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你也可以做的奈米碳管薄片

2011/02/09 | 未分類 |

Original publish date:Sep 08, 2005

編輯 Keelungman 報導

德州大學達拉斯分校與澳洲 CSIRO(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) 的研究團隊最近研發出一種 製程,利用簡單的方法(也許只要用到一張 3M Post-it 便條紙) ,就可以將奈米碳管編成 5 公分寬,數公尺長的薄片!而這條奈米 碳管薄片機械強度高、可導電、而且近乎透明,具有多種應用的潛 力。

奈米碳管具有很高的機械強度,但是單根的碳管的長度卻很短,一 般 CVD 製程下所製造的奈米碳管長度約數百微米左右,這麼小的尺 寸限制了它在應用上的自由度。多年以來,科學家們試圖利用各種 技術來加長單根碳管的長度,甚至把許多碳管拼合成尺寸更大的材 料。目前最長的奈米碳管可到 20 公分,這雖然是可觀的進步,但 是這樣的長度仍然不足以應付多樣性的應用需求。另一方面,編紡 奈米碳管的技術也不斷地進展著。

2000 年一組法國的科學家將單壁奈米碳管 (single wall carbon nanotube, SWNT) 混合分散在硫酸十二酯鈉 (sodium dodecyl sulfate, SDS) 溶液中,再將該混合液注進 5 wt% 的聚乙烯醇 (Poly vinyl alcohol, PVA) 溶液內,原本分散的奈米碳管在製 程中糾結起來,最後可以提取出寬度為數百微米左右,長度可無限 延伸的奈米管帶。

2002 年,北京清大的科學家首度利用乾式方法,直接將鍍在矽晶圓 上的奈米碳管陣列抽絲紡成繩索,繩索長度可達 30 公分。他們發 現:若要成功地將奈米碳管直接紡成繩索,這些奈米碳管必須平行 排列,同時奈米管之間貼得非常緊密,彼此以 van der Waals 力黏 在一塊。這種碳管陣列就是所謂的「奈米碳管叢林」。這些科學家 同時發現他們製造出的奈米碳管繩索似乎有多種用途:可以放進燈 泡裡當燈絲;或是將細繩平行排列後當作偏振片。

2004 年劍橋大學的科學家還完成了將還在化學氣相沉積反應 (chemical vapor deposition, CVD) 區域中的奈米碳管直接抽紡成 纖維的實驗。他們以乙醇為碳源,並溶入 0.23 到 2.3 wt% 的二茂 鐵 (ferrocene) 與 1.0 到 4.0 wt% 的吩 (thiophene),同時和流 量 400 到 800 ml/min 的氫氣一起通入反應區中,當反應溫度達 1050 到 1200℃ 時會產生奈米碳管,其中所產生的多壁奈米碳管 (multi wall carbon nanotube, MWNT) 直徑 30 nm、長度約 30 微 米。在反應區中奈米碳管會形成像氣凝膠 (aerogel) 一般的結構, 可以直接用紡軸將它抽紡成纖維或緞帶。只要原料源源不絕地注入 反應區中,就可以不斷地製造纖維。

這些技術雖然已能將奈米碳管紡成繩索,但是在結構強度上仍有待 提升。也在 2004 年,德州大學達拉斯分校與澳洲 CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) 的研究團隊將奈米碳管叢林抽紡的細繩做進一步加 工,將許多細股絲線纏繞在一起,編造出十分強固的繩索,單位截 面所承受的張力可達近六千倍大氣壓 (目前最強的碳纖約可承受九 千倍大氣壓)。

今年 (2005) 八月,這個團隊提出一種新的技術:同樣利用奈米碳 管叢林為原料,只要用些工具 (如一張 3M Post-it 便條紙) 黏住 管叢的邊緣並緩緩地往外拉,就可以扯出一大片的奈米碳管。他們 的奈米碳管屬於 MWNT,管徑約 10nm,高度約在 75 到 300 微米之 間。在他們的製程中,一公分長 245 微米高的奈米碳管叢林可以被 拉成三公尺長、厚度約 18 微米的薄片!整片密度只有 0.0015g/cm^3,可說是一種氣凝膠。但與一般氣凝膠不同的,這裡 面碳管的排列非常有規律,都沿著製造時的拉伸方向延伸。將兩片 薄片垂直交疊排列,其上可承受比薄片重量高五萬倍的水滴。將薄 片層層相疊後夾在兩玻片間,浸潤在酒精中予以壓實,可製作出厚 度 50 奈米、密度 0.5g/cm^3 的奈米薄片。這種奈米薄片中碳管排 列的方向性不如擠壓前要好,這是因為原本碳管在薄片中上下彎曲 的不規則性,在擠壓過程中被投射到水平面上的緣故。

以 SEM 觀察奈米碳管從管叢拉到薄片上的過程,可以發現到原本挺 直在管叢中的碳管,因為側邊受到牽引的關係被抽出來,攤到薄片 上。因為 van der Waals 的作用,被抽出的碳管在被拉的過程中也 牽動管叢中緊靠在旁邊的碳管,連帶使周邊的碳管跟著被拉到薄片 上。就這樣一條接著一條地拉扯,從奈米管叢邊連續地抽出奈米薄 片來。科學家還發現,平均高度越高的奈米碳管叢林,越容易被拉 成奈米薄片。

在電性與光學性質方面,奈米碳管薄片可以成為透明、可彎曲、導 電甚至發光的材料。薄片在受擠壓的前後,電阻的變化並不大,沿 碳管排列方向面電阻率約每正方形 700Ω,而受擠壓後垂直於排列方 向的面電阻率則約每正方形 7k 到 14kΩ左右。壓實的薄片對水平與 垂直於碳管方向的偏振光,透光率約為 >85% 與 >65%。如果把奈米 碳管薄片夾在兩膠片間,就可以成為可導電的透明膠片了。利用微 波,可以將奈米薄片「焊接」在金屬電極上,通大電流將薄片加熱 到 1000K 以上,就成了大面積且亮度均勻的面光源,而且發出來的 光具有高度的偏振性,其中波長 500 奈米的光偏振率可達 71%。微 波不只可將薄片焊在金屬上,甚至可以將兩塊夾著薄片的樹脂玻璃 (plexiglas) 焊在一塊!這種三明治材料擁有高度的應用價值,比 方可以拿來做加熱式的防霧車窗,或是在車窗上兜出透明的天線。

這種利用簡單技術就可製造的奈米碳管薄片,質地輕、強度高、透 明又可導電,集中眾多功能於一身,可說是近年來最夢幻的新材 料。

原始論文
Zhang M., et al. Science, 309. 1215 – 1219 (2005).

參考來源:

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