【創新材料】它是奈米材料!不是鋼筋水泥!

■看看這幾張照片,是都市叢林裡裸露的鋼筋?又或是哪個天才藝術家的最新創作呢?都不是,它是奈米結構!

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三維空心氮化鈦nanotruss,每一個單位晶格為10微米,每一根支架的長度大約在3到5微米左右,氮化鈦厚度約為75奈米。

作者|方程毅

照片中這些細緻又整齊的三維結構是否就像是某種建築物的骨架,讓人不禁想這是否是為了札哈哈蒂或伊東豐雄又一件曠世之作所設計的,是多少建築工在大熱天底下揮著汗一支一支搭建起來的。但仔細一瞧這照片的比例尺:40微米!這不是什麼巨大的工程,也不需要建築工在炎熱的天氣揮汗如雨辛勤工作,這個結構大概跟你的頭髮直徑差不多大小。

天啊,真是太神奇了!來自加州理工學院(California Institute of Technology)材料系的研究團隊研發出一種特別的方法做出這種如鋼筋水泥般的結構稱之為nanotruss,而這些結構也不是由金屬或鋼筋水泥組成的,而是氮化鈦(TiN)。第一眼看到這個結構直覺大概是:長的那麼像建築物骨架,強度應該很強吧?沒錯,它的強度(Tensile strength)在經過多次應力測試後為1.75 GPa,大概跟金屬鎢(Tungsten)的強度差不多。而這個強度大約為氮化鈦塊材(bulk)理論強度的一半,別以為一半沒什麼了不起,任何材料實際強度能做到理論強度的一半都是非常了不起的事情,因為材料內部在加工或製造的過程中一定有許多缺陷,這些缺陷會大大降低其強度。

這個結構是先利用叫雷射直寫 (direct laser writing)的技術製作高分子的三維奈米結構作為骨架。雷射直寫技術是利用一高強度且波長精準控制的雷射光,當雷射光照射到高分子上時會有一種特殊的光學現象稱為雙光子吸收(Two-photon absorption),雙光子吸收會讓高分子的結構產生變化,使其能較能抵抗往後的蝕刻。當高分子骨架形成之後,再利用原子沉積法(atomic layer deposition)使薄薄的氮化鈦覆蓋於這個高分子架構的表面,最後再利用乾蝕刻將高分子的骨架去除,圖片裡令人驚嘆的氮化鈦結構就形成了。雖然照片中的比例尺為40微米,但率領這個研究團隊的Julia Greer教授還是稱其為nanotruss而非microtruss,這是因為覆蓋到高分子骨架表面的氮化鈦僅僅只有數十奈米,而命名為truss也是因為這個結構將來極有可能運用在建築業上。id35733

這種特殊的三維結構無疑讓奈米材料的性質具有可調性。氮化鈦屬於陶瓷材料,陶瓷材料通常都非常硬且脆,雖然強度高但也難以承受形變,但nanotruss中有85%皆是空氣,因此它不僅保有了傳統陶瓷材料的高強度,同時也增加了其承受形變的能力。藉由調整氮化鈦佔有的比例或是三維結構的不同,材料的強度或承受形變的能力便有所不同。Julia Greer教授表示他們甚至能過做到99%都是空氣,這些支架佔有的體積僅僅只有1%,驚人的是,這個結構的強度還是比鋼筋強。Julia Greer教授也解釋了這種結構異常高強度的原因:傳統塊材的陶瓷材料因為在製過程中會有許多缺陷,這些缺陷導致材料強度大副下降,但是nanotruss的支架都非常細小,缺陷少且結構又很穩固,因此這些細小的支架看似脆弱,但卻很堅固,這就是奈米結構吸引人之處喔!除了氮化鈦,其他各式各樣材料例如金屬、半導體、金屬玻璃(metallic glass)或其他陶瓷材料像是氧化鋁等等也可以形成這種特殊三維結構,這無疑是材料設計與製造上的一大創舉,開啟了無限的可能性。

附註:參與這項計畫的研究團隊包括Julia Greer教授實驗室的研究生Lucas Meza, Lauren Montemayor 及來自University of Waterloo的大學生Nigel Clarke。

Reference
1.http://www.nanowerk.com/news2/newsid=32130.php
2.http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=35733.php
3.Dongchan Jang,        Lucas R. Meza, Frank Greer, Julia R. Greer, “Fabrication and deformation of three-dimensional hollow ceramic nanostructures” Nature Materials, 12, 893–898 (2013)

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。
責任編輯:Kerina Huang

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