石墨烯是什麼?

Graphene 石墨烯是什麼?

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

石墨烯分子結構

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

週五晚上的實驗

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
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

石墨烯的發現

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

石墨烯物理性質

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

石墨烯生產方式?

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。

了解更多:石墨烯纖維 跨界機能布料?

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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