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从奈米材料的结构化基本原理带你认识奈米品质特性!
来源:富涂 | 作者:FRUTO | 发布时间: 2860天前 | 4291 次浏览 | 分享到:
不論是石墨、碳管或碳球，都是由純碳所組成，只是其構造形狀不同而已。其中，奈米碳球為由多層石墨層以球中球的結構所組成的多面體碳簇，粒徑大小約為 1~100 奈米，其中最為人知的 C 60 ，粒徑只有 0.7 奈米而已；內部常保持中空或填充一些金屬。而奈米碳球有何特殊之處呢?由於奈米碳球外部的類石墨結構，使其具有熱傳導性、導電性、強度佳及化學性穩定等優點。也因此提供了一個穩定的外層環境，使得內部的金屬粒子部會在聚集或是受到環境氧化，而能夠保持好其獨特的結構和特性。而奈米碳球也會因為其內部填入的金屬不同，而有不同的效果。此外純碳所組成的外形，會隨著碳數的多寡而使的碳球有著不同的大小與形狀，而具有更多樣性的變化，而能因應不同的需求，使得其具有告應用範圍與高價值。
  奈米碳球  
奈米碳球簡介：
不論是石墨、碳管或碳球，都是由純碳所組成，只是其構造形狀不同而已。其中，奈米碳球為由多層石墨層以球中球的結構所組成的多面體碳簇，粒徑大小約為 1~100 奈米，其中最為人知的 C 60 ，粒徑只有 0.7 奈米而已；內部常保持中空或填充一些金屬。而奈米碳球有何特殊之處呢?由於奈米碳球外部的類石墨結構，使其具有熱傳導性、導電性、強度佳及化學性穩定等優點。也因此提供了一個穩定的外層環境，使得內部的金屬粒子部會在聚集或是受到環境氧化，而能夠保持好其獨特的結構和特性。而奈米碳球也會因為其內部填入的金屬不同，而有不同的效果。此外純碳所組成的外形，會隨著碳數的多寡而使的碳球有著不同的大小與形狀，而具有更多樣性的變化，而能因應不同的需求，使得其具有告應用範圍與高價值。
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數個奈米碳球組合

此外，因為奈米碳球外層的石墨結構也可進行化學改質(變化各種官能基化衍生物而控制性質)，使奈米碳球在光電、生醫領域等領域的應用極廣，相當有潛力成為未來尖端產業的重要材料。

奈米碳球的製備：
早期時，奈米碳球通常是在製備奈米碳管是的副產品，而由於奈米電弧放電設備碳管與奈米碳球的表層都為石墨層，且性質相類似，故並不易分離，產量不高且量不純，故其用途只僅限於在電子顯微鏡下觀察結構，使的奈米碳球的應用發展一直處於停頓狀態，直到近幾年，工研院化工所終於找到了，以脈衝電弧法來製備奈米碳球的，不但製備量大，且純度高達 95%：
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電弧放電設備

此方法事先準備高純度的鐵粉與石墨，然後兩電極各分別以石墨棒為陰極，而另一邊的陽極則是在石墨棒中心添加了鐵作為催化劑，然後再氬氣的環境下，通以 20 伏特的電壓，電流則控制在 80 ± 10A，然後將陽極緩緩靠近陰極，當兩電極距離足夠小時（約 1mm），會於兩極間會產生一高溫（約 4,000K）的電弧，同時將陽極的碳與鐵催化進行高溫氣化並沉積在陰極石墨棒表面，但這時產生的不僅僅只是奈米碳球而已，伴隨一起產生的還有奈米碳管以及一些雜碎的奈米粒子，所以此時要再進行純化的工作。首先，先以蒸餾水回流 12 小時，在對其進行過濾與乾燥，如此，可以先除去一些石墨顆粒與不定型的碳。之後，剩餘的煙塵將其集中起來，以硫酸及過錳酸鉀，來氧化多餘的金屬將其除去。最後，將其送入 XRD、EDS 或拉曼光譜做鑑定。
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純淨的奈米碳球 TEM 像

奈米碳球的應用：
奈米化妝品：
奈米碳球所製成的化妝品，主要在利用奈米技術製作直徑僅 130 到 600 奈米左右的奈米球，它就像一個膠囊，可以填入保養品的成分。而由於奈米球的結構非常微小，所以能夠很快的滲透進入皮膚內層，而此時將奈米碳球的外殼的石墨層保裹上一層脂質，使其接觸到皮膚時，皮膚本身的會將奈米碳球的表皮結構分解，而釋放出裡面的保養品成分，讓該保養品能在體內發生效用，使化妝品的保養不再只是做單純的表面工作。

L’Oreal早在1970年代就已經注意到微脂體的作用，她和法國的國家科學研究中心)合作，開發了一種非常微小、可以引導保養品成分到皮膚正確位置的容器外殼，像L’Oreal 公司的 Plenitude 系列和 Lancee 公司的 Promordiale Intense與Hydra Zen Serum產品等都屬於這類奈米化妝品。

半導體性質：
使用會接受或是貢獻電子的原子來摻雜入一種材料，以致於能夠改變此材料的電子性質，在半導體的電子學上扮演一個極其關鍵的角色。而美國柏克萊大學的科學家就研發出了一種新方法：用鉀原子來 ”摻入” 一個碳 60 分子中，這各行為類似於板到體之中的 n 形摻雜。使用會接受或是貢獻電子的原子來摻雜入一種材料，以致於能夠改變此材料的電子性質，在半導體的電子學上扮演一個極其關鍵的角色。而柏克萊的研究人員們則將這種概念應用到奈米球上面。
柏克萊大學的研究團隊使用了一台穿隧式掃描顯微鏡，將一個碳 60 的奈米球拖曳到一個含有鉀原子的銀金屬表面上(如下圖)。而他們可以讓任意數目的鉀原子來附著於一個碳 60 的分子上面。其中每一個鉀原子會貢獻出一個確切數量的電子到這個分子上面，因此使得這個新型成的鉀原子─奈米球複合體中的電子結構可以被控制。除外，這各過程可以簡單地藉由其他粒子(如氧原子)將這個結構表面上移開鉀原子，來逆轉其反應。
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將一個碳 60 的奈米球拖曳到一個含有鉀原子的銀金屬表面上
 
抑菌：
美國萊斯大學和喬治亞理工學院的研究人員最近發現，若在土壤中添加碳 60，在特定的條件下,這種分子 會抑制土壤細菌的成長及呼吸作用效率。

研究團隊以C 60 分子對兩種經常在土壤中發現的細菌進行測試,它們分別為枯草桿菌及革蘭氏陰性菌大腸桿菌，結果發現對於含菌量較少的培養基,濃度度相當低的 C 60 ，便可抑制兩種細菌的生長。

軸承：
日本的科學家認為 C 60 奈米球是一種很好的分子球狀軸承。他們發現一片石墨和另外一片石墨若以單一層的 C 60 分子隔開，其間滑動的平均摩擦力小到乎可以忽略.，但同時，他們也發現這些碳球所提供的不是單純的一種潤滑型式。

C 60 在一個石墨的表面的滾動中, 對其分子上和石墨分子上的六碳環間的排列方向非常敏感，因此會造成一種和方向有關的運動，而認為 C 60 碳球可能是一種絕佳的潤滑劑。

因此，在兩層石墨中間夾著一層 C 60 的系統，對實現奈米和微積電的理想，將具有非常大的潛力, 而且可能打開分子軸承的一個新技術領域。像是在矽晶架構的微機電系統,可藉由在其表面先圖上一層石墨, 然後在加入 C 60 潤滑劑來
作為潤滑。
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高溫超導：

奈米碳球本身不但是一個具導電性，好的熱傳導性，強度佳而且又穩定的一個分子 ，當初剛發現，就發現他在 18K時具有超導性，當在裡面添加一些鉀後，將超導溫度提升到了 33K，但是，當有辦法製備高純度的 C 60 時，超導溫度更進一步的飆到了 52K，這已經是目前已知最高的超導溫度，這是由於研究人員在純 C 60 材料上放置了一個場效應電晶管，通過控制電流，電子在電晶管的作用下被從 C 60 材料中移出，效果相當于往材料中注入帶正電的自由“電洞”。當這些電洞移動時，就能產生電流。因此，有了電洞的 C 60 就具有了較高的超導溫度。而一些相關的研究也發現，若能夠加入一些雜質，也許有望將超導溫度提到更高的 100K。

   二維 DNA  奈米格子為模板進行之分子自我組裝以合成週期排列且具類似正方形排列之金奈米粒子   
前言
在奈米光電材料的發展上，如何控制奈米粒子的尺寸大小一直是個吸引人的研究領域。在本篇文章中，我們將介紹如何利用修飾過的 DNA 分子進行分子自我組裝以合成二維的奈米粒子。接著，我們以原子力顯微鏡來檢測此粒子，並與理論推算做比較。

二維 DNA  分子模板之單體

首先，嘗試合成具有四個分支手臂的 DNA 分子，本文章中準備了兩股具有互補黏性端的 DNA，兩股 DNA 可以藉由黏性端之鍵結來架構規律的正方形孔洞。另外，在其中一股 DNA 分子上，還合成了 A 15 序列，以提供將來與金奈米粒子鍵結的位置。（圖 1）
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二維 DNA  分子模板
(a)
將前述步驟中合成之 DNA 分子模板進行分子自我組裝，互補的黏性端產生鍵結，例如 1 跟 1’接在一起，2 再跟2’接在一起，兩股 DNA 就接在一起了。利用此種互補關係，可以建構出二維的奈米結構，具有週期排列的正方形模板，並且在一半的頂點上具有 A 15 序列，可以跟金奈米粒子結合。（圖 2）
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二維金奈米粒子之分子自我組裝
完成二維DNA分子模板之合成後，藉由金奈米粒子上的T 15序列，金奈米粒子可以跟此序列以金-硫鍵產生鍵結。進一步地，藉由可以 T 15 序列跟 A 15 序列鍵結，至此我們成功地完成了規律重複的二維奈米結構。（圖 3）
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原子力顯微鏡之檢測

我們以原子力顯微鏡檢視我們合成出來的金奈米粒子，可以發現金奈米粒子具有規律地排列（圖 4a）。將圖再放大之後可以更清楚地看見原子之排列，在平面上很整齊地排列（圖 4b），此外我們再模擬此金奈米粒子之三維排
列（圖 4c）。
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二維金奈米粒子其高度與位置之關係
藉由原子力顯微鏡，我們可以掃描二維金奈米粒子其位置與高度的關係（圖 5）。我們可以很明顯地發現，原子的高度與位置有著週期性的變化：約每 40 nm 就有一個最高峰、每 40 nm 就有一個最低峰。此結果與理論之推算很接近。
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結論
奈米粒子的正方形排列在建構合理的非直線多孔網狀分子自我組裝以合成二維的奈米粒子，此外我們還以原子力顯微鏡證實了此奈米粒子排列上具有很高的規律性。
結構上很有用，本實驗成功地利用修飾過的 DNA 分子進行。