新時代的濾網:從病毒到海水都能過濾的石墨烯

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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。

圖1:石墨烯口罩示意圖|來源:Leonardo AI 及 Microsoft Bing AI

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。

圖2:鋒利的石墨烯將病毒切開示意圖|來源:Leonardo AI 及 Microsoft Bing AI

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。

圖3:作為海水淡化的石墨烯過濾器示意圖|來源:Leonardo AI 及 Microsoft Bing AI

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

  1. Graphene: 'Miracle material' singled out for COVID conspiracies by Ana Prieto, Natalia Sanguino In Madrid.
  2. 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.
  3. 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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