奈米碳管尖端應用又添新例！島津科研儀器助力表面改質及鑑定分析

（Photo Credit：Freepik）

蘋果近期傳出開發自家手機電池的最新消息，據傳將考慮使用「奈米碳管」（CNTs）作為正負極間電子移動的導電劑，以期提升更優異的導電性能。其實不僅是手機電池，在電動車市場的蓬勃發展下，技術開發人員同樣將電池的優化與改良寄望於奈米碳管上，希望藉由奈米碳管材料添加到鋰電池中，以利提高充放電速率並改善的導電路徑和瞄定點。本文將透過認識這項在半導體產業及材料產業中氣勢如虹的明日之星，深入暸解台灣島津在奈米碳管的製程及產業應用中扮演關鍵角色的儀器。

1991年，奈米碳管正式被日本電氣公司 (Nippon Electric Company, NEC) 飯島澄男博士 (Dr. S. Iijima) 發現。飯島博士在使用電弧法製作碳纖維時於石墨的陰沉積物中找到了這項針狀物，經過仔細研究後，竟發現是一種由碳原子組成的圓筒形中空纖維。奈米碳管的直徑僅4~30奈米，長度卻可達10到數百微米，是目前自然界中所發現最細的管子。

奈米碳管相當於將單層或多層石墨烯捲曲成細長的管子，其長度與徑度的極端比質可以超過100萬，超高的長徑比使其成為典型的「一維量子」材料。奈米碳管的質量非常輕，卻擁有比同體積的鋼高出100倍的強度。同時，奈米碳管在力學特性上強韌又柔軟，具有優秀的延展性，因此又有「超級纖維」的美譽。

在電性上，奈米碳管具有極佳的熱傳導性及導電性，更神奇的是，它的性質可以隨著結構產生變化，從絕緣體轉為半導體，也可以由半導體轉為金屬性質，因此有望取代矽應用於半導體產製。上述這些得天獨厚的特性皆使其在電子元件、複合性材料、生醫、儲氫甚至航太產業上都具有寬廣的發展潛力。

奈米碳管如此神奇，是否可以解決當今有關技術的一切瓶頸呢？然而在實踐這片榮景之前，將先碰到隨之而來的挑戰：

挑戰一、如何降低製造成本並控管品質穩定性？

商用導入上首當其衝的挑戰，便是製造價格低廉且尺寸可控制的奈米碳管。在製作過程中控制奈米碳管定位與定向的成長不僅是成本經濟化的關鍵，更有利於在光電電子領域的應用。

近年工研院材化所積極開發相關技術，利用連續式的化學氣相沈積製程突破過去批次製程中難以量產且產物較不平均的瓶頸。此外，還包含調控製造過程中的觸媒研發，使得奈米碳管能直接在玻璃基板定位成長的技術，同時持續鑽研奈米碳材與高分子複合之科技。希冀製程的優化能在未來提供價格具競爭性的奈米碳材，拓展在能源、複合性材料及塗料等領域的實際應用，同時優化材料的加工難度、提升製造效益。

挑戰二、如何優化奈米碳管更加均勻分散、提升與基材的結合度？

「分散」一直是奈米材料在應用上面臨的最大問題。我們可以透過傅立葉紅外光譜分析發現，未經處理之奈米碳管表面並無官能基存在，表面平滑且具化學惰性，使其與有機高分子間的相容性不佳。此外，奈米結構具有強大凡德瓦爾力，導致碳管與碳管之間容易相互纏繞凝集，使其無法均勻地分散在應用的基材中，如此一來，奈米碳管便無法發揮其奈米特性。

換句話說，若想實現奈米複合材料的應用，解決奈米碳管在高分子中分散的障礙、增加奈米碳管與基材的結合度是關鍵，這也讓奈米碳管的「表面改質」成為近年奈米碳材領域中的顯學。隨著相關研究推出，針對奈米碳管分散性所研發的表面修飾技術漸趨多樣且精良，提供研發人員挑選最合適的方式加以延伸製備出合用之系統。

奈米檢測是未來科技著重的焦點之一，無論您的產業是使用哪種技術，實驗/製作過程中的分析、鑑定絕對都少不了分析儀器的參與！台灣島津長期致力於最新科研儀器技術的研發、關注應用產業的趨勢脈動，並具備完善的具體技術發展及成果，誓言以儀器技術作前端科技的最強後盾！IRXross 傅立葉轉換紅外線光譜儀可於表面改質技術中協助分析材料表面、顯微拉曼光譜儀AIRsight則可透過G/D band檢驗碳材料的特徵峰值，擴大奈米碳管成品的實際應用。快來認識這兩項協助產業夥伴們研究分析的精銳儀器！

島津能夠提供奈米碳管相關的技術諮詢與資訊教學，歡迎從事儀器開發或相關材料研究的產業與我們聊聊！