製造工藝革新 納米寶石垂手可得

【大紀元記者李紫雲編譯報導】自然界中有許多炫目色彩的東西一直是人們收藏目標，例如：蝴蝶翅膀標本、孔雀羽毛、蛋白石（opals）和珍珠，光線照射它們之後都會呈現炫目的色彩，主要是因為它們表面都有種類似光子晶體（photonic crystals）的結構。

所謂的光子晶體是指物質的微觀結構因為特殊的週期性有序的排列，所以可以對特定頻率的光作反射、繞射。其概念猶如市場上堆疊整齊的蔬菜、水果，有次序的由下往上整齊堆疊，可以防止其滑落。當這樣結構縮小至納米尺度時，粒子與粒子間的洞大小和光入射角度就會影響某些色彩光的反射。

似乎自然界創造這樣的結構是非常容易的，但是，若要人工製造出整齊排列的納米粒子需要一系列繁雜的步驟，由油性溶劑和水混和後，然後在大量的洗滌後才可以得到光子晶體結構。

現在有一群科學家聲稱已經可以簡單的製造這樣的光子晶體結構。他們分別是來至北卡羅來納州立大學的化學分子生物工程系教授歐林‧畢利（Orlin D. Velev）、亞利桑納州立大學生物工程系的麥紐‧瑪奎斯（Manuel Marquez）教授，和馬德里孔普盧頓大學光學系的索利亞‧麥利（Sonia Melle）教授等。

他們設計出利用膠體化學方法讓納米粒子在超疏水（superhydrophobic）表面快速的乾燥，並整齊堆疊製造出炫目色彩的納米粒子。這過程被簡單化如同放置一滴在超疏水表面上，然後讓它乾燥1至2個小時。

而所謂的超疏水表面是指物質表面具抗水性質，例如：鴨子的羽毛和荷葉。這種性能已經應用在紡織、塗料、建材等的製造上。

這些具有炫目色彩的納米顆粒，他們稱之為「納米寶石」（nanojewels）。

畢利教授的研究生畢那亞克‧瑞斯托基（Vinayak Rastogi）在今年美國化學學會膠體與表面科學研討會，發表他們最新「納米寶石」論文。該論文也已經發表在今年8月最新期《先進材料》（Advanced Materials）期刊中。

製造光子晶體最大的困難在於如何設法使最終產物的光子晶體，得到最大的均勻性且最少的結構缺陷。

利用他們的新方法可以輕易的複製出大量且有序的光子晶體結構。一滴含有納米粒子的水滴在超疏水表面上，然後自然的乾燥形成有序結構的「納米寶石」，有以下幾個因素：

第一，因為在超疏水表面上水滴保持著球狀，含有納米粒子的水滴在表面張力下不會擴散而保持著球狀。

由於水滴獨立的立在超疏水表面上，水滴中的水可以慢慢的蒸發，並保持著球狀，不會因為快速蒸發而變形。水滴中的納米粒子間可以盡可能的相互靠近，且以緩慢圓周運動的旋轉，一直到所有的水份全部蒸發。

當在同一個水滴中含有兩種大小粒徑的納米粒子時，小的納米粒子將會移動水滴的表面，而大的留在中間。這是因為小的納米粒子較具有更多的連續快速而不規則的隨機移動，隨同水分子移動到水滴表面，然後當水蒸發掉後，留下納米粒子形成具有有序結構的「納米寶石」。

瑪奎斯教授說：「除了納米寶石看起來燦爛外，最令人興奮的事就是這項研究工作開啟許多在新納米材料的快速和便宜製造的可能性。」

畢利教授解釋說：「這些納米寶石可以應用在光電、藥物投遞、特別塗層和感應器等。」事實上，世界各地已有許多科學家用很多方法製造出類似二維和三維的光子晶體，應用於發光二極管、光纖通信、微小激光器、超白顏料、天線、反應器和光學積分電路。

麥利教授又說：「不同大小的納米粒子決定其不同的色彩，這些納米寶石可以設計應用於光纖通信系統中。」

隨著科學家開發出更多納米粒子和納米結構來投入市場和應用在不同的材料加工技術上，可以預見納米材料單一尺寸和性能的特點將促進更多新應用，並且將會對納米技術和相關產業的發展產生重大影響。