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化學系王素蘭教授研究團隊研究成果獲著名期刊「科學」雜誌刊登【2013.03.01秘書處】

 化學系教授王素蘭所帶領的研究團隊有關晶型奈米孔洞材料的突破性研究成果「Crystalline Inorganic Frameworks with 56-Ring, 64-Ring and 72-Ring Channels」,2月15日發表於「科學(Science)」雜誌,此項研究成果,不僅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,王教授的實驗室也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。2月26日陳力俊校長也率領研究團隊於在國科會召開記者會。

王教授表示,天然界存在如沸石等孔洞物質,其結構內部有0.3至0.7nm (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。1940年代起,科學家始能夠在實驗室中合成矽酸鹽沸石結構,使用X光繞射技術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0.7nm逐漸擴張到1.3nm,屬於微孔範圍(0.3-2.0nm)。到1990年代,科學家發現了通道孔徑超過2nm的介孔(範圍2-50nm)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。王教授指出,對物質科學家來說,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。

王教授的研究團隊經過多年來努力,取得一個有效的系統合成,可連續產生超大孔道的無機骨架,具有孔洞性孔徑範圍在0.7至3.5nm之間,橫跨了微孔材料和進入中孔孔洞的範疇。這個系統孔洞環數大小有24環、28環、40環、48環、56環、64環和72環,大大突破目前學術界僅發展到30環的紀錄,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0.7nm到達3.5nm,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,此項研究結果,在學術上有高度的創新意義與貢獻。

王教授說,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。

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