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?

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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。

目前的障礙

纖維素奈米纖維聽起來這麼神奇,那為什麼還沒有被廣泛使用?成本可能是最直接的原因之一,目前 CNF 纖維的製造成本是 1 公斤數千~數萬日圓,只需 3000 日圓的碳纖維或 2000 圓的玻璃纖維還貴得多。不過根據日本經濟新聞的報導,隨著量產技術的提升可望降至 500 日圓以下,成為比碳纖維還便宜的素材。

同時 矢野浩之教授也在接受日媒 採訪時提到,事實上 2001 年就已達到利用 CNF 纖維製出強度超越鋼的材質。但目前技術還握在少數研究單位與商業機構手上,有廣泛度還不足的結構性問題。

在技術層面上,矢野浩之教授也表示如何運用 CNF 與其他材料混合製成複合性材質的技術還有待克服。例如若要和其他塑料混合運用在交通工具上,會有大部分的塑料材料含有一定油份,但 CNF 纖維卻親水導致無法完美混合的問題。

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▲CNF 纖維剛分離還帶有水分的狀態,就像果凍一樣,Photo Credit:矢野浩之

如何量產也是一大問題,雖然 CNF 纖維使用木材還能回收,比起石油塑化材料是要環保得多,但就跟造紙業一樣,還是有種植週期較長、樹木濫墾以及製程空汙的問題。針對這點,德州大學奧斯汀分校的 Malcolm Brown 教授已成功實驗出 經由改造藻類 DNA,大量製造奈米纖維素的技術 ,可望改善進一步改善 CNF 纖維的生產環節。

會是日本未來的希望嗎?

在日媒對矢野浩之教授的採訪中,矢野不斷強調日本相當有發展 CNF 纖維產業的潛力。不光只是日本森林覆蓋率高達 70%,具有充沛原料來源的優勢;在技術上比起歐美單純磨碎木材纖維的方法,日本則是透過添加名為「TEMPO」的化學試劑,讓纖維更能保持均一的寬度。就連安倍經濟學三支箭之一,「日本再興戰略」也將 CNF 纖維名列重點發展項目之一 ,而受到經濟產業省的大力支持與關心。

但無論是日本或歐美哪個國家技術領先,重量更輕、強度更佳,並且對環境更友善的 CNF 纖維很可能就會是未來人類的主流材料之一。CNF 纖維出現代表了人類逐漸以技術追求永續環境的理想,而或許也同時是台灣該重新思考其「石化王國」定位的一個徵兆。

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