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功能性奈米粉末製備

包括具備光、電、磁功能奈米粉體之製備技術研發、粉體分散與分及技術研發、粉體力面修飾/臉譜技術研發、晶粒成長行為調控配方、奈米材料結構及性能之分析測試等。

 

nano powder

「二氧化鈦(TiO2)光觸媒」與「奈米科技」是最近常聽到的兩個名詞。在日常生活中,從化妝品到電子產品,都有奈米科技的理論與應用,因此奈米科技已經是現代人必備的知識之一。另外,二氧化鈦光觸媒更是新興的綠色環保產品,其未來發展將為人類社會創造出更舒適、清淨、高品質的生活環境。(圖:二氧化鈦的兩種結晶構造。)

奈米材料

奈米材料是指組成材料的基本單位,在三維空間中至少有一維在一百奈米以下,而一奈米的長度相當於十億分之一公尺。或許很難想像一個奈米到底有多小,但如果把一公尺拉長為地球那麼大,一個奈米的物體就相當於一個玻璃珠。

製造奈米材料的方法通常分為兩種,一種是由上而下(top down),是把一個巨觀的材料經外力作用,例如研磨方式,把它的尺寸由上而下減至奈米尺度範圍內;另外一種方式則是由下而上(buttom up),是以一種從小到大的方式產生奈米材料,例如化學反應生成等方法,把分子或原子狀態的物質,利用成核、結晶的途徑合成具有奈米尺度的材料。以奈米碳管為例,奈米碳管是一種由碳原子所組成,且直徑僅有數個奈米大小的碳纖維,而不同直徑的奈米碳管會具有金屬和半導體兩種不同的性質,其軸向的硬度甚至高於鑽石,但徑向卻呈現完全不同的可撓性,可見奈米碳管是一種極為特殊的材料。另外,奈米碳管的抗張強度是鋼的一百倍,並可做為顯微探針等用途。由奈米碳管的例子,不難發現奈米材料魅力無限。

此外,奈米材料因具有較高的表面能量,故使得奈米粒子的熔點與燒結溫度都比常規材料低,例如奈米鉛粒子的熔點是絕對溫度 288 K,比常規鉛粒子的 600 K低了許多。除此之外,奈米材料常常具有與巨觀材料不同的光學性質,例如巨觀的金屬材料通常具有不同顏色的金屬光澤,但是奈米尺寸下的金屬材料幾乎都呈現黑色,這表示奈米金屬微粒對可見光的反射率相當低,導致其外表呈現黑色。

奈米表面效應是奈米材料相當重要的一個特性,當粒子達到奈米尺度時,其表面原子占所有原子的比例變高,導致粒子表面能量升高,因此奈米粒子具有較巨觀材料大的表面活性。又因為表面原子的總數增加,使得奈米材料的比表面積大幅增加。這種表面能升高與比表面積增加的現象,稱為奈米表面效應。

在實際產業應用方面,以化學機械研磨所使用的氧化鈰粉體為例,當氧化鈰粉體達到奈米等級之後,可以使被研磨的表面更加平坦化;在積層陶瓷電容方面,當其燒結體的粒徑在奈米等級時,介電常數可大大地提升;而在鋰離子二次電池方面,使用奈米等級的粉體當陰極材料時,電池所表現出來的電容量也會有明顯的提升。

資料來源:《科學發展》2004年4月,376期,72~77頁