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複合型介晶體材料

介晶體(mesocrystal)是單晶、多晶與非晶體系材料以外的一種新穎材料系統,近年來相當受到矚目。
 
 
 

介晶體(mesocrystal)是單晶、多晶與非晶體系材料以外的一種新穎材料系統,近年來相當受到矚目。這類材料不管在電性、光學特性、藥物釋放、化學合成前趨物、催化反應等方面的應用,都有很大的潛力。傳統的介晶體研究大多著重在單一材料的主體特性上,交通大學材料科學與工程學系朱英豪副教授則是全球首位成功地把兩個不同複雜性氧化物材料間的交互作用帶入介晶體體系中,透過介晶體材料系統增加接觸面積,進而提高整體複合材料的效果。

 

朱副教授長久以來一直致力於新穎磁性複合型介晶體材料的研究,2016年在知名期刊《先進能源材料》(Advanced Energy Material)上發表的論文〈Self-assembled BiFeO3-epsilon-Fe2O3 vertical heteroepitaxy for visible light photoelectrochemistry〉,便是藉由新穎複合介晶體材料提升能源效率的研究。

 

這篇論文主要是探討水照光後經由電化學反應可分解成氧氣和氫氣,在這過程中,需要把材料放在溶液中並以光源照射,材料內部會形成電子和電洞,並移到材料表面和水反應。但是要有效地分開電子和電洞,若只使用單一材料,則效率很有限,若使用兩種材料的組合,讓其各司其職,反應效率便能有效地提升。

 

為此,朱副教授就把其中一種材料切割成很多小塊,並把這些小塊材料鑲進另一個大材料基底中。這樣的做法能增大兩個材料的接觸面積,而小塊的材料在鑲進另一基底材料時,還可讓它們排列得相當整齊,使其具有可調控的晶面結構。在這結構中,小塊材料可以跟水快速反應生成電子與電洞,基底材料則專司把反應後產生的電子與電洞有效地分離以形成電流迴路,這樣的做法已證明能大幅提升水分解成氫與氧的能力。

 

朱副教授進一步解釋,「以魔術方塊的排列來比喻,不同顏色的格子就像是不同的原子,過去對奈米科學的認知是,把這些不同顏色的格子排成一個大材料,而後把它切割成很多的小塊,再去研究那個大材料對比於小的材料在物理化學的特性上有何變化。」

 

然而,現在朱副教授的實驗室開發的方式雖然與奈米科學類似,但想法上卻有不同。「一開始的材料也是一大塊,但選擇把它堆疊成極其有序的晶體,也就是在一大塊材料中其原子排列有固定的方向,看起來是整齊的。然後把這個材料切成很多奈米級的小組成,這些奈米級的小組成再透過基底系統的媒合,一樣地排列整齊,這篇論文就是用這樣的概念去做延伸。」他說。

 

這樣的技術衍生的功能非常廣泛,除了水照光分解產生氫和氧外,未來也能藉此開發出氫氣車,或產生乾淨的能源。另外,朱副教授也以同樣的概念開發出磁冷材料系統,藉由加入磁場就能降溫,以及磁的感測器用來感測磁場的大小。「因為我們是材料學家,會做的是就是把各式不同的材料用同樣的概念做出來,使它產生不同的功能。」他說。

 

介晶體的定義就是由具有方向性且有序排列的奈米晶體與其周遭材料構成一新的材料系統,「我們常習慣用部隊來形容這種材料的特性,傳統材料的原子通常像是排列得亂七八糟的部隊,第二種材料則像是一個很龐大沒有邊際的部隊,要讓材料變成單一個部隊是不容易的。而我們實驗室多年來開發的晶體,就是為了讓材料中的原子很整齊地排列,使它們形成一個單一的部隊。之後,會再把它分解成為排列方式一模一樣的更小部隊,但仍不失其排列的整齊度,這才叫做介晶體。」朱副教授說,而他在新材料上領先全球的成果,已讓其實驗室獲得全球的矚目。

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