奈米材料也要穿保鮮膜?滲透人類生活的塑膠大軍

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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

 
圖1:塑膠袋因為柔軟且有延展的特性可以適應不同形狀的物體,是包裝的便利工具| 來源:Motionelements

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。

 

圖2:藍色是基板,灰色是PMMA模具,沿著PMMA的形狀可以將黃色薄膜沉積在空缺的地方,有如著色|來源:作者提供
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
圖3:真空腔體示意圖。一般材料都會在真空環境下製備,以避免接觸空氣氧化|來源:Wikimedia commons

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。

 

 

圖4:塑膠產品著實方便卻也帶來環境威脅,無論是日常用品或先進材料製程,都要一起做好回收|來源:Motionelements
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!

 

 

 


參考資料

  1. Rahman, F., Carbaugh, D. J., Wright, J. D., Rajan, P., Pandya, S., & Kaya, S. (2020). A review of polymethyl methacrylate (PMMA) as a versatile lithographic resist – With emphasis on UV exposure. Microelectronic Engineering, 224, 111238. 
  2. Y. S. Huang, Y. C. Lee, and K. H. Chiang, "A system-level approach to cost-driven design for electronics packaging," IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, vol. 26, no. 2, pp. 141-149, Apr. 2003.
  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). 
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