你也可以做的奈米碳管薄片

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：

• news@natrure: Nanotube sheets come of age
• U. T. Dallas-Led Research Team Produces Strong, Transparent Carbon Nanotube Sheets

相關連結：

• 奈米管突破長度限制 2004/04/20
• U. T. Dallas NanoTech Institute

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