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奈米科技的新興產業─石墨烯

102/09/13 22237

黃承揚｜英商牛津儀器

國內每年約有600人罹患惡性腦瘤，平均存活期只有1年，且目前並無有效的治療方法；不過，林口長庚醫院腦瘤研究團隊，利用奈米石墨烯(graphene)做為化療藥物載體，並在磁場導引下，可直達治療目標，同時治療深度比傳統技術深至10倍以上，局部藥物濃度提升20倍，這讓不易治癒的惡性腦瘤患者有了重獲新生的機會，也為治療腦瘤開啟新頁！長庚醫院此項聚焦超音波與石墨烯奈米粒子研究，已在2013年7月發表於材料學界頂尖期刊《AdvancedMaterials》，並在2013年8月時由各新聞媒體廣泛報導。

石墨烯是近幾年正夯的奈米產業，其優異的導電、導熱，與機械硬度等特性，被應用於觸控螢幕、行動裝置，與半導體高科技產業，現在更跨足生醫領域，可說是奈米科技的明日之星。

石墨烯檢別名單層石墨，是目前世上最薄也是最堅硬的奈米材料:接近透明(穿透率~98%)、導熱係數高達5300W/m·K、常溫下電子遷移率超過15000cm2/V·s、電阻率~10-6 Ω·cm，比銀更低，硬度略低於鑽石。種種優異的特性被科學家賦予高度肯定，近五年針對石墨烯已設計出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。多家高科技公司也爭相提出石墨烯的專利，希望佈局此一殺手級產品的應用，為商業利益占領一重要灘頭堡。截至2013年5月為止，全球已發表及已提出申請的石墨烯專利案件多達9218件；過去5年來，石墨烯專利申請案件量已增加3倍以上。

2013年長庚醫院腦瘤研究團隊更將石墨烯推往生醫癌症治療上之應用，並獲得卓越成就，在長庚腦瘤外科主任魏國珍帶領下，發展出磁性石墨烯奈米粒子作為產熱媒介，利用超音波產生震盪在腦瘤患部進行熱治療，同時石墨烯也是良好的載體，藉磁場調控遙控藥物運送到病灶處，此一突破性發明可說是癌症患者的一大福音。然而目前所說的種種優異特性與廣泛應用，卻碰上最大的難題!如何大量生產僅為1.42Å厚度蜂巢結構的奈米石墨烯？

2004年，英國曼徹斯特大學A. K. Geim教授研究團隊利用簡單的3M透明膠帶剝離方法，黏貼石墨薄片多次，終於獲得單層的石墨烯，證實石墨烯的真實存在。Andre K. Geim教授在6年內玩出史上最薄的材料-石墨烯，也玩出了諾貝爾獎。在實驗室可以利用膠帶剝離法製造出石墨烯，但是如何大量生產與製造卻還是一個大問號！

目前石墨烯薄膜價格高達每平方英寸60美元，要推向商業化應用，是不可能如實驗室一般用膠帶剝離出大面積片狀的石墨烯。截至目前所知，最有可能量產的方式是用化學氣相沉積法(Chemical vapor deposition，簡稱CVD)，於高溫環境下(超過1100°C)將碳氫化合物氣體通入石墨，在過渡金屬為催化劑的情況下，使碳原子熱裂解並沉積在金屬表面上。

所謂「量產」的石墨烯仍是以公分計算，無法滿足大量商業應用所需；與現在動輒12~18吋之矽晶半導體相比，生產石墨烯還有一段很長的路要走。科學研究的焦點是在開啟石墨烯一系列的新應用，要真正步入商業普及或是應用在人體腦瘤療程還需要10年時間的發展，但它令人驚艷的特性，仍是奈米產業的明日之星；未來材料的新風潮必定是石墨烯。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿）

責任編輯：楊谷洋｜國立交通大學電機工程學系暨科技與社會中心智庫研究團隊

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