2018年7月31日

塗料科學裡的堅韌因子

陳俊翔/臺灣科技大學化學工程學系碩士班。
由臺灣科技大學化學工程學系副教授江偉宏審訂。

地球上有許多以碳為主要元素所形成的同素異形體,這些同素異形體都可透過「石墨烯(graphene)」層層堆疊、剪切並加以組成,如零維的碳六十(C60)、一維的奈米碳管、二維的石墨烯及三維的石墨等,而這些同素異形體也已經在實驗與理論上被廣泛的研究。然而,除了學術研究外,石墨烯的真實應用端範圍非常廣泛,從電子產品到生物醫學,甚至航太裝置都可以用石墨烯當作原料。其中,最常拿來應用的領域為電子設備方面,尤其適用於訊號頻率較高的高頻電路,舉凡電腦、手機和穿戴裝置等都屬此類範疇。

歷史回溯
早在1974年,理論學家瓦拉斯(P.R.Wallace)就曾利用緊束模型(tight-binding model)研究石墨烯的電子特性。石墨烯是一種由碳原子以六角形成蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列構成的單層二維晶體平面結構,這種結構過去一直被認為是無法單獨穩定地存在的「假性結構」。

直到2004年,英國曼特斯大學物理學家海姆(Andre Geim)和諾沃肖洛夫(Konsantin Novoselov)在實驗室中使用十分簡單的工具──透明膠帶和高純度石墨,利用力學剝離的方式把石墨分離成小碎片,並從碎片中剝離出較薄的石墨薄片,然後用膠帶黏住薄片兩側、撕開膠帶,薄片就隨之一分為二,不斷重複這個過程後便得到單層碳原子的石墨烯,進而證實其可單獨穩定存在,同時該實驗也讓兩位科學家共同獲得2010年諾貝爾獎。

至此,除了揭開石墨烯這項新奇材料的神秘面紗,大眾也開始全心全意地投入在石墨烯的應用研究上。

圖一:碳材中各種同素異形體與其發現者。

不過就是一層碳,有差嗎?
為何石墨烯這麼特別?這是因為石墨烯穩定的晶格結構,使石墨烯具有優秀的導電性。而良好的導電性是因為石墨烯的電子在軌道中移動時,不會因為外來原子或是結構缺陷發生散射,又因為原子之間的作用力非常強非常穩定,所以在常溫下,即便受到外在碰撞或是破壞,石墨烯中的電子也不會有太大的變動。

在導熱性質方面,因為石墨烯的碳原子是六角形晶格整齊排列(類似蜜蜂的峰窩),所以結構非常穩定,確切的導熱係數為5300W∕(m.k),比銅大10倍,比鋁大25倍,也高於奈米碳管,是相當不錯的導熱材料。

在機械性質方面,有人可能覺得鑽石很硬,然令人意想不到的是石墨烯竟比鑽石還硬,硬度甚至比鋼鐵還高100倍,也可以承受相當大的拉伸強度(高達130千兆帕)。石墨烯除了特別堅固,質量也非常輕,每平方米只有0.77毫克。

此外,石墨烯還具有良好的韌性,因各個碳原子間的鏈結作用,當施加外部機械力時,碳原子之間結構就會改變,因此不需要重新排列來適應外力,也就保持了結構的穩定,使其能夠在遭受應力後保持其原有尺寸。

然而,這些厲害的機械特性僅為「不含任何缺陷」的石墨烯理論預測,大家目前都希望做出這完美的石墨烯,這也衍生出多種生產石墨烯的方法,在文章的最後,我將會介紹幾個常見合成石墨烯的方法。

塗料中的石墨烯
當石墨烯成為金屬元件的外衣
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