新科技：快速製造高品質低污染納米鍍膜
【大紀元2024年09月17日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）最近，日本科學家研發出一種簡單且低成本的2D納米薄膜製造新技術。該技術生產出的薄膜不僅品質優異，還能實現大規模快速生產，更能將過去難以轉移的薄膜輕鬆轉移到固體或柔性基材上，且整個製造過程對環境的污染和破壞極小。
由於石墨烯等二維納米片和其它無機2D納米片製成的納米薄膜，具有獨特電子、磁性、光學和熱特性，有望在下一代電子產品中發揮巨大的潛能。不過，傳統化學氣相沉積（CVD）、朗繆爾-布洛吉特（Langmuir-Blodgett, LB）等方法製成的薄膜，經常有不均勻、無法大面積生產和快速轉移薄膜等問題，且這些方法製造出來的薄膜塗層的尺寸通常小於2英寸，很難應用到實際中。
日本名古屋大學永續發展材料與系統研究所（IMaSS）的大田稔（Minoru Osada）教授領導的團隊，研發出一種突破性的納米薄膜製造工藝，不僅解決了過去納米薄膜製造所存在的問題，還有效減少了化學試劑對環境的污染。該研究結果今年7月發表在《Small》雜誌上。
該團隊偶然間發現當納米片被浸濕時，它們會自發地在水面上排列，可以在短短10至15秒內形成緻密的納米薄膜，而這種過程被科學家稱為「自發擴散現象」。
發現這種現象後，實驗人員分別將氧化鈦、二維鈣鈦礦、二氧化釕、銫氧化鎢、氧化石墨烯（GO）和過渡金屬碳化物（MXene）等多種納米片，混合至TBA懸浮液（氫氧化四丁基銨，TBAOH）和含有水與酒精的溶劑中，再藉由滴管將其滴到水面上進行「自發擴散現象」測試。
結果顯示，這些納米片穩定且快速生成在水面上，最終形成完整的單分子層的納米薄膜型態。這是因為酒精的蒸發速度比水快，且在蒸發時會讓液體的表面形成明顯的濃度梯度差，導致水面上出現張力差異，使得流體從張力較低的區域移動到較高的區域，形成一個完整的對流（馬蘭戈尼對流），而這一過程會引導溶液內的納米片排列上變得更緻密和有秩序。
研究人員將單層的氧化鈦等材料的2D納米薄膜從溶液中打撈後，快速移植到玻璃、金屬（白金、金、鋁箔）和PET塑膠等材料製成的2英寸、4英寸以上的基板上，薄膜在基板上的平均覆蓋率超過95%，只有極少的部分出現空隙和重疊狀況。
日本名古屋大學大田教授對該校的新聞室說，「納米片自發地排列並緊密地堆積在一起，就像浮冰在水面上聚集一起。這種可以控制的排列，對於創建均勻且高品質的納米薄膜來說至關重要，而且這種方法獲得的納米片薄膜也能在短時間內輕鬆將其轉移到基材上。」
實驗人員還發現酒精濃度在50%，且TBA懸浮液濃度處於0.1到0.5g/L時，納米片組裝成納米薄膜的緻密程度和品質最佳。其原因是TBA懸浮液增加了納米片的疏水性，有效將納米片漂浮在空氣-水界面，防止與水出現混溶現象。
用這種方法製作的二氧化釕納米薄膜，比石墨烯擁有更好的透光度，也比氧化銦錫擁有更好的電導率。另外，用這種方法生成的二氧化鈦、二維鈣鈦礦納米薄膜，擁有極高的折射率，能使表面出現彩虹色，而這種特質非常適合光電元件上面。
實驗人員表示，此種方法並非特定於含有水和酒精的懸浮液，也適用於丙酮、甲醯胺等有機溶劑，且這些納米薄膜不僅可以輕鬆轉移到多孔基材上，還可以進行多次疊加形成可剝離的獨立薄膜，該物體可用於水淨化、氣體分離、電子、感測等方面。
大田教授表示，該方法擁有巨大潛力，「目前我們透過該技術製造的多層薄膜，其表現出的性能相當優異且有相當多的功能性，使它們可以應用於透明導電膜、介電膜、光催化膜、防腐蝕膜和隔熱膜等上。」
除了其技術優勢外，大田教授還強調了這種方法對於環境產生的破壞較少。因為「該技術能夠在室溫下，以水溶液工藝在各種基材上生產薄膜，且無需真空成膜設備或昂貴的工具，這是之前傳統薄膜製程中很難看到的事情。」
責任編輯：連書華
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