在晴朗的夜空中，有幾點紅、綠、白色的燈光緩緩地飛過，
同時還傳來一陣隆隆的聲音。這是飛機在夜空中飛行。
飛機在天空中飛行時，儘管天空非常廣闊，但由於飛行
速度很快，因此仍然可能發生對撞事故。為了避免這種危險，
飛行員必須時刻關注自己前後左右和上下方有沒有飛機在飛
行，及時判斷是否存在事故隱患。「紅綠燈」就是飛機上的
航行燈，它為飛行員起到導航的作用。每架飛機上都裝有3
盞航行燈，在飛行員左側機翼尖上的是紅燈，右側機翼尖上
的是綠燈，機尾上裝有一盞白燈。
飛機在夜間航行時，必須打開航行燈。如果飛行員能同
時看見三盞燈，這說明在自己的上空或下方有飛機在飛行，
這時是沒有危險的。如果只能看到紅色和綠色的航行燈，說
明有一架飛機正在迎面飛來，有對撞的危險，要設法避開。
如果只能看見一盞紅燈或綠燈，那說明在左側或右側有飛機
在飛行，只要不偏離航線是不會相撞的。
當遇到有霧的天氣，光靠航行燈是不夠的，這時飛行員
就得借助飛機上的雷達來判斷飛近飛機的航向和距離。根據
雷達不斷向周圍發射出的無線電波，飛行員可及時調整飛機
的航向和速度，以免發生撞機事故。
2011年6月2日星期四
2009年8月13日星期四
奈米銀
生活中的銀
銀的化學性質穩定，表面不易氧化，而能常保光澤。又因為質地柔軟富延展性，容易加工成各種飾品，再加上稀有性，使得金屬銀有貨幣的價值。例如西班 牙在大航海時代，就曾把南美殖民地所產的銀運回歐洲。另外中國在清末向英國購買鴉片或條約賠款，也都用白銀支付，可見白銀在當時是國際貿易認可的貨幣。
純銀又稱為足銀（即銀含量不小於千分之九百九十），由於過於柔軟，製品很容易因外力而變形，因此一般的飾品常使用 925 銀，藉由添加少量銅來改善它的機械性質。全世界對銀的需求主要在三個領域：電子工業（約 42％）、珠寶與銀器（約 28％）、以及相片製造（約 21％），不過後者的需求會隨著數位相機的普及而逐漸減少。
金屬銀有許多非常優異的特性，例如它的導熱與導電的性質，甚至略優於銅，還有對光的反射性能也很好。許多頂級的音響玩家，為了得到較低的電阻界面，甚至使用鍍銀等級的喇叭線。另外一些光學儀器也使用鍍銀的鏡面做為反射鏡。
再者，銀的化合物如氯化銀、溴化銀等對光線特別敏感，容易因受光還原出金屬銀而變黑。利用這個特殊的性質，銀被大量使用在底片、相紙上。在電子工 業方面，銀則多應用於被動元件的電極燒製，例如以含有銀粉的漿料印刷出導電線路，利用高溫燒去其他的有機物，銀粉藉由再結晶而形成導電線路，汽車的除霧線 也是如此製造的。
奈米尺度的銀微粒
一個奈米等於十億分之一米，大約是分子或 DNA 的大小，或是頭髮直徑的十萬分之一。奈米粒子一般是指小於 100 奈米的微粒，當材料小至奈米尺寸時，單位體積的表面積會大幅增加，因此有較高比率的原子位於材料表面，而使其具有高度的化學活性。另外，在如此小的尺度 下，原子或周邊的電子會出現量子效應，其行為與巨觀材料不同。這些特性使得奈米科技成為熱門的研究領域，研究人員也積極尋求這些特殊性質的新用途。
然而怎樣才能得到這些奈米粒子呢﹖方法之一是機械研磨法，也就是「由上往下」的方式。試想要如何把銀飾「磨」成像墨水一樣的「漿」呢？單純的機械 研磨當然難以達成這一目標，因為傳統機械研磨的極限大約在 100 奈米，而且成品的粒徑分布很寬，應該無法做出均勻的奈米級銀漿。
另外是採用「由下往上」的觀念，也就是在銀離子溶液中，利用化學還原劑或光線的照射激發，使銀離子獲得電子而變為金屬態的銀。奈米銀就是指奈米尺 度的金屬態銀。英國化學家法拉第就曾製作出金、銀的奈米粒子，當時稱之為膠體。由於缺乏先進的分析儀器，對金屬膠體並未做進一步的探究，不過當時他確知製 作出的是金屬粒子，而且粒徑很小，可以穩定懸浮在液體中。
在製作奈米銀的過程中，最重要的關鍵在於如何避免金屬微粒繼續長大，或者因彼此凝聚而變大，其中有不少的化學技巧可以使用，尤其是各種保護劑的應 用，這些保護劑會吸附在微粒的表面上，抑制它們的成長或凝聚。但是有些保護劑因為會選擇性地吸附在特定晶面上，使得長出來的銀微粒具有特定的形狀，例如球 形、三角形、絲狀或四方形的晶體。
當合成的奈米銀粒徑小於 50 奈米時，在布朗運動的作用下，銀粒子足以抗拒地心引力，而保護劑可以抑制粒子間的凝聚變大，因此可以得到穩定的懸浮液體，短時間內，甚至長達數周，都不會有明顯的沉澱現象。
若把奈米銀稀釋，可得到澄清透明的亮黃色液體，這是因為奈米銀在波長410奈米附近有特定的光譜吸收峰。當金屬粒子粒徑遠小於入射光波長時，表面 電子因受到入射光的激發，引起集體式的偶極振盪，造成表面電子偏極化，稱為「表面電漿共振」。這種表面電漿共振現象會隨著金屬的種類、粒徑、形狀及分散溶 劑的不同而有所差異，黃色是奈米銀所獨有，奈米金則是紅色。但這是在稀釋狀態下，若濃度增加，外觀顏色則由黃褐色變為墨綠色。
在電子產業上的應用
噴繪連接導線：試想若能像印表機噴印照片一樣來製作電路板，不知該有多方便。由於奈 米銀顆粒非常微小，透過噴墨頭布線應是可行的方法。採用噴墨技術進行生產有什麼好處呢？目前工業上多使用光阻曝光與蝕刻來製作電路板，製程複雜、成本又 高。若能改用金屬微粒噴墨法，則可以省去光阻劑的曝光及後續的蝕刻程序，因此適合品種多、產量少的製程，更可以節省材料與簡化步驟。目前以噴墨技術利用奈 米銀墨水製作導線的方式已證實可行。
不過噴墨導線技術還沒有達到可生產的水準，還有若干問題，例如由於材料熱膨脹誤差所造成的斷線和變形、金屬材料與基板的黏著力還有待改善、在溫度 變化下電子遷移的問題等。此外，使噴墨裝置正常噴射所需的材料分散技術與黏度控制，目前也還不夠完善。雖然如此，噴墨仍然可能成為未來電路與晶片製造的重 要技術之一。
噴繪被動元件：奈米銀噴墨塗布也可能應用於積層陶瓷被動元件的製程。一般多層積層陶 瓷電容需要有薄的導電層與介質層，使產品能有更高的層數。當前世界最高生產水準的介質厚度是四微米、容量是 100 微法拉以上的陶瓷電容。如能使用噴墨技術製作奈米銀微粒的導電層，再配合奈米陶瓷介電材料噴墨技術，單層電容總厚度可小於一微米。如此一來便有機會在1毫 米的厚度內製作超過 1,000 層的高容量電容器，當然這還有待研究人員的繼續努力。
由於可經由電腦控制噴塗導電層與介電陶瓷材料，因此噴塗技術也可用於製作較複雜的整合型被動元件，如天線、濾波器、阻抗匹配電路等。如果這種技術開發成功，不但積層陶瓷元件可以縮得更小，製程也會更簡單。
隱身塗料
在過去，反射用的銀薄膜是透過像銀鏡反應的化學方法把銀沉積在基材表面上。由於奈米銀顆粒微小均一，使用一般塗布法就可使塗層達到鏡面的反射效果，施工方式簡易許多。
另因金屬銀膜對遠紅外線有高反射低發射的性質，若把奈米銀膠體直接噴塗覆蓋在高紅外線發射材料的表面上，可降低材料表面的紅外線輻射強度，使紅外線偵測器無法準確判斷是否為發熱源，而達到「隱身」效果，因此奈米銀有成為隱身塗料的潛力。
奈米銀催化劑
銀本身具有獨特的催化性質，特別是使用在烯類環氧化反應上，如乙烯反應成環氧乙烯，和甲醇選擇性氧化反應形成甲醛。它特殊的催化性質可歸因於銀易與氧分子形成化學鍵結。
近年來由於奈米科技的進步，工業界已可大量製作奈米銀。當銀顆粒尺寸縮小到奈米等級時，因為比表面積增大，活性也大幅提升，造成反應速率加快或反應溫度降低的效果，而成為具有商業競爭力的觸媒。因此可預期奈米銀會是觸媒產業的明日之星。
抗菌產品
近年來為了追求更安全衛生的環境，生活中的許多用品在設計時都把自潔抗菌等功能列入考量。抗菌劑的使用必須考慮安全性與環境保護，許多抗菌劑已經 使用了很長的時間，也發揮了抗菌的功效，但由於它們會持續釋放出毒性物質污染環境，這類的抗菌劑已逐漸被禁止使用，取而代之的是金屬銀的奈米粒子。
銀離子對於細菌的毒性及生物體的刺激性已是大家習知的事實，一般認為銀離子會使 DNA 失去複製蛋白質的能力，而且銀離子也會與蛋白質上的某些官能基形成鍵結，因而使蛋白質受損。奈米銀的抗菌效果又是如何達成的呢？它的抗菌機制為何？學者傾 向的解釋是金屬粒子表面有一層氧化物，氧化銀在水中會水解成銀離子與氫氧根離子，其中溶出的微量銀離子便是造成抗菌效果的根源。
2004 年 Sondi 等人曾使用自行合成的奈米銀粒子做為抗菌劑，測試它對大腸桿菌的抗菌效果。研究結果顯示與奈米銀接觸的大腸桿菌，細胞壁上產生了許多小孔洞，奈米銀粒子則累積在細胞壁上。細胞壁形成孔洞之後會使得細胞壁的透過度顯著增加，最後造成細胞的死亡。
抗菌纖維：每天穿在身上的貼身衣物，醫療用的床單被套、止血紗布等，都有抗菌的需 求，利用奈米銀抗菌技術可達到抑制有害病菌滋生的效果。從最常見的天然棉纖維到聚酯、尼龍等人造纖維，許多研究者用各種方法把奈米銀微粒散布到這些纖維 上，希望能製作出具有抗菌效果又耐水洗的纖維材料。
把奈米銀微粒均勻地散布到纖維上，主要有兩種方式。最常見的是在布料染整時以奈米銀懸浮液為染料，先把清潔的布料放入奈米銀懸浮液中浸漬，再加壓使懸浮液均勻吸收到纖維內，並壓除過多的液體，最後再控制乾燥過程把奈米銀微粒固定在布料纖維上。
另一種處理方式是直接在纖維表面上還原出奈米銀微粒。2003 年 Yuranova 等人曾使用電漿及紫外光對人造纖維進行表面改質，再把纖維浸漬在硝酸銀水溶液中，使銀離子與纖維表面上的官能基螯合後，加入還原劑使銀離子還原成金屬粒子，並且直接連結在纖維表面上。
抗菌骨骼癒合劑：應用於人體內的修補材料、治療藥劑最好都能具有抗菌功能，以避免治療環境中的細菌對組織造成感染。2004年Alt等人曾把奈米銀微粒混入骨骼癒合劑中，發現利用奈米銀做為抑制細菌滋生的抗菌劑中，可避免組織感染。
此外也藉由體外的毒性實驗，探討添加奈米銀的骨骼癒合劑對於成骨細胞生長的影響，以及對於成骨細胞的毒性。實驗結果顯示添加銀離子的骨骼癒合劑， 對於多種細菌具有顯著的殺滅效果，然而銀離子對於活體細胞的刺激性卻限制了它在臨床上使用的可行性。不過若改用奈米銀粒子，不但仍具有抑制細菌繁殖的效 果，它對於成骨細胞的生物毒性也遠低於銀離子。
奈米銀應用的未來
把銀奈米化後所得到的大表面積，會使銀的功能大幅增加，同時也因新功能的出現，連帶開發出許多奈米銀的新應用。例如均勻分散在溶液中的高濃度奈米銀膠體，可以利用噴墨技術製作導電線路，應用於電子工業中，取代步驟繁瑣且消耗許多化學材料的上光阻、曝光、顯影、蝕刻等製程。
此外，因為銀墨水容易塗布，所以也可利用銀微粒對遠紅外線有效反射的特性製作銀薄膜，使奈米銀粒具有做為隱身材料的潛力。不過來自奈米銀的抗菌效用，大概是目前最容易實現的應用領域，不少民生商品業已推出，希望藉由持續的研究，奈米銀可以為人們做出更大的貢獻。
銀的化學性質穩定，表面不易氧化，而能常保光澤。又因為質地柔軟富延展性，容易加工成各種飾品，再加上稀有性，使得金屬銀有貨幣的價值。例如西班 牙在大航海時代，就曾把南美殖民地所產的銀運回歐洲。另外中國在清末向英國購買鴉片或條約賠款，也都用白銀支付，可見白銀在當時是國際貿易認可的貨幣。
純銀又稱為足銀（即銀含量不小於千分之九百九十），由於過於柔軟，製品很容易因外力而變形，因此一般的飾品常使用 925 銀，藉由添加少量銅來改善它的機械性質。全世界對銀的需求主要在三個領域：電子工業（約 42％）、珠寶與銀器（約 28％）、以及相片製造（約 21％），不過後者的需求會隨著數位相機的普及而逐漸減少。
金屬銀有許多非常優異的特性，例如它的導熱與導電的性質，甚至略優於銅，還有對光的反射性能也很好。許多頂級的音響玩家，為了得到較低的電阻界面，甚至使用鍍銀等級的喇叭線。另外一些光學儀器也使用鍍銀的鏡面做為反射鏡。
再者，銀的化合物如氯化銀、溴化銀等對光線特別敏感，容易因受光還原出金屬銀而變黑。利用這個特殊的性質，銀被大量使用在底片、相紙上。在電子工 業方面，銀則多應用於被動元件的電極燒製，例如以含有銀粉的漿料印刷出導電線路，利用高溫燒去其他的有機物，銀粉藉由再結晶而形成導電線路，汽車的除霧線 也是如此製造的。
奈米尺度的銀微粒
一個奈米等於十億分之一米，大約是分子或 DNA 的大小，或是頭髮直徑的十萬分之一。奈米粒子一般是指小於 100 奈米的微粒，當材料小至奈米尺寸時，單位體積的表面積會大幅增加，因此有較高比率的原子位於材料表面，而使其具有高度的化學活性。另外，在如此小的尺度 下，原子或周邊的電子會出現量子效應，其行為與巨觀材料不同。這些特性使得奈米科技成為熱門的研究領域，研究人員也積極尋求這些特殊性質的新用途。
然而怎樣才能得到這些奈米粒子呢﹖方法之一是機械研磨法，也就是「由上往下」的方式。試想要如何把銀飾「磨」成像墨水一樣的「漿」呢？單純的機械 研磨當然難以達成這一目標，因為傳統機械研磨的極限大約在 100 奈米，而且成品的粒徑分布很寬，應該無法做出均勻的奈米級銀漿。
另外是採用「由下往上」的觀念，也就是在銀離子溶液中，利用化學還原劑或光線的照射激發，使銀離子獲得電子而變為金屬態的銀。奈米銀就是指奈米尺 度的金屬態銀。英國化學家法拉第就曾製作出金、銀的奈米粒子，當時稱之為膠體。由於缺乏先進的分析儀器，對金屬膠體並未做進一步的探究，不過當時他確知製 作出的是金屬粒子，而且粒徑很小，可以穩定懸浮在液體中。
在製作奈米銀的過程中，最重要的關鍵在於如何避免金屬微粒繼續長大，或者因彼此凝聚而變大，其中有不少的化學技巧可以使用，尤其是各種保護劑的應 用，這些保護劑會吸附在微粒的表面上，抑制它們的成長或凝聚。但是有些保護劑因為會選擇性地吸附在特定晶面上，使得長出來的銀微粒具有特定的形狀，例如球 形、三角形、絲狀或四方形的晶體。
當合成的奈米銀粒徑小於 50 奈米時，在布朗運動的作用下，銀粒子足以抗拒地心引力，而保護劑可以抑制粒子間的凝聚變大，因此可以得到穩定的懸浮液體，短時間內，甚至長達數周，都不會有明顯的沉澱現象。
若把奈米銀稀釋，可得到澄清透明的亮黃色液體，這是因為奈米銀在波長410奈米附近有特定的光譜吸收峰。當金屬粒子粒徑遠小於入射光波長時，表面 電子因受到入射光的激發，引起集體式的偶極振盪，造成表面電子偏極化，稱為「表面電漿共振」。這種表面電漿共振現象會隨著金屬的種類、粒徑、形狀及分散溶 劑的不同而有所差異，黃色是奈米銀所獨有，奈米金則是紅色。但這是在稀釋狀態下，若濃度增加，外觀顏色則由黃褐色變為墨綠色。
在電子產業上的應用
噴繪連接導線：試想若能像印表機噴印照片一樣來製作電路板，不知該有多方便。由於奈 米銀顆粒非常微小，透過噴墨頭布線應是可行的方法。採用噴墨技術進行生產有什麼好處呢？目前工業上多使用光阻曝光與蝕刻來製作電路板，製程複雜、成本又 高。若能改用金屬微粒噴墨法，則可以省去光阻劑的曝光及後續的蝕刻程序，因此適合品種多、產量少的製程，更可以節省材料與簡化步驟。目前以噴墨技術利用奈 米銀墨水製作導線的方式已證實可行。
不過噴墨導線技術還沒有達到可生產的水準，還有若干問題，例如由於材料熱膨脹誤差所造成的斷線和變形、金屬材料與基板的黏著力還有待改善、在溫度 變化下電子遷移的問題等。此外，使噴墨裝置正常噴射所需的材料分散技術與黏度控制，目前也還不夠完善。雖然如此，噴墨仍然可能成為未來電路與晶片製造的重 要技術之一。
噴繪被動元件：奈米銀噴墨塗布也可能應用於積層陶瓷被動元件的製程。一般多層積層陶 瓷電容需要有薄的導電層與介質層，使產品能有更高的層數。當前世界最高生產水準的介質厚度是四微米、容量是 100 微法拉以上的陶瓷電容。如能使用噴墨技術製作奈米銀微粒的導電層，再配合奈米陶瓷介電材料噴墨技術，單層電容總厚度可小於一微米。如此一來便有機會在1毫 米的厚度內製作超過 1,000 層的高容量電容器，當然這還有待研究人員的繼續努力。
由於可經由電腦控制噴塗導電層與介電陶瓷材料，因此噴塗技術也可用於製作較複雜的整合型被動元件，如天線、濾波器、阻抗匹配電路等。如果這種技術開發成功，不但積層陶瓷元件可以縮得更小，製程也會更簡單。
隱身塗料
在過去，反射用的銀薄膜是透過像銀鏡反應的化學方法把銀沉積在基材表面上。由於奈米銀顆粒微小均一，使用一般塗布法就可使塗層達到鏡面的反射效果，施工方式簡易許多。
另因金屬銀膜對遠紅外線有高反射低發射的性質，若把奈米銀膠體直接噴塗覆蓋在高紅外線發射材料的表面上，可降低材料表面的紅外線輻射強度，使紅外線偵測器無法準確判斷是否為發熱源，而達到「隱身」效果，因此奈米銀有成為隱身塗料的潛力。
奈米銀催化劑
銀本身具有獨特的催化性質，特別是使用在烯類環氧化反應上，如乙烯反應成環氧乙烯，和甲醇選擇性氧化反應形成甲醛。它特殊的催化性質可歸因於銀易與氧分子形成化學鍵結。
近年來由於奈米科技的進步，工業界已可大量製作奈米銀。當銀顆粒尺寸縮小到奈米等級時，因為比表面積增大，活性也大幅提升，造成反應速率加快或反應溫度降低的效果，而成為具有商業競爭力的觸媒。因此可預期奈米銀會是觸媒產業的明日之星。
抗菌產品
近年來為了追求更安全衛生的環境，生活中的許多用品在設計時都把自潔抗菌等功能列入考量。抗菌劑的使用必須考慮安全性與環境保護，許多抗菌劑已經 使用了很長的時間，也發揮了抗菌的功效，但由於它們會持續釋放出毒性物質污染環境，這類的抗菌劑已逐漸被禁止使用，取而代之的是金屬銀的奈米粒子。
銀離子對於細菌的毒性及生物體的刺激性已是大家習知的事實，一般認為銀離子會使 DNA 失去複製蛋白質的能力，而且銀離子也會與蛋白質上的某些官能基形成鍵結，因而使蛋白質受損。奈米銀的抗菌效果又是如何達成的呢？它的抗菌機制為何？學者傾 向的解釋是金屬粒子表面有一層氧化物，氧化銀在水中會水解成銀離子與氫氧根離子，其中溶出的微量銀離子便是造成抗菌效果的根源。
2004 年 Sondi 等人曾使用自行合成的奈米銀粒子做為抗菌劑，測試它對大腸桿菌的抗菌效果。研究結果顯示與奈米銀接觸的大腸桿菌，細胞壁上產生了許多小孔洞，奈米銀粒子則累積在細胞壁上。細胞壁形成孔洞之後會使得細胞壁的透過度顯著增加，最後造成細胞的死亡。
抗菌纖維：每天穿在身上的貼身衣物，醫療用的床單被套、止血紗布等，都有抗菌的需 求，利用奈米銀抗菌技術可達到抑制有害病菌滋生的效果。從最常見的天然棉纖維到聚酯、尼龍等人造纖維，許多研究者用各種方法把奈米銀微粒散布到這些纖維 上，希望能製作出具有抗菌效果又耐水洗的纖維材料。
把奈米銀微粒均勻地散布到纖維上，主要有兩種方式。最常見的是在布料染整時以奈米銀懸浮液為染料，先把清潔的布料放入奈米銀懸浮液中浸漬，再加壓使懸浮液均勻吸收到纖維內，並壓除過多的液體，最後再控制乾燥過程把奈米銀微粒固定在布料纖維上。
另一種處理方式是直接在纖維表面上還原出奈米銀微粒。2003 年 Yuranova 等人曾使用電漿及紫外光對人造纖維進行表面改質，再把纖維浸漬在硝酸銀水溶液中，使銀離子與纖維表面上的官能基螯合後，加入還原劑使銀離子還原成金屬粒子，並且直接連結在纖維表面上。
抗菌骨骼癒合劑：應用於人體內的修補材料、治療藥劑最好都能具有抗菌功能，以避免治療環境中的細菌對組織造成感染。2004年Alt等人曾把奈米銀微粒混入骨骼癒合劑中，發現利用奈米銀做為抑制細菌滋生的抗菌劑中，可避免組織感染。
此外也藉由體外的毒性實驗，探討添加奈米銀的骨骼癒合劑對於成骨細胞生長的影響，以及對於成骨細胞的毒性。實驗結果顯示添加銀離子的骨骼癒合劑， 對於多種細菌具有顯著的殺滅效果，然而銀離子對於活體細胞的刺激性卻限制了它在臨床上使用的可行性。不過若改用奈米銀粒子，不但仍具有抑制細菌繁殖的效 果，它對於成骨細胞的生物毒性也遠低於銀離子。
奈米銀應用的未來
把銀奈米化後所得到的大表面積，會使銀的功能大幅增加，同時也因新功能的出現，連帶開發出許多奈米銀的新應用。例如均勻分散在溶液中的高濃度奈米銀膠體，可以利用噴墨技術製作導電線路，應用於電子工業中，取代步驟繁瑣且消耗許多化學材料的上光阻、曝光、顯影、蝕刻等製程。
此外，因為銀墨水容易塗布，所以也可利用銀微粒對遠紅外線有效反射的特性製作銀薄膜，使奈米銀粒具有做為隱身材料的潛力。不過來自奈米銀的抗菌效用，大概是目前最容易實現的應用領域，不少民生商品業已推出，希望藉由持續的研究，奈米銀可以為人們做出更大的貢獻。
顛覆傳統的無聲馬達──超音波馬達
何謂超音波馬達
超音波馬達是二十世紀七○年代提出的一種新型馬達，發展的歷史不過30年，卻已有許多不同結構的馬達陸續問世，特別是日本工業界更是積極投入這個 領域的研究開發，例如SHINSEI、CANON、SONY、SEIKO、NEC……等公司，都有許多關於超音波馬達的專利與應用。雖然目前超音波馬達的 應用尚不及常見的電磁馬達那麼普遍，但是它有一些電磁馬達所不能及的優點。在某些特殊場合使用超音波馬達，可以使工作效率大為提升。
閱讀本文後，讀者不妨試著找找看，周遭有哪些東西已經應用超音波馬達，以及在哪些場合也可能需要使用這種馬達。在了解超音波馬達之前，首先要知道 什麼是超音波。一般而言，人耳所能聽到的聲音頻率範圍大約在20赫茲～20千赫茲之間，而超過20千赫茲以上，人耳無法辨識的頻率便稱為超音波。
那麼究竟什麼是超音波馬達？其基本工作原理又為何？簡單地說，利用壓電材料輸入電壓會產生變形的特性，使其能產生超音波頻率的機械振動，再透過摩擦驅動的機構設計，讓超音波馬達如同電磁馬達一般，可做旋轉運動或直線式移動。
通常電磁馬達運轉時我們會覺得有雜音，這是因為馬達內部結構產生振動，而振動頻率恰好在我們耳朵可以感受的頻率範圍內。超音波馬達的振動頻率則設計在人耳所能聽到的範圍之外，所以當它運轉時我們感覺不到有聲音，因而覺得非常安靜，這是超音波馬達一個相當重要的特色。
神奇的壓電效應
在上面的說明中，我們知道壓電材料在超音波馬達內扮演著極為重要的角色，接下來將引導各位進入壓電的世界。壓電效應是一八八○年居里兄弟 （Jacques Curie, 1855-1941; Pierre Curie, 1859-1906）發現的，他們在研究晶體熱電現象與結晶對稱關係時，認為這個現象可能是由加熱時晶體體積發生變化所導致的。根據這個想法他們做了許多 實驗，發現電氣石或石英等天然礦石晶體受到壓力時，由於體積變化，在晶體表面會有微小電荷產生。
隔年，他們又發現當晶體置於電場中時也會造成體積上的變化，證明了這種現象是可逆的。這個發現開啟了一項新的研究領域，即「壓電效應的探討與應 用」。因為壓電效應是可逆的，所以把材料因體積變化而產生電壓的效應稱為「正壓電效應」；反之，材料因加入電壓而造成體積變化的效應稱為「逆壓電效應」； 而具有壓電效應的材料則統稱為「壓電材料」。
具壓電效應的材料除了天然的晶體，如石英、電氣石、羅德鹽等材料以外，還能以人工的方式製造，如氧化鋅、聚合物、陶瓷材料、複合材料等。其中陶瓷材料因為製造容易、可製成任何形狀、且其特性可隨組成做多樣性的變化等優點，目前已經成為壓電元件的主流。
一般而言，壓電陶瓷材料具有體積小、響應快速、位移量小、消耗功率低等特色。但也有一些使用上的限制，例如材質易脆等。雖然可以承受較大的正向壓 力，但是當它承受不均勻的力量時，也很容易造成材料的破壞。另外，其特性受溫度影響大也是一種限制，故而直接影響超音波馬達的性能。
目前壓電陶瓷材料應用的範圍相當廣。利用材料的正壓電效應可應用於感測器、點火器等；而逆壓電效應則可做成致動器、蜂鳴器、超音波轉換器等裝置。
很明顯地在超音波馬達中，主要是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應，從外部輸入高頻電壓訊號，就會產生高頻的機械振動。雖然壓電材料體積的變化量非常小，約微米甚至是奈米量級，不過透過一秒數萬次的振動放大，使得超音波馬達可以兼顧高位移解析度與長行程的特色。
超音波馬達的起源
在超音波馬達問世之前，實際上已有利用壓電材料振動特性來驅動的壓電馬達，惟其頻率並不限於超音波的範圍。早在一九四八年威廉和布朗就申請了「壓 電馬達」的美國專利；一九六一年寶路華鐘表公司研製出音叉驅動的手表；一九七○～一九七二年西門子和松下兩公司發展出線型壓電步進馬達，不過因為無法達到 較大的輸出力及效率，所以當時並沒有普遍地應用。
一九七三年美國IBM公司的巴特（H.V. Barth），首次提出利用壓電元件以超音波振動的方式來驅動的馬達，但因為磨耗上的問題，和之前的手表案例一樣，僅發表出來而沒有實際上的應用。幾乎同 時，俄國人V.H. Lavrinenko也設計了一些驅動原理相同的馬達結構；一九七八年瓦西里耶夫（P.E. Vasiliev）則是利用超音波轉換器作為馬達的驅動來源，不過都沒有發展出完整的馬達結構。
一九八○年日本指田年生（Toshiiku Sashida）研製出以振動片驅動的超音波馬達，具有較完整的馬達結構。至此，以壓電材料產生超音波振動來驅動馬達的概念就開始慢慢地發展起來。雖然因 為磨耗以及溫度上升等問題，使得這些超音波馬達仍然沒有實際的應用，不過已具有高精度、低速高轉矩等特色。
直到一九八二年，指田年生又發展出一種新型的超音波馬達驅動方式，在設計上已經考慮到磨耗的改善，這才是第一個真正達到具有商業應用價值的超音波馬達，且首先應用在照相機的自動對焦系統中，這也是目前使用超音波馬達最多的領域。
超音波馬達和電磁馬達的比較
超音波馬達突破了傳統電磁馬達的觀念，沒有了線圈與磁鐵，也就是不依靠電磁的相互作用來轉換能量。取而代之的是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產生超音 波振動，透過摩擦來轉換能量。因為如此截然不同的作用原理，也造成了超音波馬達和電磁馬達之間迥異的特性。接下來讓我們來看看，超音波馬達和電磁馬達之間 有哪些不同的地方吧！
超音波馬達不受磁場干擾的影響
從馬達的結構我們可以明顯看出，超音波馬達沒有線圈與磁路的設計，當然在運轉時也就不會受到外界磁場的影響，而且其本身也不會有磁場產生。
在某些具有強磁場干擾的場合，例如磁浮列車上以及醫院裡的核磁共振設備中，磁場的干擾可能會造成電磁馬達失效；或是在極精密的儀器裡，使用一個電 磁馬達對儀器而言，可能會是一個磁場的干擾源，進而影響儀器的精密度。而超音波馬達的本質特性恰好能夠解決這些因磁場干擾而造成的問題。
超音波馬達有較大的保持扭矩
什麼是保持扭矩呢？即是在不輸入電壓的情形下，要讓馬達轉動所需施加的外力。一般的電磁馬達其保持扭矩較小，在切掉電源後，由於慣性力大於保持扭 矩，所以馬達不會立即停止。而超音波馬達因為其摩擦驅動的原理，所以保持扭矩相當大，若在運轉時突然切掉電源，馬達會立即停止，不會因慣性作用而繼續移 動。利用這個特點，我們可以輕易地做到快速且精確的定位，不但可以大幅增加系統的定位性能，更可以減少系統設計時的複雜度。
超音波馬達在低轉速時有較大的輸出轉矩，可直接驅動負載
這是超音波馬達另一個相當重要的特點，一般常見的電磁馬達若要達到低轉速時有大輸出轉矩的特性，通常要加上齒輪變速機構來降低轉速才能夠達成；而 超音波馬達不需要這類減速機構就能夠直接驅動負載，不但可以減少減速機構的重量與其所占的體積，更可以避免因為齒輪變速機構所產生的振動、衝擊與噪音等問 題。
另外，目前電腦中所使用的光碟機和硬碟機，磁頭的直線運動是使用電磁馬達和齒輪機構來實現的。在這樣的傳動系統中要進一步減小機構的體積，並提高 定位精度是相當困難的。如果利用直線型超音波馬達的直接驅動特性，製造出更薄、更小且高定位精度的傳動系統就不再是一件困難的事情了！
超音波馬達運轉較為安靜
本文前面已經提過，因為超音波馬達的振動頻率高於我們耳朵所能感受的範圍，而且不需要變速機構即可直接驅動，因此避免了機構振動所產生的噪音。所 以在某些需要安靜的場合，例如醫院、辦公室、圖書館……等場所，使用超音波馬達不失為一個不錯的選擇。在日本東京的市政辦公大樓中，便有使用超音波馬達驅 動的自動窗簾。
除了上述主要的特點外，超音波馬達還具有體積小、重量輕、響應快速、結構簡單……等特色。不過有優點也會有缺點，例如摩擦會造成磨耗的問題，而且由於超音波馬達使用壓電陶瓷材料，其材料特性也直接影響工作的性能。以下讓我們來看看超音波馬達還有哪些需要改進的地方吧！
超音波馬達不適合高速運轉
我們已經知道超音波馬達在低速運轉時的某些特性比電磁馬達好，但是在高速運轉的情況下是不是也一樣呢？答案是否定的！因為若我們拿同樣一片壓電陶 瓷接上固定的電壓時，可以發現到在不同的溫度下會有不同程度的體積變化，在超過了某一特定溫度後其壓電效應甚至會消失！又超音波馬達是以摩擦的方式來產生 運動，摩擦會生熱，轉速越快摩擦得越快，產生的熱量也越多，於是造成超音波馬達內部的壓電陶瓷材料溫度也就越來越高，進而影響輸出性能。所以超音波馬達不 適合用在需要高速運轉的場合。
超音波馬達使用壽命較短
因超音波馬達是利用摩擦驅動的方式運轉，有摩擦勢必會產生磨耗，長期下來摩擦介面會變得越來越光滑，所能產生的摩擦力也跟著變小，馬達所能輸出的 力也相對地變小。雖然目前有許多減少超音波馬達磨耗的設計以及較好的摩擦材料，不過和一般的電磁馬達相比，超音波馬達本質上還是無法比電磁馬達長壽。
超音波馬達定速控制的設計較為複雜
在前面提過超音波馬達在精密的定位控制上有其先天的優勢。但是在某些需要以固定速度運轉的場合，反而不如傳統電磁馬達適用，這是因為超音波馬達內 部的溫度與摩擦介面的摩擦係數會隨著操作時間及溫度而改變，亦即超音波馬達輸出的性能會因為運轉的時間不同而有所差異，還有因為正轉與反轉的動態特性亦不 大相同……等因素所造成的。因此，如果要用超音波馬達來達到精密的速度控制時，我們需要比電磁馬達更為複雜的控制設計才能夠達成。
超音波馬達成本較高
超音波馬達雖然結構簡單，但是目前的壓電陶瓷材料價格較高。此外，還需要配合使用較好的摩擦材料以及高頻的驅動器來使壓電陶瓷產生高頻振動，而良好的高頻驅動器在設計上較為複雜，所以價格也偏高。這些也是導致現今超音波馬達價格比電磁馬達高的主要原因。
根據超音波馬達的特點，在某些場合，例如低轉速時要有高轉矩輸出、間歇性的運動、空間形狀受限制、安靜以及其他特殊需求的場所，使用超音波馬達會 比電磁馬達更為合適。目前我們已經可以在照相機、手表、汽車、醫療設備、航太工業、精密定位設備、機器人、微型機械等領域裡找到超音波馬達的蹤跡。在未 來，超音波馬達甚至有可能取代部分的微、小型電磁馬達。
超音波馬達的應用
讓我們來了解超音波馬達目前有哪些成功的應用吧！日本的CANON公司最早將超音波馬達使用在照相機的透鏡驅動上，因為超音波馬達可以做成中空的 結構，使得對焦系統的結構變得簡單。而且由於直接驅動的特性，沒有減速齒輪的慣性以及噪音。此外，當電源切斷時，馬達會立即停止不再移動，具有高度的制動 性，不但對焦快速而且準確，大大提升了照相機的對焦性能。
這麼好用的馬達當然不會只由CANON公司所獨享，其他如NIKON、MINOLTA、OLYMPUS等公司都推出使用超音波馬達驅動的鏡頭。另外，SIGMA公司在大口徑的望遠鏡中也使用到超音波馬達。
日本SEIKO公司已研發出小型的超音波馬達，其大小分別為直徑4.5毫米、厚度2.5毫米和直徑8毫米、厚度4.5毫米兩種。它們可用於手表上的日曆驅動和振動提示功能，並且已有一系列的產品。
超音波馬達因為體積小、重量輕、比同尺寸的電磁馬達能夠輸出更大的力，又不受磁場影響，舉凡在太空梭、無人探測船、人造衛星……等上面，超音波馬 達都有很大的發展空間。美國航空暨太空總署已經成功地將超音波馬達應用在無人探測船的機械手臂上，所使用的超音波馬達比同功能的電磁馬達減輕了40％的重 量！
另外，北京清華大學亦研製了世界上最小的超音波馬達，直徑只有1毫米，長5毫米，重量僅有36毫克。在未來或許可以發展出微型機器人，能夠攜帶藥物或微型機械，在人類的身體中進行如血管清除及藥物投射等工作。
除了以上的應用以外，由於超音波馬達的位移解析度可以達到次微米甚至是奈米級的精度，所以未來在一些精密儀器、醫療設備以及半導體製造設備中，超音波馬達會是個不錯的選擇！
看到這裡，各位是不是對超音波馬達有了基本的認識呢？原理其實非常的簡單，而且也有其獨特的地方，然而綜合超音波馬達的特性以及成本上的考量，目 前還是不可能完全地取代電磁馬達。不過如果結構設計合理，應用場合選擇得當，超音波馬達可以和電磁馬達相互截長補短，獲得更廣泛而有效的應用。
超音波馬達是二十世紀七○年代提出的一種新型馬達，發展的歷史不過30年，卻已有許多不同結構的馬達陸續問世，特別是日本工業界更是積極投入這個 領域的研究開發，例如SHINSEI、CANON、SONY、SEIKO、NEC……等公司，都有許多關於超音波馬達的專利與應用。雖然目前超音波馬達的 應用尚不及常見的電磁馬達那麼普遍，但是它有一些電磁馬達所不能及的優點。在某些特殊場合使用超音波馬達，可以使工作效率大為提升。
閱讀本文後，讀者不妨試著找找看，周遭有哪些東西已經應用超音波馬達，以及在哪些場合也可能需要使用這種馬達。在了解超音波馬達之前，首先要知道 什麼是超音波。一般而言，人耳所能聽到的聲音頻率範圍大約在20赫茲～20千赫茲之間，而超過20千赫茲以上，人耳無法辨識的頻率便稱為超音波。
那麼究竟什麼是超音波馬達？其基本工作原理又為何？簡單地說，利用壓電材料輸入電壓會產生變形的特性，使其能產生超音波頻率的機械振動，再透過摩擦驅動的機構設計，讓超音波馬達如同電磁馬達一般，可做旋轉運動或直線式移動。
通常電磁馬達運轉時我們會覺得有雜音，這是因為馬達內部結構產生振動，而振動頻率恰好在我們耳朵可以感受的頻率範圍內。超音波馬達的振動頻率則設計在人耳所能聽到的範圍之外，所以當它運轉時我們感覺不到有聲音，因而覺得非常安靜，這是超音波馬達一個相當重要的特色。
神奇的壓電效應
在上面的說明中，我們知道壓電材料在超音波馬達內扮演著極為重要的角色，接下來將引導各位進入壓電的世界。壓電效應是一八八○年居里兄弟 （Jacques Curie, 1855-1941; Pierre Curie, 1859-1906）發現的，他們在研究晶體熱電現象與結晶對稱關係時，認為這個現象可能是由加熱時晶體體積發生變化所導致的。根據這個想法他們做了許多 實驗，發現電氣石或石英等天然礦石晶體受到壓力時，由於體積變化，在晶體表面會有微小電荷產生。
隔年，他們又發現當晶體置於電場中時也會造成體積上的變化，證明了這種現象是可逆的。這個發現開啟了一項新的研究領域，即「壓電效應的探討與應 用」。因為壓電效應是可逆的，所以把材料因體積變化而產生電壓的效應稱為「正壓電效應」；反之，材料因加入電壓而造成體積變化的效應稱為「逆壓電效應」； 而具有壓電效應的材料則統稱為「壓電材料」。
具壓電效應的材料除了天然的晶體，如石英、電氣石、羅德鹽等材料以外，還能以人工的方式製造，如氧化鋅、聚合物、陶瓷材料、複合材料等。其中陶瓷材料因為製造容易、可製成任何形狀、且其特性可隨組成做多樣性的變化等優點，目前已經成為壓電元件的主流。
一般而言，壓電陶瓷材料具有體積小、響應快速、位移量小、消耗功率低等特色。但也有一些使用上的限制，例如材質易脆等。雖然可以承受較大的正向壓 力，但是當它承受不均勻的力量時，也很容易造成材料的破壞。另外，其特性受溫度影響大也是一種限制，故而直接影響超音波馬達的性能。
目前壓電陶瓷材料應用的範圍相當廣。利用材料的正壓電效應可應用於感測器、點火器等；而逆壓電效應則可做成致動器、蜂鳴器、超音波轉換器等裝置。
很明顯地在超音波馬達中，主要是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應，從外部輸入高頻電壓訊號，就會產生高頻的機械振動。雖然壓電材料體積的變化量非常小，約微米甚至是奈米量級，不過透過一秒數萬次的振動放大，使得超音波馬達可以兼顧高位移解析度與長行程的特色。
超音波馬達的起源
在超音波馬達問世之前，實際上已有利用壓電材料振動特性來驅動的壓電馬達，惟其頻率並不限於超音波的範圍。早在一九四八年威廉和布朗就申請了「壓 電馬達」的美國專利；一九六一年寶路華鐘表公司研製出音叉驅動的手表；一九七○～一九七二年西門子和松下兩公司發展出線型壓電步進馬達，不過因為無法達到 較大的輸出力及效率，所以當時並沒有普遍地應用。
一九七三年美國IBM公司的巴特（H.V. Barth），首次提出利用壓電元件以超音波振動的方式來驅動的馬達，但因為磨耗上的問題，和之前的手表案例一樣，僅發表出來而沒有實際上的應用。幾乎同 時，俄國人V.H. Lavrinenko也設計了一些驅動原理相同的馬達結構；一九七八年瓦西里耶夫（P.E. Vasiliev）則是利用超音波轉換器作為馬達的驅動來源，不過都沒有發展出完整的馬達結構。
一九八○年日本指田年生（Toshiiku Sashida）研製出以振動片驅動的超音波馬達，具有較完整的馬達結構。至此，以壓電材料產生超音波振動來驅動馬達的概念就開始慢慢地發展起來。雖然因 為磨耗以及溫度上升等問題，使得這些超音波馬達仍然沒有實際的應用，不過已具有高精度、低速高轉矩等特色。
直到一九八二年，指田年生又發展出一種新型的超音波馬達驅動方式，在設計上已經考慮到磨耗的改善，這才是第一個真正達到具有商業應用價值的超音波馬達，且首先應用在照相機的自動對焦系統中，這也是目前使用超音波馬達最多的領域。
超音波馬達和電磁馬達的比較
超音波馬達突破了傳統電磁馬達的觀念，沒有了線圈與磁鐵，也就是不依靠電磁的相互作用來轉換能量。取而代之的是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產生超音 波振動，透過摩擦來轉換能量。因為如此截然不同的作用原理，也造成了超音波馬達和電磁馬達之間迥異的特性。接下來讓我們來看看，超音波馬達和電磁馬達之間 有哪些不同的地方吧！
超音波馬達不受磁場干擾的影響
從馬達的結構我們可以明顯看出，超音波馬達沒有線圈與磁路的設計，當然在運轉時也就不會受到外界磁場的影響，而且其本身也不會有磁場產生。
在某些具有強磁場干擾的場合，例如磁浮列車上以及醫院裡的核磁共振設備中，磁場的干擾可能會造成電磁馬達失效；或是在極精密的儀器裡，使用一個電 磁馬達對儀器而言，可能會是一個磁場的干擾源，進而影響儀器的精密度。而超音波馬達的本質特性恰好能夠解決這些因磁場干擾而造成的問題。
超音波馬達有較大的保持扭矩
什麼是保持扭矩呢？即是在不輸入電壓的情形下，要讓馬達轉動所需施加的外力。一般的電磁馬達其保持扭矩較小，在切掉電源後，由於慣性力大於保持扭 矩，所以馬達不會立即停止。而超音波馬達因為其摩擦驅動的原理，所以保持扭矩相當大，若在運轉時突然切掉電源，馬達會立即停止，不會因慣性作用而繼續移 動。利用這個特點，我們可以輕易地做到快速且精確的定位，不但可以大幅增加系統的定位性能，更可以減少系統設計時的複雜度。
超音波馬達在低轉速時有較大的輸出轉矩，可直接驅動負載
這是超音波馬達另一個相當重要的特點，一般常見的電磁馬達若要達到低轉速時有大輸出轉矩的特性，通常要加上齒輪變速機構來降低轉速才能夠達成；而 超音波馬達不需要這類減速機構就能夠直接驅動負載，不但可以減少減速機構的重量與其所占的體積，更可以避免因為齒輪變速機構所產生的振動、衝擊與噪音等問 題。
另外，目前電腦中所使用的光碟機和硬碟機，磁頭的直線運動是使用電磁馬達和齒輪機構來實現的。在這樣的傳動系統中要進一步減小機構的體積，並提高 定位精度是相當困難的。如果利用直線型超音波馬達的直接驅動特性，製造出更薄、更小且高定位精度的傳動系統就不再是一件困難的事情了！
超音波馬達運轉較為安靜
本文前面已經提過，因為超音波馬達的振動頻率高於我們耳朵所能感受的範圍，而且不需要變速機構即可直接驅動，因此避免了機構振動所產生的噪音。所 以在某些需要安靜的場合，例如醫院、辦公室、圖書館……等場所，使用超音波馬達不失為一個不錯的選擇。在日本東京的市政辦公大樓中，便有使用超音波馬達驅 動的自動窗簾。
除了上述主要的特點外，超音波馬達還具有體積小、重量輕、響應快速、結構簡單……等特色。不過有優點也會有缺點，例如摩擦會造成磨耗的問題，而且由於超音波馬達使用壓電陶瓷材料，其材料特性也直接影響工作的性能。以下讓我們來看看超音波馬達還有哪些需要改進的地方吧！
超音波馬達不適合高速運轉
我們已經知道超音波馬達在低速運轉時的某些特性比電磁馬達好，但是在高速運轉的情況下是不是也一樣呢？答案是否定的！因為若我們拿同樣一片壓電陶 瓷接上固定的電壓時，可以發現到在不同的溫度下會有不同程度的體積變化，在超過了某一特定溫度後其壓電效應甚至會消失！又超音波馬達是以摩擦的方式來產生 運動，摩擦會生熱，轉速越快摩擦得越快，產生的熱量也越多，於是造成超音波馬達內部的壓電陶瓷材料溫度也就越來越高，進而影響輸出性能。所以超音波馬達不 適合用在需要高速運轉的場合。
超音波馬達使用壽命較短
因超音波馬達是利用摩擦驅動的方式運轉，有摩擦勢必會產生磨耗，長期下來摩擦介面會變得越來越光滑，所能產生的摩擦力也跟著變小，馬達所能輸出的 力也相對地變小。雖然目前有許多減少超音波馬達磨耗的設計以及較好的摩擦材料，不過和一般的電磁馬達相比，超音波馬達本質上還是無法比電磁馬達長壽。
超音波馬達定速控制的設計較為複雜
在前面提過超音波馬達在精密的定位控制上有其先天的優勢。但是在某些需要以固定速度運轉的場合，反而不如傳統電磁馬達適用，這是因為超音波馬達內 部的溫度與摩擦介面的摩擦係數會隨著操作時間及溫度而改變，亦即超音波馬達輸出的性能會因為運轉的時間不同而有所差異，還有因為正轉與反轉的動態特性亦不 大相同……等因素所造成的。因此，如果要用超音波馬達來達到精密的速度控制時，我們需要比電磁馬達更為複雜的控制設計才能夠達成。
超音波馬達成本較高
超音波馬達雖然結構簡單，但是目前的壓電陶瓷材料價格較高。此外，還需要配合使用較好的摩擦材料以及高頻的驅動器來使壓電陶瓷產生高頻振動，而良好的高頻驅動器在設計上較為複雜，所以價格也偏高。這些也是導致現今超音波馬達價格比電磁馬達高的主要原因。
根據超音波馬達的特點，在某些場合，例如低轉速時要有高轉矩輸出、間歇性的運動、空間形狀受限制、安靜以及其他特殊需求的場所，使用超音波馬達會 比電磁馬達更為合適。目前我們已經可以在照相機、手表、汽車、醫療設備、航太工業、精密定位設備、機器人、微型機械等領域裡找到超音波馬達的蹤跡。在未 來，超音波馬達甚至有可能取代部分的微、小型電磁馬達。
超音波馬達的應用
讓我們來了解超音波馬達目前有哪些成功的應用吧！日本的CANON公司最早將超音波馬達使用在照相機的透鏡驅動上，因為超音波馬達可以做成中空的 結構，使得對焦系統的結構變得簡單。而且由於直接驅動的特性，沒有減速齒輪的慣性以及噪音。此外，當電源切斷時，馬達會立即停止不再移動，具有高度的制動 性，不但對焦快速而且準確，大大提升了照相機的對焦性能。
這麼好用的馬達當然不會只由CANON公司所獨享，其他如NIKON、MINOLTA、OLYMPUS等公司都推出使用超音波馬達驅動的鏡頭。另外，SIGMA公司在大口徑的望遠鏡中也使用到超音波馬達。
日本SEIKO公司已研發出小型的超音波馬達，其大小分別為直徑4.5毫米、厚度2.5毫米和直徑8毫米、厚度4.5毫米兩種。它們可用於手表上的日曆驅動和振動提示功能，並且已有一系列的產品。
超音波馬達因為體積小、重量輕、比同尺寸的電磁馬達能夠輸出更大的力，又不受磁場影響，舉凡在太空梭、無人探測船、人造衛星……等上面，超音波馬 達都有很大的發展空間。美國航空暨太空總署已經成功地將超音波馬達應用在無人探測船的機械手臂上，所使用的超音波馬達比同功能的電磁馬達減輕了40％的重 量！
另外，北京清華大學亦研製了世界上最小的超音波馬達，直徑只有1毫米，長5毫米，重量僅有36毫克。在未來或許可以發展出微型機器人，能夠攜帶藥物或微型機械，在人類的身體中進行如血管清除及藥物投射等工作。
除了以上的應用以外，由於超音波馬達的位移解析度可以達到次微米甚至是奈米級的精度，所以未來在一些精密儀器、醫療設備以及半導體製造設備中，超音波馬達會是個不錯的選擇！
看到這裡，各位是不是對超音波馬達有了基本的認識呢？原理其實非常的簡單，而且也有其獨特的地方，然而綜合超音波馬達的特性以及成本上的考量，目 前還是不可能完全地取代電磁馬達。不過如果結構設計合理，應用場合選擇得當，超音波馬達可以和電磁馬達相互截長補短，獲得更廣泛而有效的應用。
2009年8月9日星期日
金屬氫
金屬氫是一種簡併態物質，是雙原子分子H2的同素異形體。當氫氣被充分壓縮，經過相變後便會產生金屬氫。 固態金屬氫是由原子核（即質子）組成的晶體結構，其原子間隔小於玻爾半徑，與電子波長長度相當（參見德布羅意波長）。電子脫離了分子軌道，表現為一般金屬中的傳導電子。而在液態氫中，質子沒有晶格次序，質子和電子組成液態的系統。
金屬化的所需的壓強
雖然氫元素位於元素周期表鹼金屬列頭，但氫氣在常態下並不是鹼金屬。在1925年，物理學家E·P·維格納和Hillard Bell Huntington預測，在250 000個大氣壓（約25GPa）下，氫原子失去對電子的束縛能力，呈現出金屬性質。此後的實驗表明，對壓強的最初估計不足。理論計算表明使氫氣金屬化需要更高的壓強，但是仍然是可通過實驗可得到的。
愛丁堡大學極限和科學中心教授Malcolm McMahon指出，他們正在研究產生5 000 000大氣壓的技術（大於地球中心的壓強），希望能產生金屬氫。
液態金屬氫
質子質量是4He的四分之一。在常壓下，由於高零點能，質子在絕對零點附近也呈現液態。同樣的，質子在密集的狀態下，零點能也很高，在高壓縮狀態下，有序能會降低。壓縮氫的最高熔點目前還處於爭論之中。
超導性
N. W. Ashcroft提出，金屬氫在常溫下（290K）也可能是超導體。
實驗進展
世界各國正通過多種途徑來產生超高壓製取金屬氫。比較成熟的有兩種方法，一種叫動態壓縮法，即是從強磁場中採用快速衝擊壓縮，獲取高壓來製取金屬氫。另一種叫靜態壓縮法，即產生100～200萬大氣壓的靜態高壓，壓縮液氫來製造金屬氫。
動態壓縮
1996年3月，勞倫斯利福摩爾國家實驗室的科學家報導他們無意中得到了可辨別的金屬氫，其溫度是1000K和壓強超過1 000 000大氣壓（大於100GPa）。
太空中的金屬氫
金屬氫被認為會存在於一些大質量的行星內部，如木星，土星，和一些新發現的太陽系外行星等，由於行星內部實際溫度溫度要高於以前的理論預測，因此，金屬氫可能比預計的更多和更靠近行星表面。
原子能
慣性約束聚變中涉及使用雷射束轟擊氫同位素。對極限條件下氫氣的性質的了解能幫助增加效率。
能源
有可能產生大量的金屬氫的實際用途。有理論稱亞穩態金屬氫（簡稱MSMH）在壓力釋放之後，可能不會立即恢復成普通氫氣。
MSMH是個有效而且乾淨的能源，最終產物只有水。MSMH燃燒時，會比普通氫氣更劇烈，將會釋放九倍於普通氫，五倍於目前太空梭燃料（液態H2/O2）的效果。 但是，勞倫斯利弗莫爾的實驗過於簡單，還不能確定亞穩態的金屬氫是否存在。
衛星導航系統 --- 全球導航衛星系統（GLONASS）
衛星導航系統為利用衛星來測量物體位置的系統。
已開始運行的衛星導航系統：
- 美國 ：全球定位系統（GPS），目前唯一覆蓋全球的系統。
- 俄羅斯：全球導航衛星系統（GLONASS），目前只覆蓋俄羅斯境內。
- 中國 ：北斗導航系統，目前只覆蓋中國境內。
正在建立的衛星導航系統：
- 歐盟 ：伽利略定位系統
格洛納斯系統又稱GLONASS、全球導航衛星系統（俄語：ГЛОНАСС）是由俄羅斯研發的衛星導航系統，類似於美國的全球定位系統及歐盟建造中的伽利略定位系統。該系統由俄羅斯政府運作。
GLONASS系統由衛星、地面測控站和用戶設備三部分組成，系統由21顆工作星和3 顆備份星組成，分佈於3 個軌道平面上，每個軌道面有8 顆衛星，軌道高度1萬9000公里，運行周期11小時15分。GLONASS系統於20世紀70年代開始研製，1982年發射首顆衛星入軌。但由於太空撥 款不足，該系統部分衛星一度老化，最嚴重曾只剩6顆衛星運行， 2003年12月，由俄國應用力學科研生產聯合公司研製的新一代衛星交付聯邦太空局和國防部試用，為2008年全面更新Glonass系統作準備。在技術 方面，GLONASS系統的抗干擾能力比GPS要好，但其單點定位精確度不及GPS系統。2004年，印度和俄羅斯簽署了《關於和平利用俄全球導航衛星系 統的長期合作協議》，正式加入了GLONASS系統，計劃聯合發射18顆導航衛星。
衛星導航系統 --- 全球定位系統（GPS）
衛星導航系統為利用衛星來測量物體位置的系統。
已開始運行的衛星導航系統：
- 美國 ：全球定位系統（GPS），目前唯一覆蓋全球的系統。
- 俄羅斯：全球導航衛星系統（GLONASS），目前只覆蓋俄羅斯境內。
- 中國 ：北斗導航系統，目前只覆蓋中國境內。
正在建立的衛星導航系統：
- 歐盟 ：伽利略定位系統
全球定位系統（Global Positioning System，通常簡稱GPS）是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。系統由美國國防部研製和維護，可滿足位於全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統包括太空中的24顆GPS衛星；地面上的1個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。
該系統是由美國政府於20世紀70年代開 始進行研製於1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機，無需另外付費。GPS信號分為民用的標準定位服務（SPS，Standard Positioning Service)和軍規的精確定位服務（PPS，Precise Positioning Service)兩類。由於SPS無須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用SPS對美國發動攻擊，故在民用訊號中人為地加入誤差 以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規的精度在十米以下。2000年以後，柯林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。
GPS系統擁有如下多種優點：全天候，不受任何天氣的影響；全球覆蓋（高達98%）；三維定速定時高精度；快速、省時、高效率；應用廣泛、多功能；可移動定位；不同於雙星定位系統，使用過程中接收機不需要發出任何信號增加了隱蔽性，提高了其軍事應用效能。
計劃
最初的GPS計劃在聯合計劃局的領導下誕生了，該方案將24顆衛星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛星，地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。 由於預算壓縮，GPS計劃不得不減少衛星發射數量，改為將18顆衛星分佈在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛星可靠性得不到保障。1988年又進行了最後一次修改：21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6條軌道上。這也是現在GPS衛星所使用的工作方式。
差分技術
為了使民用的精確度提昇，科學界發展另一種技術，稱為差分全球定位系統(Differential GPS), 簡稱DGPS。亦即利用附近的已知參考座標點(由其它測量方法所得), 來修正 GPS 的誤差。再把這個即時(real time)誤差值加入本身座標運算的考慮, 便可獲得更精確的值。
GPS有2D導航和3D導航分，在衛星信號不夠時無法提供3D導航服務，而且海拔高度精度明顯不夠，有時達到10倍誤差。但是在經緯度方面經改進誤差很小。衛星定位儀在高樓林立的地區捕捉衛星信號要花較長時間。
GPS的功能
- 精確定時：廣泛應用在天文台、通信系統基站、電視台中
- 工程施工：道路、橋樑、隧道的施工中大量採用GPS設備進行工程測量
- 勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都有用到
- 導航：
- 武器導航：精確制導飛彈、巡弋飛彈
- 車輛導航：車輛調度、監控系統
- 船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水
- 飛機導航：航線導航、進場著陸控制
- 星際導航：衛星軌道定位
- 個人導航：個人旅遊及野外探險
- 定位：
- 車輛防盜系統
- 手機，PDA，PPC等通信移動設備防盜，電子地圖，定位系統
- 兒童及特殊人群的防走失系統
- 精準農業：農機具導航、自動駕駛，土地高精度平整
GPS的六大特點
- 第一，全天候，不受任何天氣的影響；
- 第二，全球覆蓋（高達98%）；
- 第三，三維定點定速定時高精度；
- 第四，快速、省時、高效率；
- 第五，應用廣泛、多功能；
- 第六，可移動定位。
雷射武器
1960 年，美國物理學家麥門（T.H. Maiman）在休斯公司首先利用光與共振腔製成了第ㄧ部紅寶石雷射。半年後，傑芬、班奈特及漢尼歐特（Javan、Bennett 及 Henniott）共同開發出第ㄧ部氦－氖氣體雷射。1962 年霍爾與芬拿（Hall 及 Fenner）研發出第ㄧ部半導體雷射。在邁向 21 世紀之際，科學家已經可以利用許多材質產生雷射，包括晶體、玻璃、半導體、原子氣體、分子氣體、離子氣體、染料等。
近 20 年來，由於雷射光束具有高亮度、準直性、方向性、同調性的特點，使得雷射技術迅速發展，並廣泛應用在許多方面，諸如雷射割切、加工、掃描，以及雷射位移計、雷射干涉、雷射醫療、雷射美容、雷射雷達、雷射武器等。雷射技術的應用不僅在民生上不斷發展，也在醫療、工業等各領域中日益擴大，而在軍事領域中，更是各國積極努力研究的重點項目之一。
雷射的基本原理
幾百年來，人類對「光」的本質一直非常好奇，不斷地透過各種方法嘗試揭開它的神祕面紗，希望能夠掌握、控制與有效地運用它。在 16 世紀，牛頓認為光是粒子，運動時會沿直線前進，如光的反射、物體的陰影等，都可以用這樣的假設來解釋。但是對光的繞射、干涉等現象，郤無法合理解釋，另一位科學家惠更斯對這些現象提出他的看法，認為光是一種波動。
在原子中，處於較低能階的電子可以吸收某些特定頻率的外界光輻射場的能量（光子），而躍遷至較高的能階。較高能階上的電子則藉由向外界放射出特定頻率的光輻射（光子），躍遷回較低能階。若在激發與放射的過程中能掌握其中若干機制，便能夠產生雷射光。
雷射的發現
雷射（laser）的英文名稱是由描述其動作原理的 5 個英文字的字首結合而成（light amplification by stimulated emission of radiation），它的含義是「藉著激發放射方式使得光子數目放大」，因此雷射又稱為激光。
雷射的出現可以說是人類科學「知而後行」具體實現的例子。在愛迪生發明燈泡的時代，科學是處於一種「不知而行」的情況，各式各樣的東西都拿來測試，看看是否適合做為燈絲。當裝上鎢絲時，整個愛迪生電力試驗場足足明亮了 5 分鐘，全試驗場的科學家為之一致歡呼，而在這之前，他們對於鎢絲是否適合做為燈絲並無把握。然而雷射就不同了，在雷射系統尚未問世之前，科學家在理論上就已經預言，技術上可以產生這種高同調光束。
1950 年二次世界大戰結束後，微波技術已頗發達，當時選定氨做為微波活性介質，進而發展出鎂射。然而鎂射實用價值較低，各界希望進一步研發能把可見光放大的裝置，終於導致 1960 年第ㄧ部紅寶石脈衝雷射的誕生。
光波與物質的基本作用
雷射是一種光波，要了解雷射，就應先了解光的一些基本現象。光究竟是粒子還是波呢？過去一直困惑著科學家們。18 世紀末，馬克斯威爾（Maxwell）提出電磁波理論，認為光是電磁波的一種。他以隨時間交變的電磁場傳播現象說明光的波動性，並由電磁理論推導出光波的波動方程式。
20 世紀初，蒲朗克（Plank）、愛因斯坦（Einstein）分別提出光能量量子化與光子的概念，認為電磁波是以能包的形式傳播。所謂的能包就是光子，而一個光子擁有的能量是 E = hν，h 是蒲朗克常數，ν 是光的頻率。於是人們知道了光同時具有粒子性和波動性，即波粒二重性，自此不再爭論光究竟是粒子還是波。例如光的干涉及繞射現象，其波動性較顯著（波長相對長的），就以波動性來解釋。至於光電效應，由於其粒子性較顯著（波長相對短的），便以粒子性來解釋。
在一般情況下原子是處於能量最低的狀態，即所謂的基態。當受到外界激勵時，原子中的電子得到足夠的能量就有可能被激發到能量較高的狀態（激發態）。這些激發態一般是不穩定的，電子在激發態只能停留很短的時間，很快會把多餘的能量釋放出來而回到能量較低的狀態或基態。當這些多餘的能量以光子的形式放射出來時，這個光子的頻率會滿足某些特定條件。量子力學可以進一步計算出原子從一個狀態躍遷到另一個狀態的機率大小，即躍遷機率。前述原子的能量呈現量子化，而這些分立的能量就是原子的能階。
雷射實際上就是利用物質與輻射的相互作用而產生的。所謂物質是指原子或分子，輻射就是光子或電磁波。每一種原子（分子）都有特定的能階，當與電磁波發生交互作用時，會從一能階狀態躍遷到另一能階狀態，其躍遷過程是藉著電磁波的吸收或輻射來達成的。但並非所有的原子能階都可以互相躍遷，少部分能階間的躍遷是受到禁止的，它必須遵守某些選擇規則（selection rule）。
物質中處於較低能階的粒子，可以藉由吸收特定頻率的外界輻射而躍遷至較高的能階上，這種現象稱為受激吸收過程。其所獲得的能量必須恰好是兩能階間的能量差，否則不會吸收。
處於較高能階的粒子，可藉由兩種方式向外界放射特定頻率的光輻射（光子）而躍遷至低能階上。其中一種是不需外界激勵的自發性輻射，另一種是在受到某一特定頻率的入射光作用下放射出一同頻率的光子，這種過程稱為受激放射過程。經入射光照射，每單位時間內參與受激放射的原子數與在激發態的原子數成正比。在熱平衡下，吸收的躍遷速率等於放射的躍遷速率，各能階的原子濃度維持定值。
能產生雷射的激發放射，物質中高能階的原子居量一定要比低能階的原子居量高，這種狀況稱為居量反轉（population reversion）。當高能階的原子同時躍遷回低能階時，會放出強度高且性質相當一致的光子。
雷射武器的發展
雷射武器早已在實戰中應用過，只不過擁有這類武器的國家不想大肆宣揚而已。1982 年英國和阿根廷的福島戰爭中，英國就祕密地使用剛剛研製出的雷射眩目瞄準具，照射攻擊英國軍艦的阿根廷飛機。
多年來科學家們先後研製出氣體動力學雷射器、氟化氘化學雷射器、氟化氫化學雷射器、氧化碘化學雷射器、釹玻璃固體雷射器、自由電子雷射器等不同材料與性質的高能量雷射器；發展自調適光學技術，解決高能雷射在大氣中的傳輸問題；研製精確雷射束定向系統，以及研究雷射與靶材的相互作用，在各方面都獲得了大量有用的數據。在雷射射擊實驗中，高能雷射光束曾成功地擊落了飛行的靶機、反坦克導彈、火箭彈等目標。這些研究工作的成功，證明了研製雷射武器的可行性。
目前世界各國正積極地把雷射武器運用於太空、空載、陸（海）基、以及單兵作戰上，部分研究發展已達實際驗證階段，甚至已經進入生產部署階段。主要的武器系統有以下幾種。
天基（太空）雷射：天基雷射武器主要著眼於攔截彈道飛彈。由於彈道飛彈本身結構極為脆弱，因此無法承受高能雷射的照射。部署在太空的高能量化學雷射，足以對飛行於 3 千公里以上的彈道飛彈投射有效的殺傷能量，加上可有效攔截推升階段的彈道飛彈，因此產生了把天基雷射與國家飛彈防禦相結合的思維，提高了把雷射武器部署在太空中的可能性。
這種武器的設計理念是，把雷射光束傳送至遠方時，仍然足以癱瘓所照射的目標，或有效地燒穿飛彈的表層結構。一直徑 10 公尺的末級反射聚焦鏡，配上氟化氫雷射，可產生 0.32 微弧度（「弧度」或「徑度」是角度的單位，一弧度約為 57 度）的聚焦角，這一角度可在 4 千公里外產生一面積為 1.3 平方公尺的雷射光點。
若把兩千萬瓦的能量會聚在這光點上，其能量流通密度大約是每平方公分 1,500 瓦。具備這種能量的雷射光點必須在目標表面持續照射 6.6 秒左右，才能產生每平方公分大約 1 萬焦耳的最低有效殺傷能量。對 2 千公里外的目標，僅需照射大約 1.7 秒就足以毀損飛彈的推升器。
天基雷射武器的載臺是低軌道衛星，其運行軌道視威脅的性質而定。雷射武器的位置應盡可能讓它獲取較多的照射機會，以提升摧毀正處於推升階段的飛彈數量至最大數額。因此衛星必須位處適當的高度，使其能夠攔截可見最遠處正處於推升階段的飛彈，而不必在飛彈到達極近的距離後才進行接戰。其最佳的高度依飛彈推升段引擎燃盡的高度、雷射光束的強度，以及飛彈彈體的強度而定。最佳的部署方案，是把衛星置於某些與地球赤道形成大約70度切角的軌道面上。
1997 年 3 月，美國 TRW 及洛克希德‧馬丁公司攜手完成首次的雷射地面測試，總共歷時 0.5 秒。1998 年 3 月，TRW 及波音公司合作成立團隊，受命規劃天基雷射戰備能量機具的初步設計並定義其規格。原預定在 2005 至 2006 年間完成布放，但可能展延至 2008 年。
天基雷射武器發展的目標，是具備在彈道飛彈上升至同溫層上層，約距地表 4 萬至 5 萬公尺高度，以及在太空飛行時加以攔截的能力。這類天基武器運行高度約為 1 千 3 百公里，有效殺傷範圍可達 4 千至 5 千公里，而一枚雷射衛星最大可單獨涵蓋十分之一的地球表面。因氫氟雷射會被大氣層內的水蒸氣吸收而減損，雷射無法有效穿透至地球表面，這一物理特性可避免衛星背負自太空向地面發射「死光武器」的污名。
空載雷射武器：美國在 1970 年代籌設的空中雷射實驗室，於 1983 年停止作業，但其研究已展現空載雷射確已具備攔截空中目標，並可順利轉化為實質武器系統的潛能。當時已發展出功率 5 萬瓦級、角度數十微徑度的雷射光束，以及精確、安全的雷射控制能力。
基本上，空載雷射飛機由各種不同戰場監偵系統得知敵方發射飛彈時，就可進行攔截。該機機鼻裝有直徑 1.5 公尺的末級雷射聚焦鏡，其角度能夠旋轉，以便把功率數以十萬瓦計的化學雷射光束照射至飛彈上。
機上的 9 個紅外線搜索／跟蹤傳感器，可探測 360 度視場內的導彈尾煙。從機上轉塔發射的跟蹤／照明雷射，照亮導彈助推器頭部，並建立初始跟蹤。緊接著啟動信標／照明器，在導彈燃料艙上標出一個小光點，同時機載波前傳感器感知大氣所造成的波前變化狀況，送至可轉向反射鏡。機載可轉向反射鏡調整後，使殺傷性高能雷射光束發射後能在目標上聚焦，一舉摧毀目標。
空載雷射武器系統於 2004 年至 2008 年進行量產，在 2005 年至 2006 年間完成首批 3 架的戰力組合，預定於 2007 年至 2008 年達成 7 架的整體作戰兵力目標。
洛克馬丁公司設計的空載雷射，是採用化學氧化碘雷射，同時配置能把光點聚焦在飛彈表層的突破性透鏡，可從數百公里外把來襲飛彈擊成碎片。未來會持續在北韓等可能成為美國敵對國家的領空附近飛行，目的是偵測、追蹤彈道飛彈，並在飛彈釋出可能載有核生化武器的彈頭前把它擊落。
先進戰術雷射系統：美國陸軍希望能夠發展可供特種部隊使用的空載戰術雷射系統。這種系統是把空載雷射武器使用的同型 30 萬瓦氧化碘雷射系統，安裝在 AC-130 武裝運輸機上做為致命性武器，以便擊毀低空反艦導彈、巡航導彈、近程火箭彈等。
系統重量約 4 千 5 百公斤到 6 千 8 百公斤，地對空射程是 1 萬公尺，空對空或空對地射程則是 2 萬公尺，可以在防區外把 10 公分的激光光點準確地照射在活動目標上。一旦發現目標，在 40 秒內可對一系列可能的目標進行攻擊。該系統採用封裝熱氣排放系統，美國特種作戰司令部也已提供經費，用於發展相關科技及驗證測試機具。雖然波音公司對這項先進戰術雷射系統的研發已有顯著成果，但美國陸軍尚未決定是否繼續投注資金，完成研究計畫最初設定的目標。
戰術高能雷射武器：鸚鵡螺計畫是美國與以色列兩國間的聯合研究計畫，由美國陸軍太空及飛彈防禦司令部主導，以色列國防研究發展處提供支援。這計畫是針對運用雷射做為戰術防空武器來反制敵方短程火箭的目標進行研究，1996 年 2 月在美國白沙導彈靶場成功擊毀了飛行中的 BM-21 火箭彈。
戰術高能雷射系統問世後，隨即引發了車載戰術高能雷射系統的發展。2000 年 6 月 6 日在白沙導彈靶場進行的試驗中，射程 15 公里的「卡猝殺」火箭彈被雷射武器系統成功地鎖定、跟蹤、摧毀，在實驗中總計擊落了 25 枚卡猝殺火箭彈。2002 年 11 月初還擊落了依既定彈道飛行的砲彈。
車載戰術高能雷射系統的體積，會比戰術高能雷射系統縮小 5 至 10 倍，未來以色列會選用較大型的系統，美國陸軍則會選用較低功率的小型系統。車載戰術高能雷射系統由3部機動車輛組成：整個雷射發射裝置裝在一部車上，另一部則裝設射控雷達，第三部車負責攜帶雷射燃料。
陸基雷射武器：美國政府目前正祕密研發一種威力強大的陸基雷射武器，這種武器可發射集中光束，摧毀在地球軌道上運行的衛星。威力強大的雷射光束可用來摧毀人造衛星，但大氣亂流會分散並減弱雷射光束。
目前美國研發的雷射武器是以光學技術為基礎，運用感應器、電腦與望遠鏡，由人造衛星發射較弱的雷射測量大氣亂流造成的折射角度，藉以修正雷射發射的方向。修正後，自地面發射的雷射光經望遠鏡反射後射往天際，在經過亂流時光束的方向不致偏離目標，強度不至於減弱，從而產生有威力、可摧毀敵方衛星的雷射光。
這項研究極具前瞻性，也有相當的技術挑戰，相關研究工作正在新墨西哥州沙漠中政府現有的「星火」實驗室進行。一名督導數項太空計畫的國防部高官說：「白宮希望我們研發太空防衛措施，首先是必須有能力保護我們在太空軌道上的資產。」但他表示，如經核准，這項研究的實際運用「也要在許多、許多年後才會實現」。
戰鬥機機載雷射武器：機載雷射武器以電力為動力源，而且體積足夠小，適於空軍作戰使用。美國空軍研究實驗室制定的 5 年目標，是發展 100 千瓦的固體雷射器。空軍已經確定裝載固體雷射器的第一個可能載臺是 F-35 聯合攻擊戰鬥機。戰鬥機的發動機除了產生推力外，還可以產生巨大的電力，因而是固體雷射器的理想載具。
這種戰鬥機機載雷射器的初型，主要用於致盲臨近的飛彈，特別是熱尋的或光學飛彈，也可以攻擊其他戰鬥機的易損部位，如燃料箱、飛彈、飛行控制系統，以及使飛機不能繼續作戰的部位。空軍研究實驗室與洛克希德‧馬丁公司簽訂了協議，針對 F-35 戰鬥機安裝雷射武器的可行性進行評估。
單兵雷射武器：單兵用雷射步槍是一種能量較低的雷射裝置，由於外型如同一般常見的單兵武器，因此又稱為雷射槍。這種武器主要由「雷射器」、「激光器」、「擊發器」和「槍托」4 大部分組成，特性是體積小、重量輕、射擊時無聲響，殺傷距離約 1 千 5 百公尺，主要用於陸戰或反恐行動。戰鬥用雷射武器主要有致盲雷射槍及致僵雷射槍2種。
致盲雷射槍主要用來對付具光、電系統的戰甲砲車、指管通情蒐系統與其操作人員，強烈的光束可使這些武器裝備的電子元件燒毀，並導致操作人員眼睛失明。早在 1982 年英國和阿根廷的福島戰爭中，英國就祕密使用了剛剛研製出來的「雷射眩暈器」，用於攔截攻擊英國軍艦的阿根廷戰機，導致阿根廷飛行員失明而機毀人亡。美國也曾研製一種稱為「馬刀－203」的雷射武器，這種武器安裝在普通步槍的槍管下，可以發射在3百公尺內使人眼受傷的低能量雷射。
由於這些雷射武器是以人眼為目標，屬於雷射致盲武器，已被 1995 年通過的〈禁止和限制使用特定常規武器公約〉所禁止。但是，該公約並沒有明確禁止研發和使用暫時使敵方人員眼花的雷射武器。
美國新近研發一種非致命的雷射步槍，可使敵方人員眼花，但不會造成永久性傷害，這種武器稱為人員暫停和刺激反應雷射步槍。雖然這項技術目前還處於樣品階段，投入戰場使用還有待時日，但是美國仍對其運用前景充滿期望。這款雷射步槍的兩個先導型成品，已送到德克薩斯和維吉尼亞的軍事基地接受進一步的檢測。它同時裝配有「眼睛安全距離探測器」，使得對目標距離的感應能夠更加精確，以符合國際公約的規範。
致僵雷射槍外型有長、短兩種，發射由紫外線激光器發出的光束，被擊中者全身肌肉神經會發生抽搐、痙攣，直至僵硬而喪失行動能力。由於身體外部組織的保護，被擊者的心臟等重要器官不會受到影響，因此不會危及生命。但電流超過 250 毫安後，會干擾被擊者心臟跳動的節律。調節雷射槍的發射波長，「致僵射線」還可以用來破壞微晶片，從而使裝有晶片的機器，包括飛機、坦克、汽車、艦船及其他武器系統失調，喪失戰鬥能力。據報導，這種雷射致僵武器已在實際應用中獲致良好的成效。
嶄新的里程碑
當荷馬讚頌黑法斯托斯（Hephaistos）神為阿基里斯（Achilles）製造武器時，把阿基里斯在戰場上的成功歸因於科技。目前的趨勢是，科技不再單純只是戰士的助力，而是戰士的替代物。科技已經成為「當代戰爭的原動力」，因為它的目標不是解決紛爭，而是改變戰爭的形態。人不再是戰爭的主體，反而是機器使士兵變成多餘，逼使他們提早自戰場撤出。
當電腦繼續提供更快速更周詳的資訊時，人類的行動與生活較以往更屈就於機器，科技越演進，人類就越依賴它。顯然，雷射武器的出現將使得現代戰爭科技邁向另一個嶄新的里程碑。
然而雷射武器除了受尚未突破的科技因素限制之外，道德因素是現階段最大的問題。主張這項議題應基於人道考量，而非基於作戰考量的人士，目前居於上風。換言之，我們必須強調使用武力或使用某種武器，本身就是不恰當或不道德，無論使用者是誰。「停止戰鬥」必須優先於以戰爭手段所獲致的勝利，而決定這一優先順序的並非是武器，而是擁有武器的人類。唯有正義的一方享有明顯的軍事優勢，才可能具有追求和平的力量。
近 20 年來，由於雷射光束具有高亮度、準直性、方向性、同調性的特點，使得雷射技術迅速發展，並廣泛應用在許多方面，諸如雷射割切、加工、掃描，以及雷射位移計、雷射干涉、雷射醫療、雷射美容、雷射雷達、雷射武器等。雷射技術的應用不僅在民生上不斷發展，也在醫療、工業等各領域中日益擴大，而在軍事領域中，更是各國積極努力研究的重點項目之一。
雷射的基本原理
幾百年來，人類對「光」的本質一直非常好奇，不斷地透過各種方法嘗試揭開它的神祕面紗，希望能夠掌握、控制與有效地運用它。在 16 世紀，牛頓認為光是粒子，運動時會沿直線前進，如光的反射、物體的陰影等，都可以用這樣的假設來解釋。但是對光的繞射、干涉等現象，郤無法合理解釋，另一位科學家惠更斯對這些現象提出他的看法，認為光是一種波動。
在原子中，處於較低能階的電子可以吸收某些特定頻率的外界光輻射場的能量（光子），而躍遷至較高的能階。較高能階上的電子則藉由向外界放射出特定頻率的光輻射（光子），躍遷回較低能階。若在激發與放射的過程中能掌握其中若干機制，便能夠產生雷射光。
雷射的發現
雷射（laser）的英文名稱是由描述其動作原理的 5 個英文字的字首結合而成（light amplification by stimulated emission of radiation），它的含義是「藉著激發放射方式使得光子數目放大」，因此雷射又稱為激光。
雷射的出現可以說是人類科學「知而後行」具體實現的例子。在愛迪生發明燈泡的時代，科學是處於一種「不知而行」的情況，各式各樣的東西都拿來測試，看看是否適合做為燈絲。當裝上鎢絲時，整個愛迪生電力試驗場足足明亮了 5 分鐘，全試驗場的科學家為之一致歡呼，而在這之前，他們對於鎢絲是否適合做為燈絲並無把握。然而雷射就不同了，在雷射系統尚未問世之前，科學家在理論上就已經預言，技術上可以產生這種高同調光束。
1950 年二次世界大戰結束後，微波技術已頗發達，當時選定氨做為微波活性介質，進而發展出鎂射。然而鎂射實用價值較低，各界希望進一步研發能把可見光放大的裝置，終於導致 1960 年第ㄧ部紅寶石脈衝雷射的誕生。
光波與物質的基本作用
雷射是一種光波，要了解雷射，就應先了解光的一些基本現象。光究竟是粒子還是波呢？過去一直困惑著科學家們。18 世紀末，馬克斯威爾（Maxwell）提出電磁波理論，認為光是電磁波的一種。他以隨時間交變的電磁場傳播現象說明光的波動性，並由電磁理論推導出光波的波動方程式。
20 世紀初，蒲朗克（Plank）、愛因斯坦（Einstein）分別提出光能量量子化與光子的概念，認為電磁波是以能包的形式傳播。所謂的能包就是光子，而一個光子擁有的能量是 E = hν，h 是蒲朗克常數，ν 是光的頻率。於是人們知道了光同時具有粒子性和波動性，即波粒二重性，自此不再爭論光究竟是粒子還是波。例如光的干涉及繞射現象，其波動性較顯著（波長相對長的），就以波動性來解釋。至於光電效應，由於其粒子性較顯著（波長相對短的），便以粒子性來解釋。
在一般情況下原子是處於能量最低的狀態，即所謂的基態。當受到外界激勵時，原子中的電子得到足夠的能量就有可能被激發到能量較高的狀態（激發態）。這些激發態一般是不穩定的，電子在激發態只能停留很短的時間，很快會把多餘的能量釋放出來而回到能量較低的狀態或基態。當這些多餘的能量以光子的形式放射出來時，這個光子的頻率會滿足某些特定條件。量子力學可以進一步計算出原子從一個狀態躍遷到另一個狀態的機率大小，即躍遷機率。前述原子的能量呈現量子化，而這些分立的能量就是原子的能階。
雷射實際上就是利用物質與輻射的相互作用而產生的。所謂物質是指原子或分子，輻射就是光子或電磁波。每一種原子（分子）都有特定的能階，當與電磁波發生交互作用時，會從一能階狀態躍遷到另一能階狀態，其躍遷過程是藉著電磁波的吸收或輻射來達成的。但並非所有的原子能階都可以互相躍遷，少部分能階間的躍遷是受到禁止的，它必須遵守某些選擇規則（selection rule）。
物質中處於較低能階的粒子，可以藉由吸收特定頻率的外界輻射而躍遷至較高的能階上，這種現象稱為受激吸收過程。其所獲得的能量必須恰好是兩能階間的能量差，否則不會吸收。
處於較高能階的粒子，可藉由兩種方式向外界放射特定頻率的光輻射（光子）而躍遷至低能階上。其中一種是不需外界激勵的自發性輻射，另一種是在受到某一特定頻率的入射光作用下放射出一同頻率的光子，這種過程稱為受激放射過程。經入射光照射，每單位時間內參與受激放射的原子數與在激發態的原子數成正比。在熱平衡下，吸收的躍遷速率等於放射的躍遷速率，各能階的原子濃度維持定值。
能產生雷射的激發放射，物質中高能階的原子居量一定要比低能階的原子居量高，這種狀況稱為居量反轉（population reversion）。當高能階的原子同時躍遷回低能階時，會放出強度高且性質相當一致的光子。
雷射武器的發展
雷射武器早已在實戰中應用過，只不過擁有這類武器的國家不想大肆宣揚而已。1982 年英國和阿根廷的福島戰爭中，英國就祕密地使用剛剛研製出的雷射眩目瞄準具，照射攻擊英國軍艦的阿根廷飛機。
多年來科學家們先後研製出氣體動力學雷射器、氟化氘化學雷射器、氟化氫化學雷射器、氧化碘化學雷射器、釹玻璃固體雷射器、自由電子雷射器等不同材料與性質的高能量雷射器；發展自調適光學技術，解決高能雷射在大氣中的傳輸問題；研製精確雷射束定向系統，以及研究雷射與靶材的相互作用，在各方面都獲得了大量有用的數據。在雷射射擊實驗中，高能雷射光束曾成功地擊落了飛行的靶機、反坦克導彈、火箭彈等目標。這些研究工作的成功，證明了研製雷射武器的可行性。
目前世界各國正積極地把雷射武器運用於太空、空載、陸（海）基、以及單兵作戰上，部分研究發展已達實際驗證階段，甚至已經進入生產部署階段。主要的武器系統有以下幾種。
天基（太空）雷射：天基雷射武器主要著眼於攔截彈道飛彈。由於彈道飛彈本身結構極為脆弱，因此無法承受高能雷射的照射。部署在太空的高能量化學雷射，足以對飛行於 3 千公里以上的彈道飛彈投射有效的殺傷能量，加上可有效攔截推升階段的彈道飛彈，因此產生了把天基雷射與國家飛彈防禦相結合的思維，提高了把雷射武器部署在太空中的可能性。
這種武器的設計理念是，把雷射光束傳送至遠方時，仍然足以癱瘓所照射的目標，或有效地燒穿飛彈的表層結構。一直徑 10 公尺的末級反射聚焦鏡，配上氟化氫雷射，可產生 0.32 微弧度（「弧度」或「徑度」是角度的單位，一弧度約為 57 度）的聚焦角，這一角度可在 4 千公里外產生一面積為 1.3 平方公尺的雷射光點。
若把兩千萬瓦的能量會聚在這光點上，其能量流通密度大約是每平方公分 1,500 瓦。具備這種能量的雷射光點必須在目標表面持續照射 6.6 秒左右，才能產生每平方公分大約 1 萬焦耳的最低有效殺傷能量。對 2 千公里外的目標，僅需照射大約 1.7 秒就足以毀損飛彈的推升器。
天基雷射武器的載臺是低軌道衛星，其運行軌道視威脅的性質而定。雷射武器的位置應盡可能讓它獲取較多的照射機會，以提升摧毀正處於推升階段的飛彈數量至最大數額。因此衛星必須位處適當的高度，使其能夠攔截可見最遠處正處於推升階段的飛彈，而不必在飛彈到達極近的距離後才進行接戰。其最佳的高度依飛彈推升段引擎燃盡的高度、雷射光束的強度，以及飛彈彈體的強度而定。最佳的部署方案，是把衛星置於某些與地球赤道形成大約70度切角的軌道面上。
1997 年 3 月，美國 TRW 及洛克希德‧馬丁公司攜手完成首次的雷射地面測試，總共歷時 0.5 秒。1998 年 3 月，TRW 及波音公司合作成立團隊，受命規劃天基雷射戰備能量機具的初步設計並定義其規格。原預定在 2005 至 2006 年間完成布放，但可能展延至 2008 年。
天基雷射武器發展的目標，是具備在彈道飛彈上升至同溫層上層，約距地表 4 萬至 5 萬公尺高度，以及在太空飛行時加以攔截的能力。這類天基武器運行高度約為 1 千 3 百公里，有效殺傷範圍可達 4 千至 5 千公里，而一枚雷射衛星最大可單獨涵蓋十分之一的地球表面。因氫氟雷射會被大氣層內的水蒸氣吸收而減損，雷射無法有效穿透至地球表面，這一物理特性可避免衛星背負自太空向地面發射「死光武器」的污名。
空載雷射武器：美國在 1970 年代籌設的空中雷射實驗室，於 1983 年停止作業，但其研究已展現空載雷射確已具備攔截空中目標，並可順利轉化為實質武器系統的潛能。當時已發展出功率 5 萬瓦級、角度數十微徑度的雷射光束，以及精確、安全的雷射控制能力。
基本上，空載雷射飛機由各種不同戰場監偵系統得知敵方發射飛彈時，就可進行攔截。該機機鼻裝有直徑 1.5 公尺的末級雷射聚焦鏡，其角度能夠旋轉，以便把功率數以十萬瓦計的化學雷射光束照射至飛彈上。
機上的 9 個紅外線搜索／跟蹤傳感器，可探測 360 度視場內的導彈尾煙。從機上轉塔發射的跟蹤／照明雷射，照亮導彈助推器頭部，並建立初始跟蹤。緊接著啟動信標／照明器，在導彈燃料艙上標出一個小光點，同時機載波前傳感器感知大氣所造成的波前變化狀況，送至可轉向反射鏡。機載可轉向反射鏡調整後，使殺傷性高能雷射光束發射後能在目標上聚焦，一舉摧毀目標。
空載雷射武器系統於 2004 年至 2008 年進行量產，在 2005 年至 2006 年間完成首批 3 架的戰力組合，預定於 2007 年至 2008 年達成 7 架的整體作戰兵力目標。
洛克馬丁公司設計的空載雷射，是採用化學氧化碘雷射，同時配置能把光點聚焦在飛彈表層的突破性透鏡，可從數百公里外把來襲飛彈擊成碎片。未來會持續在北韓等可能成為美國敵對國家的領空附近飛行，目的是偵測、追蹤彈道飛彈，並在飛彈釋出可能載有核生化武器的彈頭前把它擊落。
先進戰術雷射系統：美國陸軍希望能夠發展可供特種部隊使用的空載戰術雷射系統。這種系統是把空載雷射武器使用的同型 30 萬瓦氧化碘雷射系統，安裝在 AC-130 武裝運輸機上做為致命性武器，以便擊毀低空反艦導彈、巡航導彈、近程火箭彈等。
系統重量約 4 千 5 百公斤到 6 千 8 百公斤，地對空射程是 1 萬公尺，空對空或空對地射程則是 2 萬公尺，可以在防區外把 10 公分的激光光點準確地照射在活動目標上。一旦發現目標，在 40 秒內可對一系列可能的目標進行攻擊。該系統採用封裝熱氣排放系統，美國特種作戰司令部也已提供經費，用於發展相關科技及驗證測試機具。雖然波音公司對這項先進戰術雷射系統的研發已有顯著成果，但美國陸軍尚未決定是否繼續投注資金，完成研究計畫最初設定的目標。
戰術高能雷射武器：鸚鵡螺計畫是美國與以色列兩國間的聯合研究計畫，由美國陸軍太空及飛彈防禦司令部主導，以色列國防研究發展處提供支援。這計畫是針對運用雷射做為戰術防空武器來反制敵方短程火箭的目標進行研究，1996 年 2 月在美國白沙導彈靶場成功擊毀了飛行中的 BM-21 火箭彈。
戰術高能雷射系統問世後，隨即引發了車載戰術高能雷射系統的發展。2000 年 6 月 6 日在白沙導彈靶場進行的試驗中，射程 15 公里的「卡猝殺」火箭彈被雷射武器系統成功地鎖定、跟蹤、摧毀，在實驗中總計擊落了 25 枚卡猝殺火箭彈。2002 年 11 月初還擊落了依既定彈道飛行的砲彈。
車載戰術高能雷射系統的體積，會比戰術高能雷射系統縮小 5 至 10 倍，未來以色列會選用較大型的系統，美國陸軍則會選用較低功率的小型系統。車載戰術高能雷射系統由3部機動車輛組成：整個雷射發射裝置裝在一部車上，另一部則裝設射控雷達，第三部車負責攜帶雷射燃料。
陸基雷射武器：美國政府目前正祕密研發一種威力強大的陸基雷射武器，這種武器可發射集中光束，摧毀在地球軌道上運行的衛星。威力強大的雷射光束可用來摧毀人造衛星，但大氣亂流會分散並減弱雷射光束。
目前美國研發的雷射武器是以光學技術為基礎，運用感應器、電腦與望遠鏡，由人造衛星發射較弱的雷射測量大氣亂流造成的折射角度，藉以修正雷射發射的方向。修正後，自地面發射的雷射光經望遠鏡反射後射往天際，在經過亂流時光束的方向不致偏離目標，強度不至於減弱，從而產生有威力、可摧毀敵方衛星的雷射光。
這項研究極具前瞻性，也有相當的技術挑戰，相關研究工作正在新墨西哥州沙漠中政府現有的「星火」實驗室進行。一名督導數項太空計畫的國防部高官說：「白宮希望我們研發太空防衛措施，首先是必須有能力保護我們在太空軌道上的資產。」但他表示，如經核准，這項研究的實際運用「也要在許多、許多年後才會實現」。
戰鬥機機載雷射武器：機載雷射武器以電力為動力源，而且體積足夠小，適於空軍作戰使用。美國空軍研究實驗室制定的 5 年目標，是發展 100 千瓦的固體雷射器。空軍已經確定裝載固體雷射器的第一個可能載臺是 F-35 聯合攻擊戰鬥機。戰鬥機的發動機除了產生推力外，還可以產生巨大的電力，因而是固體雷射器的理想載具。
這種戰鬥機機載雷射器的初型，主要用於致盲臨近的飛彈，特別是熱尋的或光學飛彈，也可以攻擊其他戰鬥機的易損部位，如燃料箱、飛彈、飛行控制系統，以及使飛機不能繼續作戰的部位。空軍研究實驗室與洛克希德‧馬丁公司簽訂了協議，針對 F-35 戰鬥機安裝雷射武器的可行性進行評估。
單兵雷射武器：單兵用雷射步槍是一種能量較低的雷射裝置，由於外型如同一般常見的單兵武器，因此又稱為雷射槍。這種武器主要由「雷射器」、「激光器」、「擊發器」和「槍托」4 大部分組成，特性是體積小、重量輕、射擊時無聲響，殺傷距離約 1 千 5 百公尺，主要用於陸戰或反恐行動。戰鬥用雷射武器主要有致盲雷射槍及致僵雷射槍2種。
致盲雷射槍主要用來對付具光、電系統的戰甲砲車、指管通情蒐系統與其操作人員，強烈的光束可使這些武器裝備的電子元件燒毀，並導致操作人員眼睛失明。早在 1982 年英國和阿根廷的福島戰爭中，英國就祕密使用了剛剛研製出來的「雷射眩暈器」，用於攔截攻擊英國軍艦的阿根廷戰機，導致阿根廷飛行員失明而機毀人亡。美國也曾研製一種稱為「馬刀－203」的雷射武器，這種武器安裝在普通步槍的槍管下，可以發射在3百公尺內使人眼受傷的低能量雷射。
由於這些雷射武器是以人眼為目標，屬於雷射致盲武器，已被 1995 年通過的〈禁止和限制使用特定常規武器公約〉所禁止。但是，該公約並沒有明確禁止研發和使用暫時使敵方人員眼花的雷射武器。
美國新近研發一種非致命的雷射步槍，可使敵方人員眼花，但不會造成永久性傷害，這種武器稱為人員暫停和刺激反應雷射步槍。雖然這項技術目前還處於樣品階段，投入戰場使用還有待時日，但是美國仍對其運用前景充滿期望。這款雷射步槍的兩個先導型成品，已送到德克薩斯和維吉尼亞的軍事基地接受進一步的檢測。它同時裝配有「眼睛安全距離探測器」，使得對目標距離的感應能夠更加精確，以符合國際公約的規範。
致僵雷射槍外型有長、短兩種，發射由紫外線激光器發出的光束，被擊中者全身肌肉神經會發生抽搐、痙攣，直至僵硬而喪失行動能力。由於身體外部組織的保護，被擊者的心臟等重要器官不會受到影響，因此不會危及生命。但電流超過 250 毫安後，會干擾被擊者心臟跳動的節律。調節雷射槍的發射波長，「致僵射線」還可以用來破壞微晶片，從而使裝有晶片的機器，包括飛機、坦克、汽車、艦船及其他武器系統失調，喪失戰鬥能力。據報導，這種雷射致僵武器已在實際應用中獲致良好的成效。
嶄新的里程碑
當荷馬讚頌黑法斯托斯（Hephaistos）神為阿基里斯（Achilles）製造武器時，把阿基里斯在戰場上的成功歸因於科技。目前的趨勢是，科技不再單純只是戰士的助力，而是戰士的替代物。科技已經成為「當代戰爭的原動力」，因為它的目標不是解決紛爭，而是改變戰爭的形態。人不再是戰爭的主體，反而是機器使士兵變成多餘，逼使他們提早自戰場撤出。
當電腦繼續提供更快速更周詳的資訊時，人類的行動與生活較以往更屈就於機器，科技越演進，人類就越依賴它。顯然，雷射武器的出現將使得現代戰爭科技邁向另一個嶄新的里程碑。
然而雷射武器除了受尚未突破的科技因素限制之外，道德因素是現階段最大的問題。主張這項議題應基於人道考量，而非基於作戰考量的人士，目前居於上風。換言之，我們必須強調使用武力或使用某種武器，本身就是不恰當或不道德，無論使用者是誰。「停止戰鬥」必須優先於以戰爭手段所獲致的勝利，而決定這一優先順序的並非是武器，而是擁有武器的人類。唯有正義的一方享有明顯的軍事優勢，才可能具有追求和平的力量。
超臨界流體介紹
什麼是超臨界流體？
物質通常具有大家所熟知的氣、固、液三相，但當溫度及壓力超過其臨界溫度及臨界壓力時，就進入所謂的超臨界流體狀態。在未達臨界點前，常存在明顯氣、液兩相之間的界面，但到達臨界點時，此界面即消失不見。有些物質在到達超臨界流體相時，顏色也會由無色變成其他顏色，若再經減壓或降溫，又會回復氣、液兩相。
被稱為「超」臨界流體雖然只是溫度及壓力超過其臨界點所產生的物質，但它確實是具有一些特性的。
一般而言，超臨界流體的物理性質是介於氣、液相之間的。例如，黏度接近於氣體，密度 接近於液體，因密度高，可輸送較氣體更多的超臨界流體，因黏度低，輸送時所須的功率則較液體為低。又如，擴散係數高於液體 10 至 100 倍，亦即質量傳遞阻力遠較液體為小，因之在質量傳遞上較液體為快。此外，超臨界流體有如氣體幾無表面張力，因此很容易滲入到多孔性組織中。除物理性質外， 在化學性質上亦與氣、液態時有所不同。例如，二氧化碳在氣體狀態下不具萃取能力，但當進入超臨界狀態後，二氧化碳變成親有機性，因而具有溶解有機物的能 力，此溶解能力會隨溫度及壓力而有所不同。
神奇的綠色溶劑
由於大部分見諸於文獻報導中的超臨界流體在常壓下均屬氣態，因之在使用後只要減壓即會變回氣相，而和其他固、液相的物質分離，故容易回收再使用，亦是使用超臨界流體的優點之一。
在眾多流體中，又以二氧化碳最常受到考量，因其臨界溫度不過攝氏 31.2 度，接近室溫，此外，臨界壓力也不算太高，約 72.8 大氣壓，又不具毒性，不會自燃，來源廣且價格不高。
由於二氧化碳亦是溫室氣體之一，國際上未來很可能會管制其排放量，若能充分利用二氧化碳，對減量排放也有一定的助益。由於在室溫下二氧化碳是氣 體，若以超臨界二氧化碳作為溶劑，在處理後不會有殘留的問題，因而可符合環保及衛生法規，也因此稱為綠色溶劑。除二氧化碳外，近年來超臨界水也在廢水處理 及材料製備上受到相當的重視。因此，本文較偏重說明此二種超臨界流體的應用。
一九五○年代，美、蘇等國即進行以超臨界丙烷去除重油中的柏油精及金屬，如鎳、釩等，降低後段煉解過程中觸媒中毒的失活程度。但因涉及成本考量， 並未全面實用化。此後，利用超臨界流體進行分離的方法曾沈寂了一段時間，直到一九七三及一九七八年第一次和第二次能源危機後，才又受到工業界的重視。一九 七八年後，歐洲陸續建立起以超臨界二氧化碳作為萃取劑，以處理食品工廠中數以千萬噸計的產品，例如，去除咖啡豆中的咖啡因，以及自苦味花中萃取出可放在啤 酒內的成分。
須說明的是，利用超臨界二氧化碳萃取咖啡因的技術較使用傳統的三氯乙烯或二氯甲烷化學溶劑成本為高，但後者會有致癌之虞，而二氧化碳不會，使研究者得以務實地考量在哪些情形下可利用超臨界流體的特性而實用化。
很顯然地，由於生活水準提高及時代進步，消費者對於健康、產品品質、環境及生態保護的要求也會日益增高，以有機溶劑處理藥物及食品，將在世界各地 逐漸被安全性更高、無毒、對環境無害的溶劑所取代。這也是超臨界流體萃取技術在醫藥、食品工業上最先商業化的原因。目前全球商業化工廠約 100 家，每年成長大約百分之十。
要咖啡不要咖啡因
利用超臨界二氧化碳去除咖啡因的製程不止一個，現就一特定製程，說明如何利用超臨界二氧化碳，達到去除咖啡因的目的。
此製程分為三個階段，第一階段是利用乾燥的超臨界二氧化碳，萃取經焙炒過的咖啡豆中的香味成分，再經減壓後放置於一特定區域。此階段可看出乾燥的 二氧化碳具選擇性，不會萃取咖啡豆中的咖啡因，經減壓後的二氧化碳，對香味成分的溶解度會大幅降低，由此可看出壓力對溶解度的影響。
第二階段為將減壓的二氧化碳，經壓縮並使其中帶有定量水分後，再通入裝有咖啡豆的槽中，此時因二氧化碳含有水，而水具有極性，可萃取出咖啡因，離開萃取槽後經減壓，將咖啡因與二氧化碳分離。
第三階段是利用超臨界二氧化碳流體溶解放置於特定區域中的香味成分，再送回萃取槽，將香味成分放回咖啡豆中。
此三階段皆顯示超臨界二氧化碳具高滲透力，可深入咖啡豆內部組織，此乃因低表面張力之故。另亦顯示改變二氧化碳的物理及化學性質，以及壓力和溫度是可影響溶解能力及對溶質的選擇性。
提高物質的分離與純化
在臨界點附近有一有趣的現象，稱之為分子團。以二氧化碳為例，在接近二氧化碳臨界點 時，每一溶質分子附近會有上百個二氧化碳分子向其靠攏，形成一團聚物，因之在溶質附近的密度較二氧化碳整體密度為高。當逐漸偏離二氧化碳臨界點時，靠攏的 二氧化碳分子數會減少，在進入超臨界流體區時，溶質分子附近的二氧化碳分子數目只有幾個而已，此現象可由光譜儀所測得的波長變動加以證實。
藉由分子團的形成，也可達到分離純化的目的。例如，逆滲透法為一較有效去除水溶液中少量乙醇的方法，由於利用逆滲透法時須加壓，故可趁加壓時順便 在水溶液中加入二氧化碳，當操作溫度及壓力接近二氧化碳臨界點時，乙醇分子會被二氧化碳分子所包圍，而不易通過薄膜孔道。在此情形下，通過薄膜的水溶液中 乙醇含量相對地較未添加二氧化碳的逆滲透法為小。
晶圓表面清洗
近年來，由於半導體蓬勃的發展，其所生產的電子資訊及通訊產品大幅提升了科技水準及生活品質。許多元件設計都朝更精細、更繁複及高密度方向發展，但伴隨而來的即是如何有效且符合環保要求的晶圓表面清淨，以提升良率及可靠度。
過去所用的清淨方法，包括使用酸鹼性溶液，雖然相當有效，但也衍生出一些問題，例如須使用大量純水和化學試劑，這會造成產品及環境的污染，以及在 處理後須費時的加以乾燥。而在新一代製程中，晶圓具有渠溝或高深寬比結構時，由於液體表面張力大，不易進入結構內部加以清洗且更不易乾燥。
因此，近年來許多公司，如美國國際商業機器公司（IBM）、惠普公司（HP）、休斯（Hughes）及日本SRC株式會社等，即利用超臨界流體低 黏度、高擴散性、低表面張力等特性，開發出以二氧化碳為清淨劑的製程。雖然目前仍屬開發階段，但已顯示確可克服前述使用水溶液的問題。
取代臭氧層的殺手—－氟氯碳化合物
除晶圓清淨外，超臨界態及高壓液態的二氧化碳亦可用來洗滌航空電子與導航元件、取代衣物乾洗所用的氟氯碳化合物或石油系溶劑、再生使用過的活性碳，以及處理被重金屬或毒性化學物污染的土壤、高分子中殘留溶劑及反應物等。
很顯然地，使用二氧化碳可降低致癌的可能性及取代被蒙特婁議定書（一九八七年各國在加拿大蒙特婁市決議將五種氟氯碳化合物及三種海龍列為管制物，以降低對臭氧層的破壞）禁用的氟氯碳化合物，且不會如石油系溶劑那麼地會自燃及具易爆性。
當然，開發任何一製程絕非只單純地利用上面所說的一些特性，其中有許多地方仍需投入相當多的研究，例如，簡化製程並使設備體積縮小、降低操作壓力、在符合環保及衛生要求下加入共溶劑，以提升二氧化碳溶解力、縮短清洗時間、並可連續操作等。
產製微米及奈米粒子
奈米技術已成為廿一世紀科技與產業發展最主要驅動力之一，各先進國家無不將其納入優先發展的範圍。
利用超臨界或次臨界流體亦可製備微米（10−6 米）及奈米（10−9 米）粒子，所採取的操作方式則視溶解度而有所不同。若是超臨界流體可以溶解的溶質，則可利用噴嘴使之瞬間減壓而獲得極大的過飽和度，以生成固體溶質。通常藉由噴嘴尺寸及其前後的溫度和壓力的設計，可在 10−8 至 10−5 秒間即產生大於 105 的過飽和度，因而可獲得極微小且分布均勻的顆粒，亦可獲得如圓球或纖維狀的不同的晶形。
快速噴灑方法較傳統機械研磨及溶液結晶有利之處是：不會有高熱產生，適用於熱敏感性的物質；所用的流體在常壓下為氣體，故不會有溶劑殘留的問題； 由於製程中產生極高的過飽和度，故可控制粒徑及其分布。此外，在藥物釋放控制中常須均勻分布的微米圓球體，如 1.0 微米的聚乳酸，已證實用快速噴灑法可達到此一目的。
十多年前，有人觀察到將壓縮的流體溶於有機溶劑中，會造成溶劑的膨脹。例如，將 55 大氣壓的二氧化碳在攝氏 25 度時溶於甲苯中，會造成甲苯體積膨脹至原來的 3.5 倍。在此情形下，原溶於甲苯中的有機固體與甲苯間的親和力即會下降而沈積出來，稱為壓縮流體反溶劑沈積法。用此法亦可獲得次微米及微米的球形晶體。以製作 數位影音光碟片的高分子環烯共聚物為例，在攝氏 25 度及 63 大氣壓下，藉由二氧化碳作為反溶劑，此共聚物可自甲苯溶液中以 0.1 ~ 0.8 微米的圓形球體沈積出來。
由於超臨界二氧化碳並不會溶解無機物及金屬，是否可利用超臨界流體獲得奈米無機物或金屬呢？答案是可以的。以製造奈米金屬為例，常採用的方法是微 乳液或逆微胞法，由於二氧化碳在超臨界狀態下具親有機性，以其替代有機溶劑，藉由還原反應，奈米金屬可在有限大小的微胞中形成，進而製得奈米金屬。以銀為 例，可藉由硝酸銀水溶液在超臨界二氧化碳流體中形成微乳液，再經還原反應而製得 5 ~ 15 奈米的銀顆粒。
良好的有機溶劑替代品
如前所述，超臨界二氧化碳流體可以取代有機溶劑，因此亦可用來進行化學反應。事實上，包括氫化、氧化、烷化、酯化、酵素、裂解、高分子等非均相催化反應均已有所報導。
綜合而言，在超臨界狀態下操作，具有許多優點。例如，與液相反應相較，由於超臨界流體具有較大擴散速率，因此在多孔性固體觸媒中及界面間的質傳阻 力相對減少。而與氣相反應相較，因超臨界流體密度高，可增加在反應器內的停滯時間，故可使用連續式的操作。同時，超臨界流體具有溶解力，某些導致觸媒中毒 的物質會被它帶走，增加觸媒的壽命。
以氫化及氧化反應為例，由於氫和氧不易溶解於液相中，通常以氣、液、固三相方式操作，很明顯地，只要多一相存在，便會產生質量傳送的阻力。若以超 臨界流體作為載體，它會和氫或氧互溶，因此只要流體和固體兩相即可進行反應，加上超臨界流體較液體溶液更易將反應物帶到多孔觸媒內的活性位置，反應速率也 可大幅提升。就脂肪酸的氫化反應而言，在超臨界丙烷中進行反應，反應速率可較三相操作提升 400 倍之多。又以甲苯與丙烯的烷化反應生成對異丙基甲苯為例，在常壓氣相操作下，丙烯裂解量約為 40％，以致觸媒上易結成焦碳而降低活性。若以超臨界二氧化碳取代常壓氮氣，則丙烯裂解量降低至 20％，產量亦可增加七成左右。
產製特殊功能的產品
在超臨界狀態下，除了可增加反應速率外，亦可與前述的快速噴灑方式合併使用，製得在傳統操作中無法得到的產品。以製造金屬有機物為例，此類物質在 固態時相當穩定，在溶液中則是很好的觸媒，這是因為它們含有至少一個與金屬中心鍵結的活性基，如烯基或氫，這些活性基會在溶液中脫除而成為活性物質。
這類物質固態時相當穩定，過去不易由液相中製得，因形成固體前須去除溶劑，也會造成活性基的移除。但若在超臨界狀態下反應後，立即將溶液噴灑至常 壓，由於過飽和度夠大，加上減壓過程為吸熱程序，產製過程中停滯時間短且溫度低，使其不致於分解。實例之一為六羰化鉻與乙烯的反應，可製得只含一個活性基 的金屬有機物五羰乙基鉻。
廢水處理與化武銷毀
除了二氧化碳外，近年來超臨界水也逐漸受到重視。在常溫、常壓下，水因具氫鍵故有極高的介電常數。但當溫度升高時，氫鍵逐漸變弱，至臨界溫度以上 時，氫鍵不再存在。所以，水也成為一不具極性的物質，因而可與碳氫化合物充分混合。除介電常數外，其他一些性質如密度、離子積等也與液相時的水大不相同。 現已運用於商業化的廢水處理以及化學武器與彈藥的銷毀。此法是在超臨界水中進行氧化反應，由於超臨界水呈酸性且與氧完全互溶，故可有效分解水中有機物，分 解率高達 99.99％ 以上。
超臨界水呈酸性具相當腐蝕力，因而需慎選能耐高壓、高溫以及耐腐蝕的材質。值得一提的是，超臨界水不會溶解無機鹽，因此水中的鈣、鎂等物質會沈積出來，此時的超臨界水是相當純淨的高壓水蒸氣，故可進一步地加以利用。
截長補短、相輔相成
以上說明了如何利用超臨界流體特性，達到分離純化、增進反應速率，以及製備特殊功能產品的目的。當然，超臨界流體的應用，絕非局限於本文所述，可 預見的是它的應用會愈來愈廣。只是任何一種方法絕非萬靈丹，因此一定要對超臨界流體基本原理以及其他競爭方法有一定程度的了解，方能做適切的取捨。此外， 若能截長補短而與其他方法合併使用，也是增進此方法應用的途徑。就超臨界流體基本原理來說，無論在溶解度、相平衡、輸送現象、化學反應程序上，仍有許多地 方須加以探討。另外，由於使用超臨界流體時，通常壓力會高於常壓，因此也得重視操作安全及材質的選擇。
物質通常具有大家所熟知的氣、固、液三相，但當溫度及壓力超過其臨界溫度及臨界壓力時，就進入所謂的超臨界流體狀態。在未達臨界點前，常存在明顯氣、液兩相之間的界面，但到達臨界點時，此界面即消失不見。有些物質在到達超臨界流體相時，顏色也會由無色變成其他顏色，若再經減壓或降溫，又會回復氣、液兩相。
被稱為「超」臨界流體雖然只是溫度及壓力超過其臨界點所產生的物質，但它確實是具有一些特性的。
一般而言，超臨界流體的物理性質是介於氣、液相之間的。例如，黏度接近於氣體，密度 接近於液體，因密度高，可輸送較氣體更多的超臨界流體，因黏度低，輸送時所須的功率則較液體為低。又如，擴散係數高於液體 10 至 100 倍，亦即質量傳遞阻力遠較液體為小，因之在質量傳遞上較液體為快。此外，超臨界流體有如氣體幾無表面張力，因此很容易滲入到多孔性組織中。除物理性質外， 在化學性質上亦與氣、液態時有所不同。例如，二氧化碳在氣體狀態下不具萃取能力，但當進入超臨界狀態後，二氧化碳變成親有機性，因而具有溶解有機物的能 力，此溶解能力會隨溫度及壓力而有所不同。
神奇的綠色溶劑
由於大部分見諸於文獻報導中的超臨界流體在常壓下均屬氣態，因之在使用後只要減壓即會變回氣相，而和其他固、液相的物質分離，故容易回收再使用，亦是使用超臨界流體的優點之一。
在眾多流體中，又以二氧化碳最常受到考量，因其臨界溫度不過攝氏 31.2 度，接近室溫，此外，臨界壓力也不算太高，約 72.8 大氣壓，又不具毒性，不會自燃，來源廣且價格不高。
由於二氧化碳亦是溫室氣體之一，國際上未來很可能會管制其排放量，若能充分利用二氧化碳，對減量排放也有一定的助益。由於在室溫下二氧化碳是氣 體，若以超臨界二氧化碳作為溶劑，在處理後不會有殘留的問題，因而可符合環保及衛生法規，也因此稱為綠色溶劑。除二氧化碳外，近年來超臨界水也在廢水處理 及材料製備上受到相當的重視。因此，本文較偏重說明此二種超臨界流體的應用。
一九五○年代，美、蘇等國即進行以超臨界丙烷去除重油中的柏油精及金屬，如鎳、釩等，降低後段煉解過程中觸媒中毒的失活程度。但因涉及成本考量， 並未全面實用化。此後，利用超臨界流體進行分離的方法曾沈寂了一段時間，直到一九七三及一九七八年第一次和第二次能源危機後，才又受到工業界的重視。一九 七八年後，歐洲陸續建立起以超臨界二氧化碳作為萃取劑，以處理食品工廠中數以千萬噸計的產品，例如，去除咖啡豆中的咖啡因，以及自苦味花中萃取出可放在啤 酒內的成分。
須說明的是，利用超臨界二氧化碳萃取咖啡因的技術較使用傳統的三氯乙烯或二氯甲烷化學溶劑成本為高，但後者會有致癌之虞，而二氧化碳不會，使研究者得以務實地考量在哪些情形下可利用超臨界流體的特性而實用化。
很顯然地，由於生活水準提高及時代進步，消費者對於健康、產品品質、環境及生態保護的要求也會日益增高，以有機溶劑處理藥物及食品，將在世界各地 逐漸被安全性更高、無毒、對環境無害的溶劑所取代。這也是超臨界流體萃取技術在醫藥、食品工業上最先商業化的原因。目前全球商業化工廠約 100 家，每年成長大約百分之十。
要咖啡不要咖啡因
利用超臨界二氧化碳去除咖啡因的製程不止一個，現就一特定製程，說明如何利用超臨界二氧化碳，達到去除咖啡因的目的。
此製程分為三個階段，第一階段是利用乾燥的超臨界二氧化碳，萃取經焙炒過的咖啡豆中的香味成分，再經減壓後放置於一特定區域。此階段可看出乾燥的 二氧化碳具選擇性，不會萃取咖啡豆中的咖啡因，經減壓後的二氧化碳，對香味成分的溶解度會大幅降低，由此可看出壓力對溶解度的影響。
第二階段為將減壓的二氧化碳，經壓縮並使其中帶有定量水分後，再通入裝有咖啡豆的槽中，此時因二氧化碳含有水，而水具有極性，可萃取出咖啡因，離開萃取槽後經減壓，將咖啡因與二氧化碳分離。
第三階段是利用超臨界二氧化碳流體溶解放置於特定區域中的香味成分，再送回萃取槽，將香味成分放回咖啡豆中。
此三階段皆顯示超臨界二氧化碳具高滲透力，可深入咖啡豆內部組織，此乃因低表面張力之故。另亦顯示改變二氧化碳的物理及化學性質，以及壓力和溫度是可影響溶解能力及對溶質的選擇性。
提高物質的分離與純化
在臨界點附近有一有趣的現象，稱之為分子團。以二氧化碳為例，在接近二氧化碳臨界點 時，每一溶質分子附近會有上百個二氧化碳分子向其靠攏，形成一團聚物，因之在溶質附近的密度較二氧化碳整體密度為高。當逐漸偏離二氧化碳臨界點時，靠攏的 二氧化碳分子數會減少，在進入超臨界流體區時，溶質分子附近的二氧化碳分子數目只有幾個而已，此現象可由光譜儀所測得的波長變動加以證實。
藉由分子團的形成，也可達到分離純化的目的。例如，逆滲透法為一較有效去除水溶液中少量乙醇的方法，由於利用逆滲透法時須加壓，故可趁加壓時順便 在水溶液中加入二氧化碳，當操作溫度及壓力接近二氧化碳臨界點時，乙醇分子會被二氧化碳分子所包圍，而不易通過薄膜孔道。在此情形下，通過薄膜的水溶液中 乙醇含量相對地較未添加二氧化碳的逆滲透法為小。
晶圓表面清洗
近年來，由於半導體蓬勃的發展，其所生產的電子資訊及通訊產品大幅提升了科技水準及生活品質。許多元件設計都朝更精細、更繁複及高密度方向發展，但伴隨而來的即是如何有效且符合環保要求的晶圓表面清淨，以提升良率及可靠度。
過去所用的清淨方法，包括使用酸鹼性溶液，雖然相當有效，但也衍生出一些問題，例如須使用大量純水和化學試劑，這會造成產品及環境的污染，以及在 處理後須費時的加以乾燥。而在新一代製程中，晶圓具有渠溝或高深寬比結構時，由於液體表面張力大，不易進入結構內部加以清洗且更不易乾燥。
因此，近年來許多公司，如美國國際商業機器公司（IBM）、惠普公司（HP）、休斯（Hughes）及日本SRC株式會社等，即利用超臨界流體低 黏度、高擴散性、低表面張力等特性，開發出以二氧化碳為清淨劑的製程。雖然目前仍屬開發階段，但已顯示確可克服前述使用水溶液的問題。
取代臭氧層的殺手—－氟氯碳化合物
除晶圓清淨外，超臨界態及高壓液態的二氧化碳亦可用來洗滌航空電子與導航元件、取代衣物乾洗所用的氟氯碳化合物或石油系溶劑、再生使用過的活性碳，以及處理被重金屬或毒性化學物污染的土壤、高分子中殘留溶劑及反應物等。
很顯然地，使用二氧化碳可降低致癌的可能性及取代被蒙特婁議定書（一九八七年各國在加拿大蒙特婁市決議將五種氟氯碳化合物及三種海龍列為管制物，以降低對臭氧層的破壞）禁用的氟氯碳化合物，且不會如石油系溶劑那麼地會自燃及具易爆性。
當然，開發任何一製程絕非只單純地利用上面所說的一些特性，其中有許多地方仍需投入相當多的研究，例如，簡化製程並使設備體積縮小、降低操作壓力、在符合環保及衛生要求下加入共溶劑，以提升二氧化碳溶解力、縮短清洗時間、並可連續操作等。
產製微米及奈米粒子
奈米技術已成為廿一世紀科技與產業發展最主要驅動力之一，各先進國家無不將其納入優先發展的範圍。
利用超臨界或次臨界流體亦可製備微米（10−6 米）及奈米（10−9 米）粒子，所採取的操作方式則視溶解度而有所不同。若是超臨界流體可以溶解的溶質，則可利用噴嘴使之瞬間減壓而獲得極大的過飽和度，以生成固體溶質。通常藉由噴嘴尺寸及其前後的溫度和壓力的設計，可在 10−8 至 10−5 秒間即產生大於 105 的過飽和度，因而可獲得極微小且分布均勻的顆粒，亦可獲得如圓球或纖維狀的不同的晶形。
快速噴灑方法較傳統機械研磨及溶液結晶有利之處是：不會有高熱產生，適用於熱敏感性的物質；所用的流體在常壓下為氣體，故不會有溶劑殘留的問題； 由於製程中產生極高的過飽和度，故可控制粒徑及其分布。此外，在藥物釋放控制中常須均勻分布的微米圓球體，如 1.0 微米的聚乳酸，已證實用快速噴灑法可達到此一目的。
十多年前，有人觀察到將壓縮的流體溶於有機溶劑中，會造成溶劑的膨脹。例如，將 55 大氣壓的二氧化碳在攝氏 25 度時溶於甲苯中，會造成甲苯體積膨脹至原來的 3.5 倍。在此情形下，原溶於甲苯中的有機固體與甲苯間的親和力即會下降而沈積出來，稱為壓縮流體反溶劑沈積法。用此法亦可獲得次微米及微米的球形晶體。以製作 數位影音光碟片的高分子環烯共聚物為例，在攝氏 25 度及 63 大氣壓下，藉由二氧化碳作為反溶劑，此共聚物可自甲苯溶液中以 0.1 ~ 0.8 微米的圓形球體沈積出來。
由於超臨界二氧化碳並不會溶解無機物及金屬，是否可利用超臨界流體獲得奈米無機物或金屬呢？答案是可以的。以製造奈米金屬為例，常採用的方法是微 乳液或逆微胞法，由於二氧化碳在超臨界狀態下具親有機性，以其替代有機溶劑，藉由還原反應，奈米金屬可在有限大小的微胞中形成，進而製得奈米金屬。以銀為 例，可藉由硝酸銀水溶液在超臨界二氧化碳流體中形成微乳液，再經還原反應而製得 5 ~ 15 奈米的銀顆粒。
良好的有機溶劑替代品
如前所述，超臨界二氧化碳流體可以取代有機溶劑，因此亦可用來進行化學反應。事實上，包括氫化、氧化、烷化、酯化、酵素、裂解、高分子等非均相催化反應均已有所報導。
綜合而言，在超臨界狀態下操作，具有許多優點。例如，與液相反應相較，由於超臨界流體具有較大擴散速率，因此在多孔性固體觸媒中及界面間的質傳阻 力相對減少。而與氣相反應相較，因超臨界流體密度高，可增加在反應器內的停滯時間，故可使用連續式的操作。同時，超臨界流體具有溶解力，某些導致觸媒中毒 的物質會被它帶走，增加觸媒的壽命。
以氫化及氧化反應為例，由於氫和氧不易溶解於液相中，通常以氣、液、固三相方式操作，很明顯地，只要多一相存在，便會產生質量傳送的阻力。若以超 臨界流體作為載體，它會和氫或氧互溶，因此只要流體和固體兩相即可進行反應，加上超臨界流體較液體溶液更易將反應物帶到多孔觸媒內的活性位置，反應速率也 可大幅提升。就脂肪酸的氫化反應而言，在超臨界丙烷中進行反應，反應速率可較三相操作提升 400 倍之多。又以甲苯與丙烯的烷化反應生成對異丙基甲苯為例，在常壓氣相操作下，丙烯裂解量約為 40％，以致觸媒上易結成焦碳而降低活性。若以超臨界二氧化碳取代常壓氮氣，則丙烯裂解量降低至 20％，產量亦可增加七成左右。
產製特殊功能的產品
在超臨界狀態下，除了可增加反應速率外，亦可與前述的快速噴灑方式合併使用，製得在傳統操作中無法得到的產品。以製造金屬有機物為例，此類物質在 固態時相當穩定，在溶液中則是很好的觸媒，這是因為它們含有至少一個與金屬中心鍵結的活性基，如烯基或氫，這些活性基會在溶液中脫除而成為活性物質。
這類物質固態時相當穩定，過去不易由液相中製得，因形成固體前須去除溶劑，也會造成活性基的移除。但若在超臨界狀態下反應後，立即將溶液噴灑至常 壓，由於過飽和度夠大，加上減壓過程為吸熱程序，產製過程中停滯時間短且溫度低，使其不致於分解。實例之一為六羰化鉻與乙烯的反應，可製得只含一個活性基 的金屬有機物五羰乙基鉻。
廢水處理與化武銷毀
除了二氧化碳外，近年來超臨界水也逐漸受到重視。在常溫、常壓下，水因具氫鍵故有極高的介電常數。但當溫度升高時，氫鍵逐漸變弱，至臨界溫度以上 時，氫鍵不再存在。所以，水也成為一不具極性的物質，因而可與碳氫化合物充分混合。除介電常數外，其他一些性質如密度、離子積等也與液相時的水大不相同。 現已運用於商業化的廢水處理以及化學武器與彈藥的銷毀。此法是在超臨界水中進行氧化反應，由於超臨界水呈酸性且與氧完全互溶，故可有效分解水中有機物，分 解率高達 99.99％ 以上。
超臨界水呈酸性具相當腐蝕力，因而需慎選能耐高壓、高溫以及耐腐蝕的材質。值得一提的是，超臨界水不會溶解無機鹽，因此水中的鈣、鎂等物質會沈積出來，此時的超臨界水是相當純淨的高壓水蒸氣，故可進一步地加以利用。
截長補短、相輔相成
以上說明了如何利用超臨界流體特性，達到分離純化、增進反應速率，以及製備特殊功能產品的目的。當然，超臨界流體的應用，絕非局限於本文所述，可 預見的是它的應用會愈來愈廣。只是任何一種方法絕非萬靈丹，因此一定要對超臨界流體基本原理以及其他競爭方法有一定程度的了解，方能做適切的取捨。此外， 若能截長補短而與其他方法合併使用，也是增進此方法應用的途徑。就超臨界流體基本原理來說，無論在溶解度、相平衡、輸送現象、化學反應程序上，仍有許多地 方須加以探討。另外，由於使用超臨界流體時，通常壓力會高於常壓，因此也得重視操作安全及材質的選擇。
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