單元柒:奈米科技材料

一、奈米科技

(一)材料當中可用儀器測得奈米的材料結構。

(二)材料製成奈米等級時,會有嶄新的特性。

因此,若材料或產品符合以上兩個條件,我們稱它含有「奈米科技」。

碳的同素異構()

「碳」是學生比較熟悉的元素。在日常生活裏,在小學自然課裏,中學生物課裏以及在理化的前幾章裏,學生已經獲得了不少有關碳的知識,例如知道碳的燃燒,二氧化碳會使石灰水變得渾濁。但這些知識都分散在各處,而且學生大多只瞭解它的現象而沒有深入到它的實質,本章將把這些知識系統化並從實質上來解釋,使學生不但知其然,而且有助於知其所以然。

金剛石和石墨、 物理性質的不同是由於它們的晶體結構不同而造成的。在學生既沒有晶體的概念,又沒有晶體結構知識的時候,只能強調金剛石和石墨、 都是碳元素形成的,碳元素的原子核外電子排布都相同,只是金剛石和石墨、碳原子排列的方式不同而造成性質的不同。

(如下列圖一、圖二所示):
 

從遠古以來,人類已熟知石墨和鑽石,但是直到現在,二十世紀臨結束時,我們才發現碳的第三種同素異構體。1985年碳60的發現之後,化學及整個科學世界都進入了一個新的領域。它具對稱性,使科學家再度思考大自然的簡易和美。它能夠成為超導材料的條件及聚合成為的奈米碳纖維管更是許多科學家研究的題材。碳60不再只是化學,而也是生物界和固態物理共同研究的東西。

 

二、巴克球(Buckminsterfullerene)

巴克球(又稱:芙)其結構外形像一顆英式足球,是目前已知對稱性最高的球狀分子,也是除了石墨(graphite)及金剛石(diamond)以外,第三個被發現的碳同素異形體(allotropic form)C-60分子的直徑為1奈米(1奈米=10-9),密度為1.68/毫升,在室溫下呈現紫紅色的固態分子晶體。

巴克球()含有60個碳原子,結構成球狀立體結構,為科學家在1985年所製造。

芙具有導電性,可作半導體、電池、催化劑、散熱介面劑等用途。

巴克球C-60的用途目前正在研究中,已知可做為活性介面、觸媒和導電等運用,隨著奈米科技的發展,巴克球將會材料科學上重要的元素。

(一)奈米碳管:

八克球與奈米碳管的強度是鋼鐵的100倍,質量卻只有鋼鐵的1/6,也就是說,他有鋼鐵般的強度,卻只有棉花般的重量。

(二)巴克球的幾何意義:

1.巴克球的結構是由20個六角形和12個五角形所交互組合圍成的中空立體結構。

2.從幾何結構來看,巴克球的結構共有32個面、60個頂點(代表60個碳原子)以及90條邊。

3.C-60(芙)其形狀類似足球,其直徑大約是1奈米。

圖一:巴克球()的分子模型

 

三、光觸媒效應

光觸媒效應目前是奈米科技運用十分廣泛的一門科技,除了運用荷葉效應之外,光觸媒效應產生的自潔效果,以廣泛使用在塗料、物體表面、抗菌、除污、去除異味的用途上。(如圖二、三所示)

光觸媒效應主要是由於奈米等級的二氧化鈦(TiO2),在紫外線照射之下,會與空氣中的氧氣(O2)或水氣(H2O),產生超氧自由基,也如同過氧化氫(H2O2)一般的強氧化力,對於表面接觸的有機物,產生氧化作用,其作用可以是分解、漂白或殺菌的現象。人們就是利用這樣的特性,靈活應用在許多日常生活中使用的產品上。

圖二 光觸媒磁磚效應左:日常室內光線  右:日光燈照射(4天後)

圖三 以光觸媒處理假花,可淨化空氣,是日本近年來光觸媒應用常用的作法。

 

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