奈米碳球衍生物材料應用簡介：材料世界網

自從Fullerene發現以來，一系列相關結構的碳簇材料不斷被製備出來，包括碳70、碳84等Hyper-fullerene、奈米碳管(Carbon Nanotubes)、內部填充金屬的奈米碳球(Carbon Nanocapsules)以及石墨烯(Graphene)等。這些被視為夢幻的奈米碳簇材料，其中有部分製程方法已達商業規模，正逐步實現應用產品的開發。工研院早期提出以脈衝電弧法，製備高純度奈米碳球的方法，接著陸續提出摻雜異原子奈米碳球、官能基化奈米碳球衍生物、高分子鏈接枝奈米碳球等複合衍生物的發明，提升奈米碳球的應用性與價值。本文將分別簡述奈米碳球相關衍生物之應用與研發情形。

奈米碳球觸媒載體
奈米碳球具有封閉的多層石墨外殼結構（圖一），藉以穩定的保護內部奈米金屬的特性。有別於一般碳材料，奈米碳球會因內部填充金屬的性質而能具有超順磁性、微波吸收或放射性，使其應用廣泛。奈米碳球的外殼石墨結構可藉化學修飾而分散於溶劑中，使其易於利用，並增加親和力。

以超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Device ; SQUID)分析各種金屬填充金屬奈米碳球的電磁性質，發現含鐵奈米碳球(Fe@CNCs)幾乎無磁滯現象，當其受一逐漸增強之外加磁場H作用時，其磁化現象亦將隨之增強，而當處在有限溫度和無外加磁場時，磁矩受到熱激化而能回復為無磁性之顆粒；此特性使其得以適合應用在磁性管柱分離應用上，作為貴金屬觸媒回收與藥物合成載體（圖二）。文獻報導顯示，磁場或有助催化Spin Exchange反應進行（如氫化反應），希望能藉內部磁性金屬的調控，達到增強觸媒催化性能或替代昂貴的白金觸媒。

圖二、 (a)為磁性奈米碳球，外殼轉角處承載2 nm粒徑的白金觸媒。(b)為超導量子干涉儀量測填充鐵奈米碳球的磁滯曲線，實驗結果顯示，奈米碳球內的奈米鐵粒子磁化曲線呈現超順磁現象，在磁場強度為80 KOe作用下，可以獲得飽和磁化量為0.06 emu/g

奈米碳球接枝高分子複合材料
奈米碳球表面π電子雲的特性，使其能影響高分子結晶性以及電荷轉移。成大化工系王紀教授的研究顯示，僅添加1%奈米碳球即可明顯提高Syndiotac¬tic Polystyrene (sPS)的結晶性、型態與熱降解(Thermal Degradation)性能，並強化複合材料物性。均勻分散的奈米碳球顯著提升了sPS結晶速率高達一個數量級，結果顯示奈米碳球是一個極好的成核劑，可加速高分子的結晶，並提升其在高溫下的熱穩定性。

進一步的探索發現，中正大學化工系蔣見超教授以陰離子聚合法合成聚苯乙烯分子鏈接枝奈米碳球(PS-grafted CNCs)，大幅提昇奈米碳球對Toluene、Cyclohexane、THF等常見有機溶劑的分散性，並能有助奈米碳球均勻分散於複合材料中。PS-grafted CNCs的Polystyrene含量約為20%，接枝的Poly-styrene的分子量計算為1,200 g mol^-1。與未接枝的Polystyrene分子量相比明顯較低。TEM顯示，PS接枝的奈米碳球之多面體形狀保持完整性，並且是含有均勻聚合物/碳球比率的複合材料。熱重分析(TGA)顯示，PS接枝奈米碳球，較附著的Polystyrene及單純的Polystyrene有更高的相變溫度（圖五）。透過化學改質官能基化(Functional¬ized)以及接枝高分子(Grafted Polymer)，形成一巨大分子量的複合奈米結構，強化複合材料物理或化學性質，可以讓奈米碳球變身成為高應用性的工程材料。

奈米碳球石墨外殼電子雲共振的特性，使其與金屬/金屬氧化物奈米粒子表面有截然不同的物理、化學及光電性質。相關的應用案例：我們在磁性奈米碳球(Fe@CNCs)表面鍵結合成具螢光分子與可辨識IgE的Aptamer；已能有效合成出數種螢光奈米碳球（圖六），並利用磁性管柱方法進行細胞純化與鑑定，以建立簡便、快速的細胞分離技術與疾病檢驗方式……以上內容為重點摘錄，如欲詳全文請見原文。

圖六、 (a)在奈米碳球表面鍵結Acridine Orange與(b)1-Aminopyrene的螢光分子，反應24小時後，經純化並配置濃度為250 ppm與50 ppm。左邊為日光燈下，右邊是UV燈下