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高科技材料專題(一):石墨烯的新功能

103/04/08 瀏覽次數 15197
說到「碳」,大家會想到什麼?烤肉用的木炭?還是閃亮的鑽石?其實直到1980年代,傳統上認為碳就只有2種理想有序的型態:石墨和鑽石。之後,這張碳清單逐漸成長,現在已經有巴克球、奈米碳管、平面石墨烯片和其他等各種型態。

大家熟悉的石墨,是由碳所組成的六邊形結構形成的平面,平面間以微弱的凡德瓦力連繫著彼此;鑽石則是正八面體晶體。

巴克球(C60)是由五邊形和六邊形組成的球體,長得很像足球;奈米碳管大部分是由六邊形、少數五邊形及七邊形所組成的直徑,為奈米級的多重管狀結構。至於本篇主角,石墨烯則是由六邊形組成的平面結構,簡單的說就是單層石墨,也是目前所知最堅硬以及最薄的材料之一。

這些發現說明了碳可以具有形成多種型態的能力,而這些不同型態的碳,更顯示出許多不同於以往石墨或是鑽石的神奇性質。石墨稀具有高導熱性及高導電性,更是目前電阻最小的材料,而且兼具金屬與半導體的性質,再加上石墨烯實質上是一種透明的材料,因此研究人員競相研究想將原子厚度的碳片應用於透明觸控面板、光板、甚至是太陽能電池或其他商業用途上。

2013年,日本名古屋大學的伊丹健一郎教授、美國波士頓學院的史考特教授(Lawrence T. Scott)和其他共同研究人員,又發現了一種未曾報導過的型態的碳─高度纏繞的奈米級石墨烯片。研究團隊利用碳-氫活化反應從聚環芳香碳氫碗烯製備出奈米級纏繞型態的結晶。利用X光結晶學和其他分析方法,研究團隊發現26環C80H30的產物呈現出具手性的結構,由5個7-成員環和1個5-成員環組成,並且包覆在相對的六角型碳晶格中。獨特的結構也顯示出其不同以往碳的性質。研究團隊目前正在努力,希望最終能夠利用這型態獨特石墨烯的電子和光學特性,應用並引領光電發展。
 
然而除了顯示出類似金屬的性質之外,石墨稀似乎還有應用到光電以外的用途。另外一組研究團隊,美國布朗大學的凱恩教授(Agnes B. Kane)、赫特教授( Robert H. Hurt)和高教授(Huajian Gao)等人的研究團隊,發現了石墨烯另一種嶄新的功用。研究人員觀察到,石墨烯片的尖銳角和邊緣突出,可以刺穿皮膚、肺和免疫細胞的細胞膜。

研究人員更指出,當奈米刀尖穿刺過細胞膜時,石墨烯片會被完整吸進細胞,並且引發免疫反應或干擾細胞的功能和結構。這代表著石墨烯做成的點狀刀片或許可以當成載體將藥物送進細胞裡。利用螢光和電子顯微鏡觀察石墨烯片的行為,研究人員將實驗數據輸入電腦,建立出一套模型。然而如同許多奈米材料,石墨烯對人體的毒性尚未確定。凱恩教授期望以實驗、配合電腦模擬的方法,可以使石墨烯類材料的應用「在對人類健康及環境影響最小的情況下」蓬勃發展。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿/2013年11月)
 
責任編輯:王名儒|國立臺灣大學物理學系
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