奈米結構因具有獨特的光、電及磁學性質而引起科學家的高度重視。奈米材料獨特的性質主要源於尺寸大小與形狀差異，因此如何控制多形態奈米材料的製備，一直是研究人員首要的研究課題。其中，高度規則性的互穿網狀結構，如雙連續螺旋體(double gyroid (DG))、雙鑽石(double diamond)及簡單立方型態(plumber's nightmare structure)，因具有複雜的週期性而引起人們的興趣，其結構能與入射光波產生交互作用，使材料折射率或介電常數產生週期性變化，而具有「光子晶體」(photonic crystal)的特性。 以雙連續螺旋體為例，其複雜的對稱結構是由一組對稱且旋性(chirality)相反的單連續螺旋結構(single gyroid (SG))互穿而成，此特殊的型態可見於自然界的蝴蝶翅膀：部份蝴蝶翅膀上的斑斕色彩，來自於鱗粉上排列整齊的單螺旋體結構選擇性反射日光的結果。雖然類似結構早已出現在大自然中，但如何人工製備出此複雜結構仍是一項挑戰。 清華大學化工系何榮銘教授的研究團隊從仿生概念出發，師法大自然，利用掌性嵌段共聚物進行自組裝，經由調控共聚物之體積分率與分子量，可形成具有不同形態之奈米微結構，如圓球、圓柱、層板結構及上述雙連續螺旋體結構。利用具可分解之嵌段共聚物的特性，如聚苯乙烯-聚左旋乳酸嵌段共聚物(poly(styrene)-b-poly(L-lactide) (PS-PLLA))，經由水解除去聚乳酸鏈段後，即可形成具有多孔性的PS塊材，以此塊材為模板，結合奈米反應器的概念，於奈米孔洞中進行溶膠凝膠反應(sol-gel process)，可成功製備具雙連續螺旋體型態之高分子/二氧化矽奈米混成材料(PS/SiO2 nanohybrids)。隨後，經由加熱軟化高分子基材，或鍛燒除去模板，其雙連續螺旋體型態之網狀結構將產生物理性位移(network shifting)，兩個獨立互穿的單連續螺旋結構將彼此靠近、接觸而形成穩固的類-單連續螺旋(SG-like)結構，穿過此結構的光受到「欺騙」而誤以為此為一真正的單螺旋結構！ 光子能隙模擬預測此結構將呈現類似蝴蝶翅膀的光子晶體表。這項研究發展出一新穎的概念，利用物理性的空間錯位，使獨立互穿的三維網狀結構從原先的高對稱型態，轉變成亞對稱型態，而形成新的網狀材料，此過程可發展於其他的雙連續網狀結構，包含雙鑽石以及簡單立方型態結構，結合不同的高分子模化技術，將不同的材料如金屬、陶瓷與高分子填入模板，可得到結構新穎且具不同組成的高規則網狀材料，其特殊的形態與組成將具有不可預期的材料性質。換言之，我們建立了一材料平台來製備具獨特結構與性質的網狀材料，預期將在材料應用領域具有相當大的應用潛力。詳見5月出刊的Advanced Materials, Vol. 26, 3225 (2014)。本研究獲選為該期封面故事。 |