尖端科技&材料

2025年2月美國總統川普試圖與烏克蘭總統澤倫斯基達成一項戰略協議，藉由對烏克蘭的軍事與經濟支持，換取美國在稀土元素開採上的優先權，這一舉動再次使稀土元素成為全球焦點。稀土元素雖名為「稀土」，但實際上其在地殼中的含量並不稀少，卻因開採困難且環保風險高，需要高科技技術進行開採，且分布高度集中於特定區域，成為全球供應鏈的戰略要點。無論你的政治立場為何，都讓我們一起以科學的角度來認識什麼是稀土元素吧！

在智慧家電與物聯網快速發展的時代，感測器成為無數設備的必備元件，為我們的生活提供智能化支持。然而，在偏遠地區或無法頻繁維護的情況下，傳統感測器的能源需求限制了其應用範圍，像是難以配備電力設備，就算安裝電池也需時常更換。自供能感測器的出現為這一難題帶來解決之道，它透過從光、振動和溫差等環境能量中汲取電力，這種感測器無需依賴電池或外部電源，最新研究更引入「冷啟動」和能量管理技術，滿足高效能與環保的雙重需求，為智慧家居和物聯網設備開啟了更可持續的未來。

近年來，石墨烯 (Graphene) 掀起了一股材料科技的熱潮，這種由碳原子以蜂巢狀排列構成的二維材料，以其驚人的強度、導電性和熱導性，成為眾多科學突破的關鍵，然而，您是否聽說過矽烯 (Silicene)？這是一種由矽原子構成的蜂巢狀二維材料，不僅有著與石墨烯許多相似的物理特性，還因其與現有矽基半導體技術的高度兼容性，以及其高度的柔軟度，被視為次世代電子科技的明日之星！

石墨稀，被譽為「奇蹟材料」不僅擁有優異的導電與導熱性，也擁有極為優異的機械強度，理想的石墨稀在承受巨大外力的時候幾乎不會變形，因此《科學美國》（SCIENTIFIC AMERICA）的報導曾這樣描述：單層的石墨稀可以撐起一頭大象，然而，這樣完美的石墨稀並不容易取得，因此，科學家開始轉向探討石墨稀的斷裂機制，並找到背後的斷裂模型Griffith 理論，藉由此模型，我們可以了解，在不同裂縫存在的情況下，石墨稀的耐受極限為何，如此有望能開始將石墨稀落實在電子工程之中。

石墨烯是一種由碳原子排列成蜂巢狀單層結構的材料，自2004年被成功分離後，由於它優異的物理特性，引起了材料科學的革命，科學家紛紛投入石墨烯的研究，在2024年2月，新加坡國立大學的研究團隊在《自然化學》(Nature Chemistry) 上發表了一項革命性成果，他們透過將石墨烯修飾成蝴蝶形狀，使其同時具有鐵磁性和反鐵磁性，而當中的電子則具有高度的量子自旋糾纏，這一發現被認為是量子科技發展的重大突破，有望成為新一代量子材料的基礎，推動量子計算和通信技術的進步。

金箔是一種極薄的黃金薄片，常用於裝飾甜點以提升奢華感，其厚度約為10-7米。隨著科技進步，材料科學家合成了僅一原子層厚的金箔片，稱為Goldene，這是一種二維材料，又被稱為石墨稀的金黃表兄弟。Goldene是一種半導體材料，能幫助精確控制電流，滿足奈米電子元件需求，而且其巨大的表面積使其成為優異的催化劑，可降低化學反應活化能。瑞典林雪平大學發展出防止Goldene捲曲的方法，但製備過程相當耗時，若要大規模生產仍有難度。未來，隨著製備技術的完善，Goldene將在奈米元件和催化領域發揮更大作用，讓我們一起過上一個真正的「黃金時代」。

奈米材料如何成為奈米科技，關鍵在於奈米圖案化技術，如電子束微影，這技術利用電子束在材料表面製作圖案，可達到奈米級解析度，並可製作奈米級電子元件，另一種技術是透過雷射在材料表面進行加工，然而，這些方法昂貴且複雜。哥倫比亞大學提出一種利用中紅外光與材料共振的新技術，能低成本且高解析度地製作奈米圖案，而這項作法看起來像是在為材料「解開拉鍊」一樣，這樣的方式為奈米科技的發展提供了新的方向。

你知道電子也有高速鐵路嗎？在拓樸絕緣體中，電子雖然不能在絕緣體中移動，但是卻能在這樣的材料表面中，如同在導體上一般移動，正如人們身處在壅擠的月臺上無法移動，但一當搭上月臺兩側的高鐵時，便能高速的行進。這便是著名的物理效應——量子自旋霍爾效應。

隱形戰機是當代戰爭中的強力武器，因它能避開雷達的偵測，進行低空的精準投彈，不少國家投入相當的資金進行其研發。然而，隨著量子科技的發展，以量子糾纏為原理的量子雷達具備有追蹤隱形戰機的潛力，是否隱形戰機在戰場上的傳奇就將被打破？或許投資量子雷達這樣保家衛國的武器，更符合保家衛國的人道做法。

在面試中，當考官問到為何穿著皺巴巴的衣服時，你可能感到尷尬，卻無法以急忙出門忘記燙衣服為理由。這時，一個關於皺摺的故事或許能為你解套。研究指出，對石墨烯而言，皺摺能提升其性能，特別是增加皺褶有助於提高疏水性和電化學反應效能。因此，當面對逆境，不妨展現出皺褶的力量，解釋其在石墨烯中的重要性，或許能為你贏得一個機會！

在疫情流行這幾年間，石墨烯成為了「陰謀論」的主角，雖然它具有很多夢幻的特性，但卻不應該為此背黑鍋。另一方面，石墨烯在過濾病毒上的應用倒是被科學家高度關注，它能夠有效阻絕並破壞細菌，卻可能為人體帶來像石綿一般的風險。不過，石墨稀的過濾特性仍被持續的研究中。隨著氣候異常的現象日益頻發，近年來各地不時傳出缺水的危機，石墨烯被當作海水淡化的重要材料，藉由它奇特的特性能夠高效地將海水轉為飲用水。