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神奇的石墨烯海綿

石墨是由碳原子排列成六角形蜂巢狀的平面薄膜層層堆疊而成,層與層之間藉由凡得瓦力吸引。科學家早就好奇:是否可以打破層與層之間的凡得瓦力,得到單層的蜂巢狀結構呢?
 
 
 
石墨是由碳原子排列成六角形蜂巢狀的平面薄膜層層堆疊而成,層與層之間藉由凡得瓦力吸引。科學家早就好奇:是否可以打破層與層之間的凡得瓦力,得到單層的蜂巢狀結構呢?由於低維度結晶體熱擾動的考量,科學家原本認定這種單層的石墨結構只存在於理想中,無法實際存在於真實世界。但2004年,杰姆(Andre Konstantin Geim)與諾沃謝洛夫(Konstantin Novoselov)利用膠帶黏著剝離的方法,逐次薄化石墨片而得到單層的結構,也就是理想單層碳原子排成六角蜂巢狀的「石墨烯」,厚度僅0.34奈米。

單層的石墨烯是全世界最薄也是最堅硬的奈米材料,透光性達97.7%,導熱係數比奈米碳管和金剛石都好,常溫下有很高的電子遷移率,而電阻率比銅與銀都低。由於優越的電性,石墨烯有可能取代目前的矽材料,成為製作新世代場效電晶體的主要材料。最早製備出石墨烯的兩位學者也因此得到2010年諾貝爾物理獎,並為學術界及工業界帶來一股新興的研究風潮。

目前科學家提出多種製備石墨烯的方法,而石墨烯也不限於單層的六角蜂巢狀平面薄膜。基本上只要能讓層數減到10層以內,表現出石墨烯獨特的性質,就依照層數多寡,分別稱為單層石墨烯、雙層石墨烯與多層石墨烯。

清華大學材料科學工程系戴念華教授原本就從事奈米碳管的研究,而把單層的奈米碳管剖開就可得到單層的石墨烯,因此當石墨烯的研究興起時,他也轉而探討這種新興材料的特性,以及在工業界的可能應用。戴教授從文獻上注意到奈米碳管有疏水親油的特徵,這在石墨烯上也存在嗎?

經過測試,發現當材料表面塗上石墨烯後,果然有疏水親油的特徵。戴教授認為這是由於石墨烯的表面上有許多特殊的微米與奈米尺度結構的凸出物,讓水滴在塗布面上有比較小的接觸面積。石墨烯疏水的特性讓水在其表面上不容易散布開來而凝成球狀,這就是一般熟知的蓮葉效應。

為了印證石墨烯疏水親油的特性,戴教授把市售的一般海綿浸入含有石墨烯的溶液中,把海綿烘乾後,原本的骨架上會附著許多石墨烯,因而把吸油也吸水的海綿,轉變為吸油不吸水的特殊海綿。當這種特殊海綿靠近水面上的油漬時,瞬間就把油漬吸走。除了吸油不吸水的特性外,這種海綿也可吸收在水中呈兩相分離的有機溶劑。

經過這樣特殊處理的海綿具疏水性,不會吸水,吸入的液體以油類或有機溶劑為主,吸入的油類或有機溶劑可以很容易回收使用或分離。

這種特殊海綿可以吸收自身重量幾十倍到上百倍的油或有機溶劑,戴教授覺得可以用來清除海面上的浮油,對環境保護有實質的幫助。而這種吸油海綿可以重複使用嗎?在把海綿擰乾擠出油時,塗布的石墨烯也會脫離海綿骨架,造成海綿疏水親油特性的劣化。因此,戴教授在石墨烯表面塗布一層聚二甲基矽氧烷矽膠,把塗布的石墨烯固定在海綿骨架上,海綿擰乾時石墨烯不會隨油流出,就可重複使用了。
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