奈米材料-鄧茂華博士
奈米材料展望研討會摘要
石墨包裹金屬奈米晶粒材料
GraphiteEncapsulatedMetal(GEM)Nanocrystals
主要介紹
國立台灣大學地質學系鄧茂華(Mao-HuaTeng)
1.GEM奈米晶粒簡介
石墨包裹金屬(以下簡稱為GEM)奈米晶粒（圖一）是種顆粒粒徑在10至50nm（少數達100nm以上）的球狀複合材料。每一顆都是由內核晶粒與石墨外殼所組成，其內核為金屬（鐵、鈷、鎳等）或金屬碳化物，包覆其外的外殼則為數層至數十層厚的石墨（每層距離0.34nm）。
一般金屬奈米晶粒雖然具有特殊的性質，但很容易在製造與使用時受到外在環境影響而產生變化（如氧化反應、水合反應等），因而失去原有的特性。GEM奈米晶粒中的金屬核心則因為被外覆的石墨層保護，所以具有抵抗惡劣環境的能力，即使將其放置於強酸（如鹽酸、硝酸、王水）中長達一年，其性質也沒有顯著的變化。
2.GEM奈米晶粒的發現與製造
在數年前C60被發現的研究熱潮中，一些研究者想了許多辦法要把金屬原子放置於C60結構所形成的「籠子」之中。他們採用在碳電極中塞入金屬粉末的碳-碳電弧法，利用電弧的高熱使碳與金屬同時蒸發並在惰性氣體中凝結；結果意外的在實驗產物中發現極為少量的GEM奈米晶粒1,2。但因為產量實在太少（可能要以百粒來計算），連許多基礎的科學研究都無法進行。
直到發展出新的製程，採用改良後的鎢電弧法與石墨坩堝，增加金屬對碳的比例後，才能製造出較大量（數百毫克，約1015粒數量級以上）的GEM材料3,4。
其生成的機制非常複雜，至今仍無法以簡單的模型來說明。從許多實驗的結果來分析5-17，週期表中的多種元素中，有少數只能以純元素型態被石墨包裹（如：Ge,Au），許多只能以碳化物型態被包裹（如：B,Mg,Sc），有些能以兩種型態被包裹（如：Fe,Co,Ni,Cu），也有一些根本不能被包裹（如：Al,Si,Ti）。
假說
雖然前人提出數個假說，但均不能完全解釋實驗的結果。目前最好的解釋是「二步驟機制」，將產生GEM奈米晶粒的過程分成第一階段的「相分離」與第二階段的「石墨催化」兩個機制，可以解釋大部份的實驗結果。
