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高科技材料专题(一):石墨烯的新功能

石墨稀具有高导热性及高导电性,更是目前电阻最小的材料,而且兼具金属与半导体的性质,再加上石墨烯实质上是一种透明的材料,因此研究人员竞相研究想将原子厚度的碳片应用于透明触控面板、光板、甚至是太阳能电池或其他商业用途上。

说到「碳」,大家会想到什么?烤肉用的木炭?还是闪亮的钻石?其实直到1980年代,传统上认为碳就只有2种理想有序的型态:石墨和钻石。之后,这张碳清单逐渐成长,现在已经有巴克球、奈米碳管、平面石墨烯片和其他等各种型态。

大家熟悉的石墨,是由碳所组成的六边形结构形成的平面,平面间以微弱的凡德瓦力连繫着彼此;钻石则是正八面体晶体。

巴克球(C60)是由五边形和六边形组成的球体,长得很像足球;奈米碳管大部分是由六边形、少数五边形及七边形所组成的直径,为奈米级的多重管状结构。至于本篇主角,石墨烯则是由六边形组成的平面结构,简单的说就是单层石墨,也是目前所知最坚硬以及最薄的材料之一。

这些发现说明了碳可以具有形成多种型态的能力,而这些不同型态的碳,更显示出许多不同于以往石墨或是钻石的神奇性质。石墨稀具有高导热性及高导电性,更是目前电阻最小的材料,而且兼具金属与半导体的性质,再加上石墨烯实质上是一种透明的材料,因此研究人员竞相研究想将原子厚度的碳片应用于透明触控面板、光板、甚至是太阳能电池或其他商业用途上。

2013年,日本名古屋大学的伊丹健一郎教授、美国波士顿学院的史考特教授(Lawrence T. Scott)和其他共同研究人员,又发现了一种未曾报导过的型态的碳─高度缠绕的奈米级石墨烯片。研究团队利用碳-氢活化反应从聚环芳香碳氢碗烯製备出奈米级缠绕型态的结晶。利用X光结晶学和其他分析方法,研究团队发现26环C80H30的产物呈现出具手性的结构,由5个7-成员环和1个5-成员环组成,并且包覆在相对的六角型碳晶格中。独特的结构也显示出其不同以往碳的性质。研究团队目前正在努力,希望最终能够利用这型态独特石墨烯的电子和光学特性,应用并引领光电发展。

然而除了显示出类似金属的性质之外,石墨稀似乎还有应用到光电以外的用途。另外一组研究团队,美国布朗大学的凯恩教授(Agnes B. Kane)、赫特教授( Robert H. Hurt)和高教授(Huajian Gao)等人的研究团队,发现了石墨烯另一种崭新的功用。研究人员观察到,石墨烯片的尖锐角和边缘突出,可以刺穿皮肤、肺和免疫细胞的细胞膜。

研究人员更指出,当奈米刀尖穿刺过细胞膜时,石墨烯片会被完整吸进细胞,并且引发免疫反应或干扰细胞的功能和结构。这代表着石墨烯做成的点状刀片或许可以当成载体将药物送进细胞里。利用萤光和电子显微镜观察石墨烯片的行为,研究人员将实验数据输入电脑,建立出一套模型。然而如同许多奈米材料,石墨烯对人体的毒性尚未确定。凯恩教授期望以实验、配合电脑模拟的方法,可以使石墨烯类材料的应用「在对人类健康及环境影响最小的情况下」蓬勃发展。(本文由国科会补助「新媒体科普传播实作计画」执行团队撰稿/2013年11月)

责任编辑:王名儒|国立中国台湾大学物理学系

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