奈米碳管的认识与应用.ppt

1、奈米碳管的認識與應用,黃文玉 新上國小奈米種子教師 .tw,奈米碳管系列,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？,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？,同素異形體,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：

2、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？,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. 。,無心插柳的意外發

3、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(如下圖)，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,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（

4、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）,動手做做看,器材：巴克球（C60）分子模型,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。,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

5、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10100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 。,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

6、分為： 單層（Single-Wall）碳管 多層（Multi-Wall）碳管,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,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？,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

7、為最佳的解決之道。,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

8、能取代矽，成為尖端產業的骨幹材料。,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。,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，20052010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

9、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。,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。,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

10、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。,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。,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。,參考資料,奈米科學網（C60碳六十 ）.tw/dictionary/c60.html 嘉義