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強度鋼鐵五倍還能做晶片! 紙製 CNF 奈米纖維是材料界明日之星?

碳纖維可說是這個世代的代表性材料之一,從航太交通、運動器材到建築的工程結構都能看到它的蹤跡,只有鐵四分之一的重量卻有四倍鋼強度,讓它同時也成為「輕量化」的代名詞。

2016/01/07 出處:財訊趨勢特刊 第 0 期 作者:Inside網路趨勢觀察

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▲以 CNF 奈米纖維製成的晶片,Photo Credit: Yei Hwan Jung

碳纖維可說是這個世代的代表性材料之一,從航太交通、運動器材到建築的工程結構都能看到它的蹤跡,只有鐵四分之一的重量卻有四倍鋼強度,讓它同時也成為「輕量化」的代名詞。不過事實上自 1959 由嫘縈纖維製成的碳纖維問世開始,其實碳纖維也出現 50 餘年了,而現在看起來能繼承其地位的次世代材料,看起來就是木材纖維組成,深具環保色彩的「纖維素奈米纖維」了。

纖維素奈米纖維是什麼?

纖維素奈米纖維(cellulose nanofibril,簡寫為 CNF)是以樹木為原料的纖維,同樣體積下,重量只有鋼的五分之一,卻能達到 5~6 倍強度,並同時兼具加工彎曲性高、熱膨脹係數小等特性。其製作原理是將普通木材切得非常小製成紙漿,產生以微米為厚度單位的紙之後,再將紙張解離抽取其纖維素,最後製成以奈米為單位的纖維束。再簡單一點說,就是把一般的木材用奈米技術做成紙,再抽出來做成奈米纖維。

在未作任何素材加工或上色的狀況下,纖維素奈米纖維外表就看起來像透明壓克力板。事實上它比一般的石英玻璃還輕,熱膨脹係數也只有其 1/50。不僅如此,纖維素奈米纖維也能跟其他不同材質的纖維混在一起製成複合性素材。

用途極廣泛,甚至能運用在半導體晶片上

目前有許多科學家與商業機構,正著手將纖維素奈米纖維取代鋼、鐵或碳纖維,用在航太用途與交通工具上,達到進一步的輕量化與節能效果。像福特日前就與 Heinz 合作,使用類似技術試圖萃取番茄纖維製成新一代的車體材料。

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▲用 CNF 纖維做成的太陽能電池,Photo Credit: 大阪大學

不僅如此,美國威斯康辛大學麥迪遜分校已在 Nature Communications 發表將 CNF 纖維製成電子晶片基層的研究。目前現有主流的晶片主要以砷化鎵為主, 由於這些材質帶有毒性且難以回收,一旦廢棄後流入自然環境將會造成嚴重破壞。而 CNF 晶片本身就是「木材」,不但不具有毒性,甚至還可被微生物分解。同時由於 CNF 纖維的孔徑小於病毒,也同樣具有用在過濾病毒等醫療用途的潛力。甚至長年研究的京都大學矢野浩之教授大膽預言,CNF 將有全面取代石化塑膠的一天。

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