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發現新款奈米碳材料:碳奈米刷並成功開發出簡單、低成本製法 拓展電動車和高性能複合材料的可能性

在日本相繼發現與發展出,碳奈米管等,卓越的奈米碳材料

日本在奈米科技這項尖端技術領域上,擁有世界首屈一指的技術能力。其中以碳奈米管為代表,在運用碳的奈米碳材料領域中,日本更是領先全球。因此日本學者與研究者,確實為奈米碳材料的發現和研究的進展帶來極大的貢獻。

1991年,NEC筑波研究所研究員飯島澄男(現為NEC特別主席研究員、名城大學終身教授),在觀察擁有如同足球般球形結構的奈米碳材料富勒烯(fullerene)時,發現圓柱狀碳原子結構體的碳奈米管,並從穿透式電子顯微鏡的電子束繞射圖形中,顯示出它的結構。此外,1998年運用新製作手法試作碳奈米管時,發現了呈現球狀集合體的奈米角狀碳粒集合體。

碳奈米管(CNT)是「碳=carbon」、「奈米=nanometre(10億分之1米)」、「圓柱=tube」這3個詞彙綜合而成的新創詞彙。所謂的CNT,顧名思義就是由具備蜂窩狀六角結構的石墨烯(結合碳原子的片狀物質),以圓形的形狀連成長長的圓柱狀。圓柱的直徑為0.4~50奈米(nm),這相當於人類毛髮的5萬分之1左右。

CNT在多種層面都呈現出極為優異的特性,被譽為是改變未來世界的新素材。在電子領域方面,可應用於半導體、燃料電池、燈管等光學器材上。此外,重量輕卻具備高強度,彈性卓越,因此也可望運用在大樓、橋樑、汽車、飛機等結構材料上。

NEC致力於奈米角狀碳粒集合體,並研發量產技術,2013年開始銷售樣品

奈米角狀碳粒集合體,集結了數千條直徑2~5nm、長度40~50nm的角狀結構體(奈米角狀碳粒),而形成直徑100nm左右的球形集合體(球狀奈米角狀碳粒集合體)。它的形狀就像是海膽一樣。

最大特徵在於分散性高,可輕易、均勻溶解在水和有機溶劑中,因此能夠輕易突顯出融合物質的物理性質。此外,表面積大、吸附性也高,用來當成支撐觸媒的載體也頗受期待。作為氣體吸存體或燃料電池的電極材料,目前正著手研究相關實用性。NEC筑波研究所很早便投入於研發奈米角狀碳粒集合體及量產製程的研究,2013年起開始銷售樣品。

2014年12月在NEC奈米角狀碳粒集合體研發現場中,獨步全球,首度發現劃時代性的奈米碳材料,正式名稱為纖維狀奈米角狀碳粒集合體。具有放射狀的奈米角狀碳粒、像纖維般向外延伸的細長集合構造,由於令人聯想到用於清洗試管的圓形刷,因而命名為碳奈米刷。



碳奈米刷
碳奈米刷的產品應用示意圖

消弭先前奈米碳材料缺點,保留優點,可望早日邁入實用化階段

碳奈米刷消弭了先前CNT與奈米角狀碳粒集合體的缺點,是能同時具備前兩者優異物理性質的奈米碳材料。

CNT擁有極為優異的導電性,但缺點在於分散性。首先就是在溶劑中溶解困難,圓柱狀結構容易互相糾結,由於不易混合均勻,因而難以突顯融合物質的物理性質。奈米角狀碳粒集合體則是導電性遠遜於CNT。在這方面,與導電性劣於CNT的奈米角狀碳粒集合體相比,碳奈米刷可以達到前者10倍以上的導電性。此外,與原本的奈米角狀碳粒集合體一樣,具備了優異的分散性和吸附性。再者,在室溫和常壓(大氣壓)下,可用雷射剝離(laser ablation)法,對含鐵的碳目標(carbon target)(碳塊)照射強烈雷射取得,製作方法更具效率且成本低廉。因此可望在不久的將來,在電動車、感測設備和機器人等廣泛領域,早日邁入實用化階段。

NEC筑波研究所的目標,是自2017年起開始提供樣品。另一方面,也預定致力於:與大學和研究機關攜手闡明其產生機制、與材料製造商合作研發量產技術、開發設備及拓展相關應用等。

 

第3次的意外發現(serendipity;幸運的偶然)發現了碳奈米刷

發現碳奈米管(CNT)和奈米角狀碳粒集合體的飯島澄男,在多次專訪中都談及科學上的意外發現(serendipity),也就是「幸運的偶然」。在科學的歷史中,擁有諾貝爾獎獲獎價值的偉大發現,許多都是決自於「幸運的偶然」以及找出前者的「發現力」。

飯島前往美國、英國留學時,學到了運用高性能電子顯微鏡的觀測技術。1991年返回日本後,將2條石墨棒通電後產生放電,在陽極側製作出富勒烯 (fullerene) (足球狀碳結晶)的實驗過程時,反而是堆積在陰極側的積碳(碳結晶)吸引了他的目光,於是用電子顯微鏡仔細觀察,從這個積碳中所發現的正是CNT。

1998年,飯島考慮在常溫、常壓、零觸媒的環境下製作CNT,於是便嘗試採用對碳目標照射雷射的「雷射剝離(laser ablation)法」。當時偶然發現到的就是奈米角狀碳粒集合體。CNT與奈米角狀碳粒集合體,可說都是「幸運的偶然」在對飯島微笑著。

當然,世界上有許許多多進行相同實驗的研究者。飯島他擁有長年研究下培育出敏銳察覺到新款奈米碳材料的靈活觀點,同時又具備電子顯微鏡的高超觀測技術,因而能巧遇「幸運的偶然」。

本次新發現的碳奈米刷,也誕生於「幸運的偶然」。發現者是飯島的後輩,也就是NEC筑波研究所的弓削亮太。弓削進入NEC後,致力研究於使用奈米碳材料的燃料電池、場發射照明(FEL,Field Emission Lamp),同時也針對鋰離子電池正極進行研究,因此也投注相當多時間在奈米角狀碳粒集合體的高功能化。有一天,為了實施在奈米角狀碳粒集合體中追加觸媒功能的實驗,於是對含有少量鐵的碳目標照射雷射,實驗產出的物質,除了奈米角狀碳粒集合體之外,還發現了與CNT結構乍看相似的物質。一般情況下會認為「啊,做出CNT了」而忽視,但弓削再繼續用電子顯微鏡放大觀測,仔細一看,正是由奈米角狀碳粒集合體串連成棒狀的碳奈米刷。這同樣也是透過以往的研究經驗,培育出靈活觀點和觀測技術,進而成為科學新發現的絕佳後盾。

碳奈米刷的製作方法

研究者簡介

弓削 亮太 ( NEC 筑波研究所 IoT設備研究所 資深研究員)

在大學專攻物理化學,鑽研電荷轉移錯合物。擅長製作電荷轉移錯合物薄膜,再評估傳導性和實際的電荷轉移。進入NEC後,立即被分發到筑波研究所,大約有5年時間皆投入於研究運用奈米角狀碳粒集合體的燃料電池。接著,也同樣約5年時間投入於研究使用碳奈米管的場發射照明。後來即便轉移到研究鋰離子電池和致動器,只要一有空閒時間,仍專心投入於研究奈米角狀碳粒集合體的高功能化,2014年發現了作為新款奈米碳材料的碳奈米刷。目前正著手研究碳奈米刷的產生與分離。個人興趣是20年來每週都會游泳1~2次。在25公尺長的游泳池裡,1小時可來回游上40圈,最擅長游自由式,覺得能放鬆心靈、消除壓力。也喜歡喝酒,在游泳結束後從土浦健身體育館趕回筑波市的家中,暢飲啤酒最是痛快。

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