奈米材料也要穿保鮮膜？滲透人類生活的塑膠大軍

每天幾乎不可能避免使用到塑膠相關的產品，實際上，塑膠更是難以想像地滲透人類生活中。不只是日常用品，它也是先進奈米材料的幕後推手之一。同為塑膠產品的 PMMA 成為奈米材料的模具，也能夠將奈米材料轉移至不同材料上進行堆疊，使得科學家可以探索不同物質的交互作用，還能為高科技材料保鮮。儘管塑膠再高科技或便利，實則難以被自然分解而成為破壞環境的頭痛材料，需透過回收的過程才能進一步再利用並達到永續發展的目標。

撰文｜黃鼎鈞

塑膠是一種輕便又耐用的材料，可製造許多產品，為現代的人帶來諸多便利。塑膠主要是由碳、氫及氧三個元素，經人工合成的高分子聚合物，透過聚合反應將單體連接，形成不同特性的塑膠材料。舉例來說：聚乙烯（PE）是以單體 C₂H₄ 聚合而成的塑膠材料，具有柔軟及高延展的特性，也是購物時最常見的塑膠袋，另一個常見的物質則是聚苯乙烯（PS），是由單體 C₈H₈ 組成，具有高透明度、質地輕盈的特性，常被用以製作免洗餐具。塑膠不只支持人們的日常生活，科學家在奈米科技上的探索，使得塑膠材料的應用更加多元可期。

有一種在生活中常見，也在先進材料中多被應用的塑膠－聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate, PMMA），別被它又長又怪的本名給嚇到，它具有高透明度、輕盈、耐熱又不易與其它化學物質產生反應，而且具備可塑性容易被加工塑形，其實，常常被應用在隱形眼鏡或壓克力板的塑膠產品，是大眾相當熟悉的物品。那麼 PMMA 會怎麼應用在奈米科技上呢？

 

電子元件的良好模具

著色本是你我生活中的良伴，無論年紀沿著線條將不同的顏色填入，常有紓壓的效果。PMMA就像是電子元件製程中的著色版，先將圖案勾勒出來，提供科學家將不同的材料填入。將PMMA置於高能量光線底下（如：紫外光），光線會劣化PMMA單體間的連結，使得曝光的地方容易被溶解，尚未曝光的地方則變成「畫框」提供材料科學家「上色」。反過來，若採用高能量的電子束，可以強化PMMA分子間的鍵結，使得未被曝光的地方容易被溶解，僅留下被曝光的圖形。且由PMMA做出的圖形解析度可以達10奈米，加上前段所述，PMMA穩定而不易與其他物質產生化學反應，是製作奈米元件上不可或缺的好模具。

 

轉印材料的利器

許多材料必須沿著晶體結構的基板成長，如矽基板對材料來說就是一個很好的地基（參見：一「矽」之間，半導體代言人走下神壇？），但若要將不同的材料結合，就必須把成長在基板上的材料取出，轉移到要組合的材料上，這個過程稱為「轉印」（transfer）。透過轉印的方式，可以拼湊不同的材料，不同材料間的交互作用也時常出現出乎意料的物理現象，這也是材料科學家熱情的所在，就像是在玩樂高積木，不同的積木卻有無限的創意。舉例：若將石墨稀薄膜（graphene）轉印至金屬鈷（Co）薄膜上，可以強化鈷薄膜在垂直面上的磁性。就算是堆疊相同的材料，近年來許多研究指出，若將石墨稀彼此堆疊，則有可能創造出超導材料！在這些材料的交互作用PMMA功不可沒。

 

不只食材需要新鮮，材料也要保鮮膜

材料被合成出來後，讓科學家頭痛的就是「氧化」的問題。因在材料的轉移中，不免會與空氣接觸，空氣中的氧氣容易與不同的化學元素產生反應，造成合成的材料產生非預期的氧化，使得材料保存困難。要延長材料的保存，就像食物需要保鮮膜。保鮮膜可以避免食物與過多的空氣接觸，延長食物的保存。PMMA在奈米材料製程中，也能扮演保鮮膜的角色。通過旋轉塗覆機（Spin coater），此儀器可以藉由高速的旋轉，將PMMA的液體均勻的塗覆上樣品的表面，由於PMMA高度的附著力，能夠將材料包覆，進一步將材料與空氣隔絕，增加材料的保存期限，為材料研究帶來不少便利性。

 

 

有一好，無兩好的現實

雖然塑膠產品為生活帶來便利，然而，塑膠難以被分解，一旦被置於自然環境中，需要數百年的時間才能被分解，且容易被野生動物誤食，導致動物死亡等種種因素，導致塑膠成為破壞生態的元兇之一。目前台灣推行許多限塑的政策，不免費提供塑膠袋、不主動提供塑膠吸管等等。PMMA一樣具有不可被生物自然分解的特性，不過，透過適當的回收，其回收率高達到100％！讓我們得以透過不同角度再利用塑膠，日常生活到先進科技都為人們帶來巨大便利的塑膠，現在，輪到我們為它的永續使用帶來更多可能性了！

 

 

 

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參考資料

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3. Rougemaille, N., N’Diaye, A. T., Coraux, J., Vo-Van, C., Fruchart, O., & Schmid, A. K. (2012, October 2). Perpendicular magnetic anisotropy of cobalt films intercalated under graphene. Applied Physics Letters; American Institute of Physics. 
4. Cao, Y., Fatemi, V., Fang, S. et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556, 43–50 (2018).