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環保可分解的晶片–纖維素奈米纖維晶片

近年來,由於奈米纖維其高吸濕性、高強度、高表面積等特性,各種材質的奈米纖維陸續被開發出來,包含:高分子、碳、陶瓷、玻璃、金屬、複合材料等,以因應更廣泛的市場需求。通常為外徑少於1000 nm及長寬比大於50的圓柱體,基於人們對於物品品質追求「小而美」的想法,以及工業上需要有一定強度的材質,陸續開發出奈米纖維的相關產品,如:本篇的纖維素奈米纖維晶片即是科學家們再結合環境友善的想法,向自然界借取經,應用天然材料,所生產的可以自然分解的產品
 
 
 
近年來,由於奈米纖維其高吸濕性、高強度、高表面積等特性,各種材質的奈米纖維陸續被開發出來,包含:高分子、碳、陶瓷、玻璃、金屬、複合材料等,以因應更廣泛的市場需求。通常為外徑少於1000 nm及長寬比大於50的圓柱體,基於人們對於物品品質追求「小而美」的想法,以及工業上需要有一定強度的材質,陸續開發出奈米纖維的相關產品,如:本篇的纖維素奈米纖維晶片即是科學家們再結合環境友善的想法,向自然界借取經,應用天然材料,所生產的可以自然分解的產品。

纖維素奈米纖維(cellulose nanofibril,CNF)源自於木材。依序以酶分解木質紙漿、再將紙漿纖維分段攪拌,產生以微米為厚度單位的紙張,接著進行紙張解離、使未受損纖維素漂浮於水上,製成以奈米為厚度單位、透明的纖維素奈米纖維紙。其主要特性除了天然製成,是環保可再生的奈米纖維之外,此纖維紙透過氫鍵相連成為網狀結構,因此CNF的韌性與強度兼具。其重量為碳纖維的六分之一,但強度據稱可以比鐵高5倍。Jung等人在2015年的《自然通訊》雜誌發表以CNF作為晶片基底的可行性,此材質打造成的晶片,可用於流動性較高、1~3年即進行更換的消費產品上,例如手機、平板電腦。雖然此技術原料天然,不過比起目前製程完善的半導體晶片,價格較為高昂的CNF晶片,可能在市場上的接受度還有待加強。

目前CNF晶片主要製作方式如下:先將異質接面雙極性電晶體(Heterojunction bipolar transistor,HBT)組裝上以砷化鎵為基材的犧牲層(sacrificial layer),並用光阻保護。每一個HBT都用聚二甲基矽氧烷(poly-dimethylsiloxane, PDMS)微壓印在暫存矽基板上,並使用聚醯亞胺當黏著劑。經過射頻連線後,HBT脫離暫存矽基板並透過PDMS製程,「印」到CNF基底上。

利用上述方法製造的晶片優點是基底材料可分解,把且安全。新型晶片的性能與目前大多數無線設備使用的砷化鎵基微波晶片類似,但產品更為環保,可以大量減少危害環境物質的使用。

而為了避免CNF晶片因為天然因素而過早開始分解,可在晶片上鋪可以隔絕水分、同時使表面平滑的人造樹脂。這種方法製作出來的晶片和傳統晶片相比,更能承受熱漲冷縮。

除了新發表的晶片用途之外,纖維素奈米纖維因為孔徑小於病毒,也可望被運用在過濾病毒的濾紙上。另外,也有團隊研究將纖維素奈米纖維使用在運輸工具部件上、取代玻璃纖維,可以使飛機、汽車輕量化。同時還有廠商正在研究將其發展為阻絕肥皂香氣逸散、又能防止氧化的包裝材料。(本文由科技部補助「學習在雲端―揭開科學與科技的神秘面紗」執行團隊邀稿)

責任編輯:盧妍竹
審校:徐偉智
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