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鑽石奈米線

105/08/11 瀏覽次數 1710
奈米新材料改變了材料的基本性質,使舊材料具有了新性質,像是奈米銀的滅菌效果、奈米金可將一氧化碳轉化成二氧化碳,而鑽石奈米線具有超高強度的特性。最近科學家發現了如何有效生產「鑽石奈米線」(carbon nanothread)的方式。鑽石奈米線有著極佳的機械性質,強度和硬度都超過了目前最強的奈米碳管和聚合材料;而鑽石奈米線只有幾個原子寬,比光纖細幾十萬倍,其核心是由鑽石的基本結構互相連結而成,也就是將碳原子以四面體結構(sp3鏈結)首尾相連,而外圍包著一層氫原子。

過去,科學家一直想把獨立含碳分子(如:苯C6H6),壓縮成一種有序的、鑽石結構 (四面體結構) 的奈米材料,卻遲遲未能成功。而在這個技術中,科學家們使用了橡樹嶺國家實驗室的大型高壓裝置,先以20 GPa的高壓來壓縮苯分子群,再以2 GPa/hr的速度來洩壓。在室溫下充分壓縮後再緩慢釋放壓力,可以讓碳原子有時間互相反應而內部連接成為高度有序的碳四面體單行鏈,外圍環繞著氫原子,也就是鑽石奈米線。研究人員所使用的是苯分子,一個平面環形結構,含有6個碳原子和6個氫原子,而碳原子間以雙鍵方式結合。在壓縮過程中,平面的苯分子堆積在一起、彎曲而斷裂分離,接著緩慢釋放壓力,讓碳原子以與原先排列方式完全不同、但非常有序的方式連結。碳原子於核心形成四面體sp3結構互相連接,所形成的鑽石奈米線被氫原子間的空洞(Halo)所包圍,形成了長而細的奈米線結構。比起其他sp2結構的奈米碳管或傳統高強度高分子,鑽石奈米線具有更高的強度與韌性。

科學家對鑽石奈米線進行了結構檢驗,如X光繞射分析、中子繞射分析、拉曼分析、穿透式電子顯微鏡、核磁共振光譜儀等,結果顯示鑽石奈米線中還有一些不夠完善的地方,像是仍然包含奈米線以外的結構,如奈米管等。同時,科學家希望能找到更有效率的製備方式,目前一次只能生產數立方毫米的奈米線,無法進行商業化量產。

這些奈米線擁有穩定四面體sp3結構的核心,是類鑽石結構奈米材料中的第一位成員。利用有機分子的排列來形成奈米線,讓以有機分子為基礎來製造更多其他類分子的可行性增加許多;比如利用奈米線,讓外部環繞其他原子,或是擠壓所設計的有機材料,就能製造出不同性質的奈米材料。鑽石奈米線也可以協助讓許多產品得到更好的性質,例如超高強度且輕量的纜線,這種纜線可以用來建造一頭固定在地球、另一端直達太空與軌道上衛星連接的長纜線,換言之,有可能實現建造「太空電梯」的夢想。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播:遇見無所不在的生活科學」執行團隊撰稿)

責任編輯:張尹貞
審校:張惠博
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