新時代的濾網：從病毒到海水都能過濾的石墨烯
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。
撰文｜黃鼎鈞
百年大疫中的石墨烯陰謀論
石墨烯被稱為「奇蹟材料」，僅有一原子層的厚度，卻擁有比鋼鐵高兩百倍的強度，同時具有優越的彈性、導電性，以及優於銅的導熱性，還有高度的生物相容性。因此，石墨烯被廣泛認為是一種「黑科技」，並且在多個領域中備受期待，包括電子設備、衛星科技、飛機和汽車製造、綠色電池技術的替代品，以及基因或分子治療的載具。然而，目前關於石墨烯的特性和應用仍然處於研究階段。
由於這些夢幻的特性，媒體有時會過度渲染石墨烯，使其在科技界產生了一些「陰謀論」。在過去幾年COVID-19大流行期間，科學家們不遺餘力地研發疫苗，然而，有不肖之徒在網路上散布關於疫苗中含有石墨烯的假消息，他們聲稱政府將透過5G網路信號來追蹤石墨烯的磁訊號，以實現對人類行蹤的監控和控制。事實上，世界衛生組織並未批准任何含有石墨烯成分的疫苗，而且石墨烯本身並不具備磁性，亦無法與5G信號發生任何互動。此外，石墨烯也不會對人類的神經系統產生任不良影響。或許每一個人對疫苗施打有不同的考量，但針對疫苗含有石墨烯的陰謀論倒是不必擔心。
那麼，奇蹟材料石墨烯能夠防疫嗎？
針對病毒及細菌的傳播，石墨烯更多被關注在用於製作口罩。口罩本質上就是一種濾網，當濾網的孔徑變得更小時，它就能夠更有效地阻止各種微小物質通過，而石墨烯蜂巢狀結構中的晶格間距僅有0.246 nm，相較於病毒（大小約120 nm）和細菌（大小約1 μm）顯然更小，可以有效過濾病菌。不僅如此，對於微觀世界中的病菌，石墨烯彷彿是一把「利刃」，能夠機械性地破壞病毒。同時，石墨烯帶有高度活躍的電子，這使得它具有高導電率，這些活動電子產生的靜電能夠捕捉病毒及細菌，並促使它們產生氧的自由基，從而損害病菌的新陳代謝，進而喪失活性。儘管石墨烯作為口罩有這些優勢，科學家也注意到石墨烯用於口罩「可能」帶來的負面影響。
我們先轉移一下目光到常見的建築材料──「石綿」，它過去被廣泛認為是最佳的建築材料之一，因為它具有耐高溫、耐酸鹼、抗腐蝕、耐磨以及絕緣等特性。然而，由於石綿纖維非常細小，直徑僅約50奈米，這些粉塵被吸入人體後會長時間累積，難以排除，進而引發疾病。因此，石綿在1987年被國際癌症研究總署列為第一級致癌物質。那麼，相對於石綿更小的石墨烯被吸入人體後是否會產生類似的影響呢？目前相關研究的結論是：「吸入少量石墨烯不會對健康造成明顯損害，但大量吸入可能存在風險。」這些潛在的風險使石墨烯在口罩上的應用顯得「弊大於利」。然而，這並不代表石墨烯就無法應用於過濾技術。
正在研究的海水過濾科技
我們常以「親水性」和「疏水性」來描述物質與水之間相互作用的性質。親水性物質具有吸引水分子的特性，可以與水密切互動，例如棉布。相對地，疏水性是指一種物質排斥水，其與水的互動相對較弱，水無法有效地附著在其上，這就像塑膠一樣。那麼，石墨烯是屬於親水性還是疏水性呢？石墨烯並不是非黑即白的。石墨烯的表面是親水性的，但當石墨烯吸附了水中的物質時，像是海水中常見的金屬鹽類及有機化合物，這些成分便會將石墨稀的表面神奇地轉變為疏水性的特性。因此，研究人員在石墨烯上以原子轟擊打開一個奈米級孔洞時，水中的溶解物不只大小上無法通過其孔洞，還會被吸附在孔洞之外的表面。由於石墨烯吸附物質後產生的疏水性，表面將水分子外推至孔洞，產生一股壓力使水分子像火車般一列一列地通過「隧道」，進而達到高效地過濾。因此，石墨烯也被科學家期待成為淡化海水的明日之星。雖然目前要製造出均勻的奈米孔洞，並大規模應用石墨烯仍然具有相當高的成本，但這種過濾機制為我們提供了探索淡化海水的新途徑。
石墨烯的出現使許多科幻片中才有的科技不再只是想像，而是能真正落實在生活當中的應用。人們對於新穎材料感到興奮之時，也常有不肖之人以此為名來煽動人群，我們應該小心求證。當然，我們也滿心期待科學家們對於石墨烯有更多的研究，並且能降低生產成本，有效地被使用在科技生活當中，不僅使我們有更加便利的生活，同時能永續經營地球的資源。
參考資料
- Graphene: 'Miracle material' singled out for COVID conspiracies by Ana Prieto, Natalia Sanguino In Madrid.
- Chaudhary, S. K., Chaudhary, N., Chaudhary, R., & Chaudhary, N. K. (2022). Review on benefits, toxicity, challenges, and future of graphene-based face masks in the prevention of COVID-19 pandemic. PeerJ Materials Science, 4, e20.
- Schmidt, S. J., Dou, W., & Sydlik, S. A. (2023). Regeneratable Graphene-Based water filters for heavy metal removal at home. ACS ES&T Water, 3(8), 2179–2185.
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