石墨烯

石墨烯（Graphene）這個名字來源於石墨(Graphite)和-ene（烯類結尾）
是由碳原子( C )所組成的六角型蜂巢狀的平面
過往它被認為只是一種理想的狀態，無法單獨穩定的存在
直到2004年由英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆(Andre Geim)和他的學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)
在實驗中從石墨身上分離出石墨烯，證明它可以單獨存在
兩個人也因此獲得2010年諾貝爾物理學獎
而石墨烯的發現，也充滿了傳奇色彩
一個週五的晚上

註：石墨烯分子結構

週五晚上的實驗

安德烈·蓋姆會在週五的晚上拋開日常研究
嘗試一些與日常工作無關的有趣實驗科學
例如有次在研究超導磁鐵，突發奇想如果將東西丟進強力磁場當中會發生什麼事?
於是他嘗試將水滴滴入，結果水滴抗磁性竟然大過重力，因此而飄浮空中
之後更將一連串的商品投入，最後甚至丟進去一隻青蛙
而這個漂浮青娃，更讓他獲得2000年諾貝爾獎，不過是搞笑諾貝爾獎
10年後他則真正獲得諾貝爾物理學獎
也是史上第一個獲得諾貝爾獎和搞笑諾貝爾獎的雙料得主

石墨烯的發現，也是來自週五的晚上實驗
當時正在嘗試將石墨打磨到極致
但拋光機研磨到極致仍然還有10 微米左右，還是太厚了
實驗室另一個研究員看到他們在打磨石墨
想到自己做實驗時，會用膠帶黏起石墨的表層
當作顯微鏡的參考樣本
就拿起一片黏著石墨的膠帶給安德烈·蓋姆
詢問他們有沒有幫助
將膠帶上的石墨放到顯微鏡下一看
果然比之前用拋光機研磨的還要薄很多
那時候靈光一閃
如果這時候再用膠帶幫忙剝離呢?
於是安德烈·蓋姆和他的學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫
將膠帶上石墨烯，再用新的膠帶把它黏下來
果然獲得更薄的石墨烯
就這樣不斷重複，最終獲得曾經以為是理論狀態的二維結構石墨烯
將石墨烯拿去測試它的物理性質
結果有著驚人發現

註：2010諾貝爾物理獎得主蓋姆和諾沃肖洛夫捐贈給諾貝爾博物館的紀念

石墨烯的物理性質

• 最高的熱導率，導熱係數可達5300W/mK。導熱效果是金屬的數十倍以上
• 最快的電子傳輸速率，(>106 cm2 V-1 S-1)，電阻率甚至比銀還低。看好能應用在晶片、電池相關高科技產業
• 高透光性，僅吸收 2.3% 可見光，能應用在精細觀察的設備當中
• 最堅固的材料，極限拉伸強度可達130,000,000,000帕斯卡，是鋼鐵的325倍。1mm厚度的石墨烯，就可以舉起一頭大象。科幻中的宇宙電梯，變得不再遙不可及
  石墨烯的出現，大大打破了現有材料科學上限
  被認為是劃時代的材料，就像過去有石器、青銅、鋼鐵時代，未來被看好是石墨烯時代
  但如何規模生產石墨烯卻成了難題

目前石墨烯生產方式

目前有很多種工藝能產生石墨烯，目前主要分為三大類

1. 機器方式，如透過高精密機械剝離、或是特定石墨烯比例溶液，透過超聲波震盪產生石墨烯薄膜
2. 從碳的同素異形體分裂，如:切割、蝕刻奈米碳管、以及將同樣由碳原子製成的富勒烯，用超音速度撞擊基板
3. 化學方式，例如:氧化石墨烯還原、化學氣相沉積、有機合成法、外延生長、電化學、電弧法…等等

常見石墨烯形式

單層石墨烯-最初的石墨烯
雙層石墨烯-運用在光電、奈米電子科技中
石墨烯超晶格-用於設計納米電子和光子器件
氧化石墨烯-用於製備堅固的紙狀材料、膜、薄膜和復合材料。
3D 石墨烯-在能源存儲、過濾、熱管理以及生物醫學設備植入都有應用
石墨烯氣凝膠-具有優越的彈性和吸收性。它可以在壓縮超過 90% 後完全恢復，並以每秒 68.8 克的速度吸收高達其重量 900 倍的油
石墨烯纖維-將石墨烯粉體溶入纖維當中，具有石墨烯快速導熱昇溫特性。

石墨烯的應用

醫療科學

石墨烯的特性可以應用在組織工程、核磁共振造影劑、生物成像、醫療診斷設備、藥物釋放、血糖測試、生物傳感器

電子儀器

石墨烯具有高速的電子移動率，以及低雜訊。適合作為電晶體內的通道

光學設備

高透光性的石墨烯，可以運用在紅外光線檢測、光電探測器、紫外線鏡片

電池儲存

石墨烯具有高表面積對質量比例，因此儲存能量密度能大大超過現有的電池
還可以優化太陽能電池的效率。另外使用石墨烯輔助的鋰離子電池，耐熱性更高，壽命也是傳統的兩倍

傳輸導線

石墨烯的高導電性和導熱性、機械強度和耐腐蝕性，被看好是一種潛在的應用是高功率能量傳輸載體
尤其被看好用於電子設備和電動汽車應用上

傳感機器

生物傳感器、壓力傳感器、磁性傳感器，都能看到石墨烯身影
甚至是運動穿戴設備，用來測呼吸、心率、脈搏。
在:化學傳感器、氣體傳感器、生物傳感器、輻射傳感器、紅外 (IR) 傳感器、光學傳感器

環境保護

石墨烯過濾器擁有很大的吸附能力，雜質能輕鬆吸附到石墨烯的表面
可運用在海水淡化、水質淨化

其他運用

例如藝術品保存:將石墨烯薄膜覆蓋在繪畫上，能保持顏色不掉落
或是航太科技中的除冰技術，能更有效率的去除葉片上的冰層
化學反應中的催化劑、冷卻液添加劑、納米天線、物理潤滑、無線電波吸收、隔音塗層、防水塗料…等等
有了石墨烯加入，都能讓性能大幅提升

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