先進奈米複合碳材料之未來發展與應用趨勢

刊登日期:2016/12/5
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王鼎翔、呂明生/工研院材化所;張守一/清華大學材料系

前言
由於石墨烯相關材料優異之特性,使得 ”碳” 這種古老材料再次受到世人的矚目與研究。比起其他材料,碳材料因為有許多不同類型之結構與鍵結而有著更廣泛的特性與應用潛力,例如層狀結構之 sp2 鍵結石墨材料有著優良的導電與潤滑性質;完整 sp3 鍵結之鑽石材料則擁有高硬度與高導熱等特性;而非晶質碳材料則可藉由製程調整而擁有類鑽與類碳等特性。此外,又因為科技與儀器的進步,人類對於奈米尺度之材料有著比以往更高的掌握與了解,此優勢使許多學者可精準地將不同特性之奈米材料與碳材料進行結合,進而研發出具有優異特性與應用潛力之奈米複合碳材(Carbon-based Nanomaterials;CBNs) [1,2]。本文將針對 2106美國碳材料協會(American Carbon Society)所舉辦之 Carbon年會中,先進複合奈米碳材料之未來發展與應用趨勢進行分享與討論。

本次研討會議程將碳材料分為:①.奈米複合碳材料與生醫相關應用、②.碳黑與其碳材料製程、③.碳催化相關材料、④.煤炭與石墨材料、⑤.電化學複合碳材料、⑥.碳纖維與其複合材料、⑦.奈米碳管與其他奈米結構碳材料、⑧.石墨烯相關材料、⑨.碳材料模擬相關以及⑩.多孔性碳材料等10項主題。

在上述10項主題當中,由於醫療科技的進步,人類壽命不斷提升,因此複合奈米碳材料在生醫應用領域,成為今年相當熱門且重要之議題。例如,將相關碳材料應用於:①.藥物載體、②.病毒偵測與癌細胞標的以及③.碳基神經修復材料等議題,在議程中都受到大量學者的重視。其次則是在奈米複合碳材先進製程方面,亦有許多學者發表各種進行特定方向與特殊碳結構之先進製程。此種具有方向性與特殊結構之奈米複合碳材料,包含常見的奈米碳管、奈米碳球與結構控制之方向性石墨材料,皆因優異的軸向導電導熱性質與化學特性而受到高度重視,而相關特性則可將其應用於次世代高功率鋰離子電池與其他電子元件上。

綜合上述,本文將針對 ①.奈米複合碳材料與生醫相關應用與②.奈米碳管與其他奈米結構碳材料 (結構控制方向性奈米碳材料製程),兩個主題進行討論與分享。

奈米複合碳材料與生醫相關應用
石墨烯、奈米碳管相關之奈米複合碳材料,由於許多優異之特性,如高化學穩定性、高導電導熱效率、高生物相容性、高表面積吸附效率與碳材料之便利取得等優點,而受到世人高度矚目與研究。其中,高表面積吸附效率與高生物相容性,此類特性使得奈米複合碳材料相當適合應用於生物醫學的組織工程、基因轉染、細胞成像和藥物遞送等方面。

相關奈米碳材料之製備技術已有相當大的進步,且證實相關塊材碳材料除了對於人體之毒性與傷害甚低之外,亦可被我們人體組織自行分解與吸收。但目前我們對於相關碳材料在奈米尺度下,於人體內之毒性與傷害等的相關資訊仍相當缺乏。因此,本次會議有許多學者開始針對相關奈米碳材 (石墨烯與其複合奈米結構),在人體毒性與傷害面進行研究。

此外,由於奈米複合碳材料有著優異的表面吸附效果,可於材料表面吸附不同之官能基,進行生物系細胞成像與標記,又因奈米碳材料容易被細胞所吸收,因此相當適合做為生物細胞成像之材料。並進一步搭配高生物相容性與高機械強度等特點,可將具有不同官能基之奈米複合碳管材料,應用於人體神經細胞修復之生醫材料上。以下為本次會議中關於奈米複合碳材料用於生醫相關之應用。




圖一、GO相關奈米複合碳材於在髓過氧化物酶 (hMPO) 溶液中分解前與後之TEM影像圖

在奈米碳材料之生物可降解性方面,如圖一所示,由 Alberto Bianco與其研究團隊研究證實,不同氧化程度之石墨烯相關氧化物奈米複合碳材 (GO),可在髓過氧化物酶(hMPO)溶液中,於24小時的時間後完成一定程度之分解。在圖一中,A-C、D-F與 G-I 分別為不同氧化程度之 GO-1、GO-2 與 GO-3在不同反應時間(t=0, 15h, 24h)之分解 TEM影像。圖中紅色箭號處可發現---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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