濟硬著陸，及九一一紐約世貿中心雙子星大樓客機撞樓的恐佈事件，二○○二年全球經濟仍將陷在谷底，各企業降低人事支出與營運成本已為趨勢，嚴重威脅經濟的發展。但是危機即是轉機，如何扭轉此經濟困頓，已有許多人寄望於奈米科技的發展，冀望它扮演一個振衰起敝的重要角色。
除了面對能源危機之外，環境污染、自然資源耗竭、生態系統蛻變等許多難以解決的問題一一浮現。奈米科技擁有克服這些難題的特性。 依目前人類科技的發展而論，追求健康的身心和舒適的生活乃是目標之一，但現在地球上大約只有百分之二十的人，能夠享受高科技成果所帶來的高生活水準，但他們卻用掉絕大部分的自然資源。這種極度的貧富不均，也將是世界局勢動盪不安的肇因。值得慶幸的是，奈米科技可減少自然資源的耗竭，進而避免能源消耗以及之後帶來的環境污染。
例如，發電廠或汽機車等藉燃燒石油、煤或汽油而獲得電力及動力，然而燃燒後所產生的大量二氧化碳或其他廢氣卻造成酸雨和空氣污染。而奈米科技所製成的奈米產品尺寸極小，當電子機械元件縮小至奈米尺度時，不但電子機械產品的重量大大減輕、攜帶方便，也具有省電省能源的特性，大大減少人們對能源的倚賴，這對能源危機等問題的解決，帶給人類無窮的希望，也證明奈米科技對於未來經濟發展的重要性。因此奈米科技的適時出現，與資源的永續發展將是密不可分的課題。
讓我們再想一想現代科技帶來的污染。例如，半導體廠為製成科技積體電路而使用大量腐蝕性酸劑，這些腐蝕性酸劑的排放造成了下水道的污染，進而污染我們的河水、魚蝦大量暴斃、鳥類相繼死亡或遠離，使我們原有美麗的河川不再。 又如，冰箱或冷氣機中的冷媒為破壞大氣層中臭氧層的主要兇手之一，臭氧層雖然只是薄薄的一層，由於它可以防止大量的紫外線與宇宙射線進入大氣層，故臭氧層保護地球上所有的生物避免紫外線與宇宙射線的威脅。然而臭氧層的破壞，使我們原有的自然防護罩失去保護功能，這可能對所有生物造成無法彌補的傷害－－如人類可能因過多的紫外線照射而得皮膚癌。 以上數節陳述人類使用化學劑品或用化學燃料所產生的污染，而奈米科技產業的發展方向似乎已不再利用燃燒、腐蝕等化學方法來製造產品，而是較清潔、有效的物理方法製造新的產品，若製造過程中需要化學方法輔助產品的製造，也會因為奈米尺寸的關係而大大減少化學藥劑的用量，進而降低污染源。以上所提的空氣、水、土壤以至臭氧層等這些污染與破壞，我們能藉奈米科技的發展解決問題或降低傷害。
在地球所剩有限資源之下，奈米科技能有效運用資源和保護環境的種種優點，在未來將扮演重要的角色。如以奈米技術製造的元件會比現今大體積的元件更具環保、省電和高效率，這些優點在和其他產業結合，也將會激發二十一世紀的新興產業的興起，如同以往數波工業革命，奈米科技將在世界各地逐漸引發另一波新的產業再造。而最重要的影響，奈米科技將不同以往的工業或產業革命，不會因為追求經濟或產業的成長而犧牲環保，經濟的成長與環境的保護是可以並行不悖。若說奈米科技也是一場綠色工業革命，可能並不為過。
當了解這些物理或化學性質時，就可以利用這些性質創造出具有某種功能的奈米科技產品。由於奈米科技產品尺寸極小，不同傳統大尺寸的科技產品，無法用人工或簡易的機器生產，就連現在高科技的生產儀器或生產線，都不能大量生產奈米科技產品，舊有的生產模式必然將被推翻。
由此而知，奈米產業之一為原子、分子世界或奈米世界的清潔產業，事實上清潔產業的主要產品為超高真空設備，如真空腔體和抽氣幫浦。所謂超高真空(ultra
high vacuum)約為我們所處空氣氣壓（一大氣壓）的十兆分之一（∼1.3×10-13），抽氣幫浦和真空腔體須能達到此超高標準。
探針的針端僅有數個至數十個原子之多，雖然以上材料硬度極高，但針尖仍極易被破壞或變鈍，所以如何製造一個不易損壞、耐用的探針是奈米產業的另一課題，目前已有人用奈米碳管為探針，因為奈米碳管的彈性極高不易折損，且導電性高不易起化學變化，為理想的探針材料之一。奈米碳管不僅可為探針，還有許多用途，將在後文介紹奈米碳管的經濟前途。
除了以上的探針怪手，另外一種怪手為光鉗子或光鑷子(optical
twisters)，光鉗是利用兩束雷射光來控制原子，近來光鉗應用在生物方面已有長足的進步，尤其是操縱DNA的運動以了解DNA的彈性物理性質。光鉗為華裔科學家朱棣文發展出的新科技，他是藉用兩束雷射光的光壓差來控制原子的移動與原子的轉動，朱棣文因此獲諾貝爾物理學獎。
由於奈米科技產品所需的電源極小，可能小到只有幾個電子的流量，故應防外界電磁波的干擾，因為我們生活的空間充滿了大量電磁波，如手機的電磁波、基地台的電磁波、電視電台的電磁波、以及宇宙來的電磁波等，這些電磁波都會對普通電器造成收訊、電流上的嚴重干擾而產生雜訊和突波，更何況是奈米科技產品。針對外界電磁波的防護，也是奈米重要產業之一。
但從另一角度來看，奈米科技產業的影響在於產品製造的過程中，因為元件的尺寸縮小很多，所以能大量節省原料、能源、和場地，而且製造過程是高品質的監控，有利降低製作成本。這個優點有利製造的行銷，提高市場上的競爭力。奈米產品科技的另一優點在於它花費的能量小、體積小、重量輕、易攜帶，但效用高、靈敏度高、活性度高和工作密度高。例如，用奈米科技製成的電子元件可使運轉速度更高、耗電量更小，也使得運轉所產生的熱源少而小，無須散熱系統解決熱的問題，在商業用途上更具競爭力。
以上介紹奈米產品的製造過程，是人類強行將原子、分子或奈米顆粒排成某種特定的圖案或粒子堆，以達到某種功能，這不但耗費人力、物力，也耗費時間，更無法設立自動化的生產線，對大量生產與降低成本相當不利。若能讓原子、分子或奈米顆粒自己複製自己，如同DNA或蛋白質自行複製，或者讓原子、分子或奈米顆粒自動排成某種特定的圖案或粒子堆－－好像童話故事般，只要把東西放在桌上，第二天就會有做好的產品擺在桌上，一切全自動不假人類之手，而且是自我繁殖般大量生產，減低成本就有希望了。
奈米機器人也可以依我們的要求，製造出我們需要的物質。例如我們要在荒蕪的土地上生出綠草與樹木：我們可以放出許多奈米機器人，它們會自動收集綠草與樹木的種籽，然後刺激種籽的發芽與生長，在極短的時間內生出綠草與樹木，甚至綠草與樹木的位置排列都替我們做好，我們不用擔心地球上的樹木會被砍伐光。奈米機器人也可到垃圾場收集各種廢料，然後分解、組合成各種原料後回收使用，可以使資源永續回收不虞匱乏。 奈米機器人也可以自動從大氣層裡擷取我們想要的氣體（如氧氣）加以純化，我們就可以不用擔心空氣污染了。如果那一天你想要吃牛排，奈米機器人會在空氣中收集到足夠的碳、氫、氧、氮等分子，然後到土壤裡收集需要的礦物質，接著將原子、分子排列變成碳水化合物、油脂及維生素，做成你想要吃的牛排。如果你想要吃不同口味的牛排，只需設定不同的程式，奈米機器人即可依據你要的口味做出不同的牛排；這樣一來，素食者或許也可以吃牛排而不用擔心殺生的問題了。
由以上的奈米狂想曲可知，奈米科技可以帶來隨心所欲的生活，我們想要什麼就有什麼，人類不再需要為了各種資源而你爭我奪，奈米科技如同神仙般，可以點石成金、種豆得瓜，人類新的經濟行為將重新衡量，各種行業重新改組，職業性質（如藍領、白領）也隨工作的定義不同而全盤翻新。
一、奈米材料的製造 現在許多奈米材料的製造非常簡單，但精確地控制尺寸和合成各種成份的奈米材料卻有一定的難度，所以製造更輕、更強和延展性佳的奈米材料，同時也必須具有壽命長和維持費用低的特點，才能在奈米尺寸層次上構築特定物理或化學性質的圖案或結構，進而成為奈米科技產品。 二、微小機械和電子元件 將各式機械元件和電子元件縮小至奈米尺寸是成為奈米科技產品的必經之路，這種縮小技術稱之為微機電系統或微系統(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)。微機電系統為一新興學門，綜合了電子、機械、材料、化工等各領域的科技，這將是奈米科技產業的先鋒，目前微機電系統技術已被用來製造微小感應偵測器及各種微小驅動器等，且應用在光電、通信及生物科技等領域。簡單地說，微機電系統主要乃是利用目前積體電路(integral circuit, IC)的製程技術及一些附屬的微加工技術，製作成各式各樣的機械結構，以達到元件的微小化目的，不但可大幅縮小元件體積、並且提高系統性能，以求生產成本的降低。 三、環境和能源 綜合各項結果，奈米科技產業將是綠色能源和環境保護技術發展的主要戰將，因為奈米科技產業可以減少污染、減少能源浪費，進而保護自然環境。 四、生物醫學技術 奈米科技將給醫學帶來變革，如藥物粉末奈米化，將使藥物在人體內的傳輸更為方便，或製造出奈米機器人進入人體後，可主動攻擊癌細胞或治療、修補損傷的細胞組織，有如奈米醫師駐在人體內做早期診斷與偵測。奈米科技可製造具有生物活性的人造蛋白質、核糖核酸等。現在奈米科技已經將動物的基因植入植物中，以使植物基因含有動物基因而創造出相同品種卻不同特性的植物，以期達到經濟之目的，另外，動植物的基因改良和治療、測定基因序列的基因晶片等，都需大量的奈米技術。 五、汽車、航太和航空 奈米科技應用在航空航太領域，不僅是減輕負擔，更重要的是有加強防護作用，如將機體表面奈米化，可使機體表面因蓮花效應而更加抗熱、抗磨損、及抗宇宙射線，且可使各項裝備的耐腐蝕、吸波性和散熱性大大提高；應用在汽車上也很實用。 六、國防安全
由於奈米科技對經濟社會的廣泛影響性，擁有奈米技術的知識產權，將使擁有奈米技術的國家，在國家經濟與國防安全方面處於有利地位。利用體積小、速度快的奈米科技的電子器件應用在資訊控制方面，將使軍隊更能在預警、搜尋敵人、導彈攔截等作出最快的反應。例如，阿富汗的反恐怖戰爭，若能應用奈米機器人和奈米機械設備，將提高部隊的靈活性和增加戰鬥的有效性。又如奈米科技可使國防安全的控制將更為嚴密有效，因為奈米機器人和奈米機械設備可無孔不入地檢查各種異狀，將可防堵類似九一一的恐怖攻擊事件。奈米表面的蓮花效應技術，可使武器裝備更加地耐腐蝕、吸震波，並且隱蔽性大大提高，可應用於艦船、潛艇和戰鬥機等。
經濟學之父亞當•斯密(A. Smith)早在一七七六年出版的《國富論》(The Wealth of Nations)中提到國家經濟致富之道：「農業經濟時代是一國以農業為創造財富的主要來源，也就是說，以土地、自然資源與人力為創造國家財富的最主要工具。工業經濟時代是一國以工業為創造財富的主要來源，在此時代，技術、資本與工業材料是主要生財工具。在服務業經濟時代，一國是以服務性的投入作為致富主要工具。在知識經濟時代，一國是以知識、科技與企業精神作為創造財富最主要工具，而非自然資源、資本與勞力。」 從各種觀點來看，奈米科技產業是知識經濟的最佳典範，因為奈米科技產業是高度技術密集的產業，需要大量擁有奈米科技知識的工作者，各大企業將除了利用技術、資金等條件追求利潤，更使用知識、科技與研發的冒險精神來創造財富，故各大企業主不再大量需求勞動力，而是大量雇用科技知識工作者。 在奈米科技的知識經濟時代，企業家會更加追求顧客至上化、產品多元化、管理彈性化，所以在數波工業革命的時代，一切講求制度化、標準化的管理方式已不再可行。彈性管理表示被僱用員工的終身僱用制度消失，固定工作環境與穩定所得不再，保護員工的集體力量，如工會和勞工法令，已不能有效保障員工的就業安全與所得安全的功能。現在員工必須要透過終身學習，主動地取得新知識，不斷地發揮創新能力，惟有如此才能保障其工作與所得的穩定。換而言之，在奈米科技知識經濟時代，不斷提升本身知識創新的能力就是保障自己事業穩定、收入穩定的最佳利器。 目前服務業的發展已經逐漸在經濟佔很大的比例，未來服務業的就業人口比例仍將繼續增加，而且可預見在將來服務業會成為最主要的行業，故未來服務業將朝專業化、高附加價值方向發展，如國際貿易、運輸倉儲、通訊、金融、保險等專業性服務。而在奈米經濟的時代，資訊的變動仍會非常快速，甚至比現在還快，一旦掌握資訊的速度比別人慢了一步，就有可能錯失商機。如何提供正確又快速的即時資訊，對企業的決策將會產生重大的影響，因此知識技術及資訊傳遞等軟性服務，如電子商務、網際網路服務業等，需要更快的傳訊速度將大量的資訊傳達全球各地，奈米科技將可達成此項目的硬體服務。
二○○二年元旦，中國大陸與台灣雙雙加入世界貿易組織(World
Trade Organization, WTO)，國家經濟面臨全面開放與全球化，企業面臨國際化的競爭、多樣化的產品，在此新的形勢下，只有快速吸收新的觀念和隨時創新知識，才能適應環境變化。我們必須體認知識經濟成為生產的基本要素，知識經濟必須藉由商品化和市場化成為經濟發展的火車頭。由於國家將來能直接生產的人會愈來愈少，因為勞力密集的產業移往人力便宜的地區與國家，台灣已有許多行業因此消失，大量藍領階級的失業、經濟景氣低落，若這種情況持續而不加以適時改善，國力將逐漸衰弱。國家領導人必須藉由知識經濟的發展，找到短期與長期的因應模式，使經濟脫困而出，扭轉經濟的困局。
奈米科技不只會對半導體電子和資訊科技工業造成重大衝擊，一旦掌握了奈米技術的運用，開發出的產品具備非常廣泛的實用性，也會對化學、生物和醫學技術有相同的貢獻，未來從高科技的航太、軍事、電腦，到一般民生用品如食品、衣料、行動電話、一般家電，皆具有非常廣大的市場和影響力。因此在整個產值上，奈米科技產業將會佔有愈來愈多的比例，非常值得國家大量投資，加緊奈米科技的研發工作。 西元二○○○年美國前總統柯林頓於卸任前推動國家奈米技術創新（其網站為http://www.nano.gov/）計畫，於二○○一年投資近五億美元於奈米技術，期望未來奈米技術帶動美國的景氣，並使美國的科技領先世界其他各國。二○○一年夏天，美國總統小布希宣佈美國二○○二年國家科學研究發展計畫，將投資五億一千八百九十萬美元於國家奈米技術創新計畫。 歐洲方面，使用循序漸進及重點式的發展策略，因為歐洲具有傳統的科學研究精神，奈米科技在歐洲早已有傲人的成績，如製造出掃描穿隧式顯微鏡、解釋碳六十結構、大量製造奈米碳管等。 歐盟四年（二○○二至二○○六年）內將投資十三億歐元（約十二億美元），來研究發展奈米科技。德國政府政策導向地選出幾個科技重點單位，如馬克斯蒲朗克研究院(Max-Planck Institute，相當於我們的中央研究院)，與德國各大學研究所及著名的公私立研究所，預計集合工業界的資源，針對各項奈米專題，如：奈米理論在光學、分析、材料等的應用研究。英國更成立國家級奈米研究院(Institute of Nanotechnology)，負責奈米科技的資訊搜集與投資研究，並與英國國內各大學合作開發奈米新技術。
日本方面也投入五百一十二億日圓（約四億美元）於奈米科技的研發，在各國投入如此龐大巨額的資金後，是不是能從奈米科技獲得實際上的利潤呢？
有人相信到二○一○年左右，以矽為材料的微米級電子電路技術將走到盡頭，奈米碳管將成為替代矽和其他半導體材料的最佳材料，可以開發出比現在傳輸速度與密度高五十倍至一百倍，且省電效益高五十倍至一百倍的電子設備。 更有人認為，奈米科技產品將會引發新的電腦革命。二○一○年，奈米科技產品會擁有一兆四千四百億美元的市場，僅次於晶片製造，為世界數一數二的大產業。事實上，已有許多美國中小企業，如NanoAnalytics公司、Nanotype公司、Nanogate公司奪得先機，紛紛成立創投公司，無一不想搶搭奈米尖端科技列車，而一舉致富。 由於奈米碳管的彈性極高，其張力強度比鋼絲強上百倍，但重量卻極輕，且兼具金屬的性質與半導體的性質，故奈米碳管的應用範圍極廣，可以用作電路中的連接件、可以用作電路開關、可用在平面顯示器等。奈米碳管的發現者飯島澄男預估：二○○五年至二○一○年左右就可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面奈米碳管顯示器。 事實上，韓國 三星公司已經成功地研究出四•五英吋全彩影像的奈米碳管平面顯示器，而且準備推出以解析度為576×242條色彩九英吋全彩奈米碳管平面顯示器。我們還可預期在五年至十年內，奈米碳管電池也將開發出來，奈米碳管具有極高儲存電力，但極輕的重量，可改善現有電池所有的缺點，如同電池工業的一場革命，未來對電動汽車工業極有幫助。 由於對奈米碳管製造技術的不成熟，製造成本高，且生產量少，奈米碳管產品在上市初期價格居高不下，但因非常搶手，故仍有大量的利潤。奈米碳管在剛出現之後，每公克售價為一千美元，而黃金是每公克十美元，奈米碳管的價值是黃金的一百倍。碳六十的製造與發現者、諾貝爾獎得主史莫利與一些人共同創辦了奈米科技公司(Carbon Nanotechnologies Inc., CNI)，準備大量生產奈米碳管，其著眼點就在奈米碳管驚人的應用和商業價值潛能。 史莫利在接受訪問時曾說：如果將奈米碳管和鋼纜交織成一個支架，支架的強度可以支撐一個從地球表面而起，位於三萬五千二百公里的高空平台。他接著預估，奈米碳管市場大餅每年可達一千億美元。但要實現這樣的美夢，還要花好幾年時間，因為奈米碳管量產技術也有待進步，目前能量產的CNI公司每日只能製造二十五公克，年營業額達四百萬美元。其他有能力量產奈米碳管的公司不多，日本三菱和兩家美國公司各出三分之一資金成立的國際富勒烯公司(Fullerene International)，目前每日也只能製造三十公克。
如果奈米碳管價格降到每公克三十三美元，而且年產量可達一噸，將可供應產值達數十億美元的電腦及電視顯示器的產業，如果價格降到每公克二十二美元，則有更多產業都能運用，例如可做汽車車身、防彈衣、太空梭機身、雷達無法偵測的隱形飛機的機殼等。如果降到四•四美元，則可運用於一般日常生活用品，例如衣服、繩索、假髮等。
從近幾年的經濟數據顯示，我國的綜合競爭力不斷下降，而國家競爭力下降的一個重要因素是科技創新能力的下降，而科技創新能力的下降在於國家投資科技研發的資金過少，且缺乏有效規畫。而國內各大企業也沒有成為科學技術創新的主體──如美國的IBM公司、日本的NEC公司、韓國的三星公司等。另外，我國官方與民間於高科技創新系統整合不夠，致使國家整體 科技開發的資金與人力的投入嚴重不足。 因此，在經濟全球化、及奈米科技快速發展的今天，依靠美、歐、日的科學技術和管理經驗是不夠用的，因為適應經濟全球化和政治多元化的要求下，我們必須加強自己的奈米科技創新能力，以提高我國國家競爭力。而科技持續創新是現代市場經濟競爭的關鍵，科技的發展甚至決定了一個國家的發展方式和發展空間，科技創新不僅指技術開發，而是從動機、設計、研發、生產、市場開拓等整個過程。適應國際市場統合的高度競爭性，和在未來經濟發展的戰略優勢，能越早在奈米科技領域上研究發展，對各國而言將是刻不容緩的課題。 |