十億分之一公尺驚異世界

奈米技術 NanoTechnology (7)

「樹狀聚合物」

超分子使淨能社會成真

「樹狀聚合物」是具有如樹般分枝構造的巨大分子。利用某種樹狀聚合物,將樹狀聚合物的樹狀構造當作天線捕捉光,把所得光能(light energy)集中在分子的1個地方,可誘發(induce)許多物理、化學反應。這時如果樹狀聚合物太小、構造有缺陷,則無法順利誘發反應。東京大學研究所工程學系研究科相田卓三教授表示:「以前雖然製造出許多可以吸收光的人造物,但是很難連合多個捕捉光的單位,將所得光能聚集到特定地方,因此可以將光能聚集到特定地方的人造樹狀聚合物即受到關切。」

  目前若干活用這種樹狀聚合物特質的研究正在進行,其中一個研究是模仿自然界的光台作用機制,嘗試利用陽光製造出氫等能源。為了取得這些21世紀的新能源,必須擁有利用陽光製造出化學能的技術。

  自然界中的植物透過光合作用,利用光、水及二氧化碳製造出糖等能量。這意味著光合作用是結合太陽與地球的優良介面,亦即光合作用系統係透過特別的機制,極有效地獲得以光的形式飛來的太陽能。在這個系統中,縝密編入超分子結構體的許多捕捉光的單位扮演著重要的角色。以人為方式試圖構築這種系統,所構築出來的系統稱作「人造光合作用系統」。相田教授表示 :「目前利用具集光天線功能的樹狀聚合物,也可能藉陽光和水製造出氫。J

  儘管如此,仍有難題待解決,那就是有機物受光早晚必會崩解。植物具有有機物崩解後仍可製造出新物質的「代謝」功能,目前人造物尚無法具備代謝功能,今後希望能夠製造出具自我修復功能的人造物。

  具集光天線功能的某種樹狀聚合物連微弱的光也能有效捕捉,可將所得光能集中在中央部位,轉換為不同顏色的光,並可製造出非常強的光。如果能夠應用這種樹狀聚合物,該聚合物將可望用來製造下一代顯示裝置。

如果能夠找出生物體中蛋白質等物質的微量成分,利用樹狀聚合物建立類似發光、消光那樣的機制,將可利用光簡單、高感度地偵測生物體內的微量成分,而不必使用化學方法來偵測。相田教授表示:「最終目標可能是希望利用樹狀聚合物製造出人造血液之類的物質。」

 

「碳奈管

2010年將出現強度為鐵10倍的新材料。

目前材料領域申最受矚目的是「碳奈管」,這是直徑1~30奈米的圓筒形碳材料,碳原子的配置使得分子結構如同捲成圓形,有著六角形網眼的金網。碳奈管的粗細不超過頭髮的1萬分之l,可以說是自然界中最細的管子。具熱傳導性、導電性、強度佳等特性,並且輕而柔軟。由於應用範圍廣,可用來製造電子裝置、薄型顯示器、燃料電池等,而受到全世界奈米技術研究人員的狂熱研究。

發現者為日本人這種夢幻材料的發現者為日本人,1991年,日本電氣公司首席研究員飯島澄男(目前兼任日本名城大學教),於研究「碳族」(fullerene)時發現了碳奈管。碳簇是由60個碳原子組成的足球狀碳分子(C60),為英國克羅德(Harold W. Kroto)等3位化學家於1985年所發現。以前只知道鑽石、石墨、木炭3種純碳形式,碳簇是新發現的第4種純碳形式,這個發現給全世界帶來衝擊,克羅德博士等人也因這項功績獲頒1996年諾貝爾化學獎。

  飯壹教授調查利用弧放電(arc discharge)法生成碳簇的過程,於研究中發現了碳奈管,這種碳奈管可以說是新的第5種碳形式。

可能製造出新的奈米大小的電子裝置

  碳奈管因具有可隨意變換的電性,可望用來製造極小的電子裝置。將碳奈管六角形網眼的一部分改成五角形、七角形,並改變網眼的方向,即可改變電子的傳導方同。這種為了通過極狹管子所引發的現象,稱作「量子效應」(quantum effect)。

飯島教授表示:「目前已經證實可以利用這個原理開發出碳奈管裝置。目前1個積體電路裝置的大小約為一百數十幾奈米,未來將可製造出大小僅為目前積體電路100分之1的碳奈管裝置。只要妥善排列、連接碳奈管裝置,將可製造出具高速、微小、省電優點的劃時代電腦。」

液晶之後的下一代薄型顯示器

  將碳奈管應用在電視、個人電腦顯示器上,已進入試作階段。布朗管(Braun tube)的作用機制是在真空管中釋出電子,使電子撞擊螢光物質(fluorescent substance)而發光。由於擊出電子的電子槍(electron gun)和螢光屏(fluorescent screen)之間一定要有距離,裝置必須放在深處,加上必須使用發熱器(heater)讓電子槍受熱,因此也消耗許多電力。

  碳奈管相當細,利用低電壓即可輕易釋出電子,也不必像向來所使用的電子槍那樣必須受熱,只要把碳奈管攙在塗料中塗在基板上,將許多微米大小的超小型布朗管以2維方式排列,即可製造出薄型、省電的大型畫面。另外在畫質方面,也能善用亮度、色調等布朗管優點,得到比液晶 (liquid crystal) 更美的畫面。飯島教授表示:「2005~2010年左右,可能出現掛在牆上、厚數公釐的大畫面顯示器。」

可能引發汽車產業大革命

  目前飯島教授最注意碳奈管在氫汽車燃料電池上的應用。碳奈管具有容易納入氫分子的性質,如果把點燃後容易爆炸等難處理的氫分子儲存在碳奈管中,碳奈管將成為安全的氫吸存槽。這種氫吸存槽還具有遠比現在的氫吸存合金等輕、小型的優點。

  飯島教授期待:「這種氫吸存槽可能儲存碳奈管質量7%的氫,預料只靠寵物酒瓶大小的高壓圓桶 (Bombe) 便可行駛500公里。如果這種氫吸存槽真的出現,可能引發汽車產業大革命。目前各汽車製造公司競相開發,到了2005年,將可確認這種氫吸存槽是否可以製造出來。確認可以製造出來後,碳奈管若能妥為量產,那麼2010年左右應該可以實用化。」

藏著無限可能的夢幻材料

另外,飯島教授還注意到碳奈管源自原子結構(atomic structure)的機械性質。據說結構上沒有缺陷、由6碳環構成的碳奈管,貿量儘管只有鋼的6分之l,張力(tension)強度卻為鋼的10倍。如果利用這個性質,將可使碳奈管的強度遠比現在的碳纖維強度驚人,可作為飛機、太空船等的新複合材料。此外,碳奈管因具熱、化學穩定性質,也開始被用來製造偵測瓦斯等微量物質的感知器,或用來製造掃描穿隧式顯微鏡、原子間力顯微鏡的探針等。

  飯島教授指出:「以前大家以為已經把由碳組成、名為黑色礦物的物質研究完畢,應該不會再有新的發現,但是發現碳奈管卻使這個狀況突然改變。」碳或許會取代現在的鐵、矽,成為21世紀支持尖端產業的骨幹原料。

全篇完

特此鳴謝[佳織]君傳來此精彩文章及對我們的支持 !!