在次奈米孔(Sub-nanoporous)水通道設計和材料的研究中，可以從生物的水通道蛋白(Aquaporin)獲得靈感。水通道蛋白具有獨特的傳輸性質，不僅具有很高的水滲透性，而且選擇性亦極高，可排除離子、質子甚至小的中性溶質。奈米碳管(CNT)的疏水性內部類似於水通道蛋白的內腔，襯有疏水性官能基，促使水形成一維的氫鍵水鏈。水分子與疏水性壁面的弱交互作用加上壁面的平滑性，水能夠幾乎無摩擦地輸送。CNT薄膜設計成僅需較小能量即可排除水中的鹽類和一般污染物。面對全世界對海水脫鹽的需求，相信CNT薄膜應有光明的前景。
細胞膜包含的蛋白質通道具有卓越的能力，可以定向分子並將其推進/出細胞內部。像水這類小分子進/出細胞膜的特定通道稱為水通道蛋白(Aquaporin)，具有優雅的蛋白質超結構，與水分子形成精密的氫鍵序列，並強制其偶極矩(Dipole Moments)對齊。水之間的自然氫鍵增強了這種「抽水(Pumping)」效應，如同項鏈上的珠子有效地推動分子穿過孔洞。圖一(a)為模擬電荷的不對稱排列可導致水流從上到下通過奈米碳管(Carbon Nanotube; CNT)，圖一(b)為理想的CNT薄膜，在CNT入口外側具有非對稱電荷。
圖一、(a)模擬電荷的不對稱排列導致水流通過CNT；(b)理想的CNT薄膜之電荷驅動CNT水泵浦示意圖
CNT基本特性
CNT已經確立其身為奈米科學代表性分子的地位，儘管CNT具有非常簡單的化學組成和結構，但其能夠顯示多種驚人的獨特性質。CNT可分類為單壁奈米管(Single-walled Nanotubes; SWNTs)和多壁奈米管(Multi-walled Nanotubes; MWNTs)，如圖二所示。單獨CNT藉由凡得瓦力(Van Der Waalso Force)或π-堆疊(Pi-stacking)，將它們自身聚集對齊成繩索狀。CNT的化學鍵合完全由sp2鍵組成，為CNT提供其獨特的強度。
CNT薄膜的製備
使用Aquaporin作為仿生模型，理論上可以系統地設計適合脫鹽的離散(Discrete)水通道，並且足夠穩定以利加工處理和應用。這種通道理想上應具有以下條件：①類分子篩限縮以排除鹽和小的中性溶質；②在高分子薄膜內穩定排列；③水滲透率和填充密度可與TFC薄膜相當；④化學和機械穩定性以及採用可量產的製造方法。
1. CNT薄膜的型式
CNT薄膜根據製造方法分為兩大類：①垂直排列(Vertically Aligned; VA)CNT薄膜；②混合或複合(Mixed or Composite)CNT薄膜。VA-CNT薄膜的構造是將奈米管直立排列並垂直於薄膜表面，奈米管藉由有機或無機填充材料彼此結合；而Mixed-CNT薄膜則具有與TFC型RO薄膜類似的結構，其中頂層是用奈米管和高分子，如聚醯胺(Polyamide; PA)混合而成。這兩種CNT薄膜的概念如圖五所示。
圖五、CNT薄膜之結構示意圖(a)垂直排列CNT薄膜；(b)混合CNT薄膜
CNT薄膜的應用
3. 薄膜蒸餾(MD)應用
文獻報導CNT薄膜固定在多孔性聚丙烯(PP)支撐層的複合材開發，及其應用於直接接觸薄膜蒸餾(DCMD)之脫鹽。說明CNT上的官能基與水分的特定交互作用，對改變薄膜表面極性-非極性以增強DCMD中水蒸氣通量的影響。在薄膜蒸餾脫鹽應用之超疏水性薄膜研究中發現，利用電紡製造均勻包埋的CNT薄膜，其CNT分散良好且內部孔道為超疏水性，具有優越的蒸汽質傳效率，其通過薄膜孔洞的可能機制如圖十所示。CNT超疏水性的孔壁排斥水蒸氣分子，從而減輕孔壁和水蒸氣分子之間發生的摩擦或吸附等負面影響。
4. 吸附應用
CNT具有本質的疏水性和毛細作用，這種性質有利於水處理的吸附行為，以及吸附物在微孔碳材中的導向。物理吸附是非功能性奈米材料吸附的主要機制，在環境應用中吸附容量對污染物去除和氫儲存具有…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：邵信、黃盟舜、洪仁陽 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」367期，更多資料請見下方附檔。