:::
奈米孔洞材料的突破－全球最大通道的無機晶型結構台灣研究成果獲刊國際期刊「科學 (Science)」
國立清華大學(NTHU)化學系教授王素蘭所帶領的研究團隊(由七位清大研究生和三位分別來自中原大學、中央大學及加州州立大學的共同研究者所組成），在行政院國科會處與清華大學經費的支持下，於2013 年 2 月 14 日在 Science 發表了一篇研究論文，標題為「Crystalline InorganicFrameworks with 56-Ring, 64-Ring and 72-Ring Channels」。王教授的研究結果，解開了學術界過去數十年來一直存在的晶型奈米孔洞物質缺乏系統性合成的難題；除此之外，超出當代物質科學家的實驗技巧與理論範疇，王教授研究室發展出一個名為清華大學13號的系統 (NTHU-13)，首度成功跨越微孔(microporous)與介孔 (mesoporous)的界限，製作出全新型式的晶型介孔物質。這也是人工合成第一次能夠超越天然界已知的最大晶型結構通道。
天然界中存在著豐富、有趣的孔洞物質，例如沸石，其結構內部有 0.30.7 nm (奈米)大小的孔洞，可容許小分子進出，具有離子交換、氣體吸附/分離等性質。在傳統工業上，人工製作的類沸石孔洞物質，作為分子篩，有廣泛用途，亦用於核能廢水陽離子的處理與廢氣的吸收，煉製石油之觸媒以生產汽油；在近代能源環保議題中，更發展出以孔洞物質儲存氫氣與二氧化碳，或是新型無鑭螢光粉的潛在應用價值。
自 1940 年代起，科學家始能夠在實驗室中合成矽酸鹽沸石結構，並使用
X 光繞射技術，清楚的定出三度空間原子的排列與結構組成，藉此了解孔洞內部結構與活性關係；到了 1980 年代，發現了鋁磷酸鹽沸石結構後，各種化學組成的類沸石孔洞物質相繼被合成，孔徑也從 0.7 nm 逐漸擴張到 1.3 nm，屬於微孔範圍 (0.32.0 nm)。到 1990 年代，科學家發現了通道孔徑超過 2 nm 的介孔(範圍 250 nm) 製作方法。然而受限於非晶性緣故，對介孔結構的了解，只知孔洞通道排列形式，內部結構與組成難以詳細確定。自此，晶型的孔洞結構與微孔物質畫上等號。
對於物質科學家來說，發展可以調控孔徑大小的合成方法，是最具挑戰性的課題之一。從結構的觀點，孔徑大小約可用圍繞於洞口多面體的數目(簡稱元環數)來表示。人工所合成的微孔環數早已超過天然沸石結構中的 12 元環(12R)。然而，過去數十年來，一直缺乏合成超大元環(>12R)通道的有效方法。王教授的研究曾創下 24R 與 26R 的先例，但到目前為止，具有 24R 或更大通道的結構，仍然零星稀少，其出現也屬偶然，包括 2007 年與 2009 年被 Nature 報導的 30R 結構。若干年來，晶型結構的孔徑上限停滯於 30R，仍未能超越 30 年前在天然界發現的類沸石最大晶型通道 36R。
從過去半個世紀科學家擴展孔徑元環數的研究歷程，顯示進展是相當緩慢的。是否 30R 已達人工合成可行的上限?若晶型無機孔洞還能夠往上擴展，需掌控那些條件？孔徑是否可以逼近微孔上限的 2 nm 而仍維持晶型?曾創下兩個里程碑(NTHU-1 與 NTHU-5)的王教授表示：這些問題是沒有答案的，只能繼續鑽研。繼26R 的 NTHU-5，林新堯於2010 年全力投入單胺 模板的反應條件；隨後黃文彥合成出 28R 結構。此時，王教授團隊已隱約觸及了系統性合成的邊緣。至 2011 年底，秦志遠一舉合成出 40R 與 48R 結構，遠遠超越了天然界已知最大的 36R 晶型通道，正式開啟了 NTHU-13 的系統。王教授指出，綜合 28R 與之前 NTHU-5 結構資料顯示：40R 與 48R 的通道孔徑與它們有共同的結構模組；於是推論出一個模組擴充的通式，可以預測下一個更大的通道孔徑。有此依據而產生信心，因此在短短的數個月間，謝明哲、黃惠琳及黃文彥便能夠將通道孔徑從 48R 持續往上擴增至介孔等級的 56R、64R 與 72R。這個結果完全超乎現代物質科學家在微孔物質的經 驗、認知與預期。
這是第一次在合成晶型奈米孔洞物質上成功達到系統性的合成。NTHU-13 系統所集結的無機通道孔徑從 0.7 nm 到達 3.5 nm，首度證實於單一系統內可以利用模板聚集機制，達到從微跨越至介孔洞範疇的無縫接軌。合成有序側壁介孔結構的合理性設計在文獻上仍尚未被提及，直至今日才由 NTHU-13 系統所實現與驗證。王教授團隊的此項研究結果，在學術上有高度的創新意義與貢獻。
此項研究，有賴清華研究生在實驗上的知識經驗及高度技術、中原大學林嘉和教授與中央大學李光華教授長期以來提供的合作測量、以及加州州立大學卜賢輝教授提供介孔物質反應技術觀念與文章前言的潤筆，才能夠順利完成發表。王教授指出，「這篇論文不僅顯示實驗技術上的突破使用單胺的界面活性劑模板，就可以持續將隧洞大小從 24R 逐步上推至 72R，也打破長期存於孔洞材料相關領域中以為聚集型式模板所導引的介孔通道是非晶型的迷思。這個觀念上的突破，對未來合成晶型奈米孔洞物質會產生重大技術革新與影響。」
:::
106214 台北市和平東路二段106號
電話:(02) 2737-7992
資訊系統服務專線：(02) 2737-7592
上班時間: 每週一到週五8:30 至 17:30
©National Science and Technology Council, 106, Sec. 2, Heping E. Rd., Taipei 106214, Taiwan, R.O.C.