奈米碳管的認識與應用

1. 奈米碳管系列二 奈米碳管的認識與應用 黃文玉 新上國小奈米種子教師 wenyu@mail.shsps.kh.edu.tw 94.05.30

2. 我是小小科學家 • 小朋友，你知道什麼是世界上「最硬」的物質嗎？ • 小朋友，你知道哪一種非金屬會導電？ • 小朋友，你知道上述二物質有什麼關係嗎？

3. 同素異形體 • 由同一元素組成，但具有不同形態的物質稱為「同素異形體」。 • 讓我們來看看礸石與石墨的構造為何？ • 石墨是由碳的六角形平面重疊排列組成的巨大分子，金剛石是由碳的正四面體形狀綿延堆積而成。 • 除此外，碳還有沒有其他的同素異形體呢？

4. 碳的第三種同素異形體 • 其實碳還有第三種同素異形體，構造跟足球很像，我們稱為C60 ，讓我們來仔細觀察一下足球！ • 分組：把全班分成六組，每組發一顆足球給學生觀察。 • 讓學生報告他們的發現：如足球是由幾個頂點、幾個面（五邊形、六邊形）所組成？

5. 無心插柳的意外發現 • 其實C60的發現是天文物理研究「歪打正著」的意外收穫 • 1985年，英國化學家柯洛托(Kroto)為了探究星際間的塵埃光譜，在可見光區及紫外光區的吸收帶是否由微小的石墨碳粒所引起，在柯爾(Curl)與史莫利(Smalley)的協助下，測出含有偶數個碳原子的「碳簇」，如C60 、C70 (但當時不知其構造為何？） • 稍早有些研究者也有類似的發現，但是沒有更進一步對這個現象做探討。相反地，科洛托等人集中精力去探討含60個碳及70個碳的物質的可能構造... 。

6. 無心插柳的意外發現 • 同年，柯洛托在加拿大見到1967年蒙特婁世界博覽會中由巴克明斯特.富勒(R. Buckminster Fuller)所設計的圓頂建築物(如圖)，受到啟發而推演出類似足球般空心籠狀結構的C60，並將它命名為Buckminsterfullerene，簡稱巴克球(Bucky ball)。 • 這些成就使柯洛托、柯爾及史莫利三人於1996年共同榮膺諾貝爾化學獎。 • 由上可知：合作、堅持與多向思考 　　　　　　的重要

7. 富勒烯 • C60為目前所知最對稱的分子，由60個碳原子組成，共有32個面（20個六角形和12個五角形）、60個頂點（60個碳原子分別箝在每一個頂點上）、90個邊（稜線），其形狀類似足球，直徑為7.1埃（0.71奈米)，其碳－碳鍵長有兩種，分別為1.38埃和1.45埃。 • C70也具有類似的結構，因此，籠狀或球殼形的純碳族分子誕生了。 • 此類分子也有了自己的名字－富勒烯（fullerene）

8. 動手做做看 • 器材：保麗龍球、牙籤（如果好一點可購買分子模型器材來組合） • 操作：把保麗龍球當成碳原子，牙籤當成分子鍵，組合成一顆足球。

9. 奈米碳管 • 但當時對於C60的特性及其應用發展並不清楚。直到1991年由日本NEC公司的飯島澄男(S. Ijinma)提出奈米碳管(Carbon nanotubes,CNT)的概念後，才促使相關單位朝此領域進行積極的研究與開發。 • 碳奈米管，其結構為捲成管狀的石墨外加兩顆做為封蓋的半球狀碳簇。

10. 奈米碳管的特性 • 奈米碳管是目前自然界中已知最細的管子，不論在物性、化性或材料特性上均有著顯著非凡的表現，它具有高導熱性、高強度、柔軟度高及化性穩定等特點。 • 熱學性質：導熱性佳，導熱係數比鑽石更高。 • 機械性質：單壁奈米碳管的強度約為鋼的10~100倍，但重量僅有鋼的六分之一。 • 在化學性質：相當安定，並有優良的抗蝕性。 • 在電性上，不同管徑及形態的奈米碳管可具有金屬導體及半導體的特性，且奈米碳管具有極佳的機械性質與良好的氣體儲存特性。 • 由於奈米碳管具有多重的特殊性質，因此成為21世紀的關鍵材料之一 。

11. 奈米碳管的結構 • 奈米碳管是一具有奈米級直徑與長寬高比的石墨管。碳管內徑可從0.4nm ~數十nm，碳管外徑則由1nm~數百nm，長度則由數微米至數十微米間。所形成的中空管柱狀結構主要可分為： • 單層（Single-Wall）碳管 • 多層（Multi-Wall）碳管 

12. 奈米碳管的排列結構 • 奈米碳管可視為石墨層捲曲起來的構造，隨著捲曲方向的不同可以分成三種型態－Armchair、Zigzag和Chiral，其導電性、力學性質均不相同，與手性(chirality)向量有關。 導體 導體 半導體

13. 想一想 • 小朋友，由上面的特性，您覺得奈米碳管可以做怎樣的應用？

14. 奈米碳管的應用 • 由於奈米碳管有許多新的性質，如質量輕、高強度、高韌性、可撓曲性、高表面積、高熱傳導性、導電度特異等，因此衍生了許多新的應用。 • 小朋友，你還記得我們上一節所介紹的電腦即將面臨的問題嗎？我們正在尋找矽晶體的取代物！奈米碳管為最佳的解決之道。

15. 單電子電晶體 • 在積體電路製造技術日益進步，元件尺寸持續縮小，以利於在一定的容積內儲存由1970年的數千個電晶體，增加到目前的千萬個電晶體組成一個晶片(Chip)的情形下，元件的消耗功率仍必須維持在可控制的幾個瓦特範圍內，然而元件的消耗功率與形成電流之電子數目成正比，而單電子電晶體(Single electron transistor- 簡稱SET)因其電流為單一電子所形成，故其消耗功率相對地也非常的低，所以單電子電晶體將成為未來幾千萬個電晶體組成一個晶片，為21世紀新一代電子元件的主流。 • 因碳管的絕佳導電性與導熱性質也解決了散熱與熱穩定的問題。 • 繼矽取代鐵之後，奈米碳管有可能取代矽，成為尖端產業的骨幹材料。

16. 太空天梯 • 小朋友，你聽過太空天梯嗎？ • 搭電梯上外太空，也許您覺得很科幻，不過這已經不是一個遙不可及的夢想，美國一群科學家計畫要在赤道蓋一個直達外太空，長達10萬公里的「夢幻電梯」，預計最快在2018年可以完成，將來搭電梯到太空，一個人只要花費台幣12,000元。 • 直達太空的電梯，將採用太陽能驅動，傳輸帶則是用奈米技術。

17. 場發射顯示器（FED） • 奈米碳管亦可應用於電視、個人電腦顯示器，目前已進入試做階段。科學家預估，2005~2010年左右就可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面顯示器。 • 不僅保留了傳統顯示器（CRT）的影像品質，並具有省電及體積薄小之優點；同時結合奈米碳管的低導通電場、高發射電流密度、高穩定性等特性，成為兼具低驅動電壓、高發光效率、無視角問題、省電的大尺寸、低成本⋯等優點的全新平面顯示器。

18. 強化複合材料 • 因奈米碳管有極佳的抗拉、抗撓曲、高韌性等機械性質，若將其導入高分子製做成具特殊功能性的複合材料。 • 奈米碳管也可作為飛機、太空梭的新複合材料，並應用於汽車與建築物等，將可強化其原本材料的性質延長使用的壽命。

19. 儲氫材料 • 就燃料電池的發展而言，氫氣的儲存一直是一個需要突破的瓶頸。目前儲氫的方法有液化氫、壓縮氫、金屬氰化物及活性碳等方法。 • 但上述技術有缺點以致無法用於商業用途，而中空的多層奈米碳管可將氣體凝結成液體而存於管中，這將使碳管的氣體吸附量大幅增加且單層奈米碳管吸附氫氣的能力遠遠超過活性碳，故若能將奈米碳管有效的應用於燃料電池中，將會是燃料電池的一大突破。

20. 顯微鏡的掃描探針 • 1998年Wong et. al.嘗試以奈米碳管做為原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）探針頭的開發，奈米碳管不論是強度、撓曲度、韌性及導電性皆優於以矽為基礎的探針頭。 目前奈米探管探針的顯微鏡由於量產困難，且奈米探管探針在大氣中亦容易氧化斷裂故壽命受限。

21. 結論 • 由於奈米碳管的發現，使全世界對碳氫化合物再次掀起一陣狂熱，由於奈米碳管擁有高性能的特性，若能有效的將碳管的特性發揮的淋漓盡致，則奈米碳管在未來用途上將會有無限的可能。全球研究單位正致力於研究如何量產出高純度、性質均一的奈米碳管。有朝一日，科技將如何改寫人類對生命、生物的理解也沒有人知道，這種科技將如何超乎人類目前能力所及的認知與想像地發展，把世界推向何種極端，很明顯的這巨變已經開了個頭，而且不會停止。

22. 參考資料 • 奈米科學網（C60－碳六十 ）http://nano.nchc.org.tw/dictionary/c60.html • 嘉義高中化學加油站（高中化學中的數學 C60的發現與其邊、面數目之計算）http://www.cysh.cy.edu.tw/subject/chem/C60的發現與其邊、面數目之計算.htm • 奈米碳管在電子、光電元件的應用http://www.ee.ncu.edu.tw/chinese/news/doc/sheet/CNT-FET.pdf