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【專文】石墨烯:潛力無窮、未來科技的神奇材料

 2017-07-14 14:02
石墨烯被視為可能改變世界、21世紀最有前景的神奇材料,未來人們的日常用品,將更簡便、更耐用、更節能。圖片來源/作者取材自網路
石墨烯被視為可能改變世界、21世紀最有前景的神奇材料,未來人們的日常用品,將更簡便、更耐用、更節能。圖片來源/作者取材自網路

石墨烯(Graphene),到底是什麼東西?或許你連聽都沒聽過,它是一種被視為很可能改變未來世界的神奇材料,由於它可以應用於資訊、能源、航太、運輸、醫療等產業,具有相當大的潛力,各國學術機構以及產業界紛紛投資研發,以期搶下市場大餅。

石墨烯是由碳原子組成,形狀如六角形蜂巢晶格的平面薄膜,僅一個碳原子那麼薄,若把20萬片石墨烯薄膜疊在一起,也只有一根髮絲那麼厚。它是目前世界上已知最薄、最堅硬、電阻率最小的奈米材料(1奈米等於10億分之1米)。同樣1平方米, 石墨烯膜比1張紙輕1,000倍,強度是鋼的200倍,導電性優於銅10倍、高於矽200倍。比橡膠更有彈性,有如皮膚,吸光率僅2%,透明度極高。假如你手上拿一片石墨烯,你會發現它平到無可挑剔,透明又薄如紗,令人驚艷。

這些讓其他材料相形失色的物理特質使得石墨烯別具魅力,前景看好,成為與5G(第5代行動通訊)與AI並列為21世紀熱門的新科技,每年有關石墨烯的論文多達6萬篇,全球不管大企業或小型創投公司都想參一腳。據悉,英特爾、蘋果、IBM、三星、華為、鴻海等大廠,都有意利用石墨烯來創造產品優勢。

以往石墨烯被認為是一種假設性的結構,無法單獨存在,直到2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆(Andre Konstantin Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov),為了證明石墨烯具有導電性與韌性,使用透明膠帶成功的分離出一片單層的石墨烯,因而證實它可以單獨存在,兩人也因為這個發現一同獲得2010年諾貝爾物理獎。

石墨烯是用途極為多樣的材料,它可以跟包括玻璃、金屬的其他元件結合,變成具有超級性能的材料,世界各國的研究人員持續探討石墨烯未來的應用領域,據他們推斷,石墨烯可能應用於下列產品:觸控螢幕如LCD或OLED、電晶體、電腦晶片、能源生成、超級電容器、DNA排序、濾水器、天線、太陽能板以及自旋電子相關(Spintronics-related)的產品。


這是歐盟投資10億歐元, 規劃石墨烯應用的大藍圖,從系統整合、零組件到生產技術,幾乎橫跨各個工業領域,期待2023年開花結果。(圖片來源:作者取材自www.graphene-flagship.eu)

有些人預測,石墨烯未來將篡奪矽的地位,成為積體電路的骨幹,資料處理速度將大躍進,改寫由英特爾合夥創辦人戈登·摩爾(Gordon Moore)所提出的摩爾定律(Moore's Law)。而採用石墨烯的資訊產品也會更輕、更薄、更靈活,人們使用的手機可以摺疊起來,放在口袋裡。但也有專家不認為石墨烯可以取代矽的地位,因為它只是導體,不是半導體,雖然有敏銳的導電率,卻無法阻斷電子流,這就是導體與半導體的差異所在,若要用於電腦處理器,它必須跟其他材料結合,因而削弱了石墨烯的特異功能,威力將不如預期,不過石墨烯處理器仍會強過矽處理器。

石墨烯的誕生將大幅改善電池的效益,採用石墨烯做的鋰電池,將擴充目前鋰電池2到3倍的儲能量,許多研究人員正在實驗用石墨烯或石墨烯複合材料來做電池的電極,如果實驗有成果,未來的電動車、手機和筆記型電腦,只需幾分鐘即可完成充電。

石墨烯材質既輕又韌,可以用來創造下一代的複合材料,讓工程師設計出更輕、更快、更安全的汽車與飛機。未來汽車的鈑金不容易生鏽、更省油,而飛機也不再笨重,不怕閃電,洲際飛行時間縮短,機票可能會比較便宜。

在不久的未來,使用石墨烯墨水印刷的輕型電路,可以嵌入產品包裝、衣服裡,甚至短暫的紋身在皮膚上,這些價廉、效率高的無線電路,可以驅動物聯網(Internet of Things, IoT),有些可充當聰明的電子標籤,傳遞有用的產品資訊到手機上。有些則可作為生命感測器(biosensors),追踪你的健康狀況。

在這種競爭激烈的資本主義社會,無創新就被淘汰的時代,石墨烯也成了行銷的賣點,由於石墨烯超強的導電性,塗抹一點石墨烯,即可強化原有產品的性能,英國有家公司推出可調光的「石墨烯燈泡」,在LED燈外層會塗上石墨烯,可以讓燈泡使用壽命更長,同時可減少10%的能源消耗。也有些廠商作廣告推銷網球拍、雪橇、腳踏車輪胎,號稱其產品是採用石墨烯做成的。有的科學家正在研發以石墨烯來製作假牙,利用石墨烯來淨化水質。石墨烯似乎成了人們爭做發財夢的材料。

Graphenea是一家成立於2010年,專門生產石墨烯賣給學術機構和企業研發部門的西班牙公司,該公司執行長戴拉芬特(de la Fuente)表示,目前那些使用微量石墨烯設計出來的產品,其實並無真正的技術優勢,只是噱頭而已。石墨烯真正可能廣泛應用於商業用途,首推生命感測(biosensing)領域。生命感測器是醫療診斷和藥物發現過程的關鍵組成部分。植入石墨烯晶片的現代生命感測器內可以檢測出最細微的標的分子(targeted molecules),由於石墨烯具有極高的傳導效率,能測量磁場最小的變化,因此,石墨烯是感測器最理想的材料。該公司生產的感測器已經行銷醫療市場,頗受歡迎。

劍橋大學的奈米科技教授安得烈‧費拉利(Andrea Ferrari),對石墨烯應用於生命感測器的趨勢,感到興奮。他指出,完全由碳原子組成的石墨烯,具有高度的生物相容性,植入人的身體不會產生生理惡化或不良的反應,已經有研究人員將感測器覆在牙齒上偵測呼吸,或植入腦裡來預測腦溢血發生率,有的人則正在嚐試為視力障礙的病患做出人工的石墨烯視網膜。費拉利談到的這些石墨烯應用於醫療的新趨勢,對許許多多病患而言,不啻是一大福音。


石墨烯很適合應用於生技產業,採用此材料製成的感測器能監視控葡萄糖、膽固醇、血紅蛋白的水平狀況,並能做抗癌治療,這將幫助醫生更準確的診斷疾病,治療好病人。(圖片來源:作者取材自網路)

曼徹斯特大學指出,石墨烯的發現將對未來的工業產生革命性的影響,從國防工業到一般民生用品,石墨烯均可派上用場,其潛力是人們無法想像的,現在只是起步而已。

劍橋石墨烯中心(Cambridge Graphene Center)是致力於研究石墨烯屬性和商業應用的領先學術機構,身兼該中心主任的費拉利,不久前受訪時表示,如果從材料科學史看石墨烯的發展,它勢必會引發一波科技創新的風潮,包括新產品以及未曾想像過的應用,但要等個幾年,也有可能很多年,人們才會看到這樣的變化。

雖然有不少研究單位和公司嚐試各種方法製造石墨烯,但產量有限,價格昂貴,一毫米厚的石墨烯膜需要300萬層原子。因此,石墨烯大量生產的成本非常高。據2013年Nature雜誌報導,製作1微米尺寸的石墨烯薄片的成本即超過1,000美元。澳洲聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)的研究成員韓兆軍博士指出,石墨烯的製作成本比其他材料貴很多,目前一片直徑10公分的高品質石墨烯膜索價750 美元,實在不便宜。不過,隨著生產技術進步與競爭,價格已逐漸降下來,顯然價格是石墨烯能否普及最關鍵的因素。

石墨烯潛力無窮,大家都看好,爭相投入大筆資金。費拉利認為,石墨烯未來的發展仍面臨許多挑戰,據他研判,石墨烯要廣泛應用於工業界,至少要10年到15年。至於石墨烯會如何發展?能否大放異彩?誰也不知道,說不定到頭來美夢一場,但是他始終對石墨烯的前景抱持樂觀的態度,畢竟科技的進展速度往往超乎人們的想像。

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