碳薄膜展現傑出過濾功能
- 上線日期：2012/2/29 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
英國與日本科學家家分別研發出性質特殊的超薄碳薄膜，能分離不同分子，可望應用在從濾水到石油加工等於諸多領域。英國團隊以石墨烯氧化物(graphene oxide)製作出高度透水且能隔絕其他液體與氣體的薄膜，而日本研究人員的類鑽碳(diamond-like carbon, DLC)薄膜則可過濾某些有機溶劑。
石墨烯是單原子厚且的六角晶格碳材，石墨烯氧化物則是在石墨烯表面覆蓋了分子(例如羥基(OH))，片狀的石墨烯氧化物可堆疊形成超薄薄膜。由諾貝爾物理獎得主Andre Geim領導的曼徹斯特大學團隊製作的石墨烯氧化物薄膜只允許水分子穿越，完全阻絕其他液體與氣體，而且水分子能以極高的速率滲透薄膜，就如同穿過空氣一般。
上述薄膜是由大量石墨烯氧化物片組成，層層薄片間形成的奈米級通道僅允許單層水分子通行；而在無水時，這些毛細管道會收縮而導致通道關閉。相形之下，數公釐厚的玻璃雖然能隔絕水，卻無法阻擋氦氣滲透，因此石墨烯氧化物薄膜所展現的行為與巨觀世界中的經驗完全不同。
在地球另一端的日本，國家材料科學研究所(National Institute for Materials Science)的Izumi Ichinose等人利用電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)製作出可過濾有機溶劑的類鑽碳薄膜。類鑽碳為非晶材料，其碳原子的鍵結與鑽石類似。他們使用鎘奈米束(nanostrand)超薄基板，並通入數種不同的有機氣體，接著利用蝕刻移除鎘束，留下獨立的類鑽碳薄膜。
薄膜厚度約30 nm，表面約12%的面機佈有直徑1 nm左右的孔洞，其中乙炔氣體製成的薄膜表現最佳。與目前市售用來過濾有機染劑的薄膜相較，此類鑽碳薄膜的過濾速率要高上1000倍。此外，該薄膜的彈性與銅和鈦金屬相當(90-170 GPa)。
研究人員觀察了10種有機溶劑的滲透情形，發現己烷與丁醇分別有最快與最慢的滲透速率。Ichinose表示這是第一個可過濾有機溶劑並使其與水分離的多孔薄膜，未來用途包含清理化學污染、食品工業中的油質分離與生質燃料的生產。此團隊正在發展多孔類鑽碳薄膜的量產製程，但首要之務是找到取代昂貴鎘基板的材料，目前可行的替代品包含碳纖維或聚亞醯胺(polyimide)。詳見Science 335, p.442-447 (2012)。
原始網站: http://physicsworld.com/cws/article/news/48474
譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘
- 相關附件: