皺巴巴的石墨烯

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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,皺褶能提升其性能,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!

撰文|黃鼎鈞

在一個面試的場合中,考官詢問:「你為什麼穿著皺巴巴的衣服來呢?」這時,你心想:「糟糕了!出門太匆忙,忘記燙衣服了。」當然,同時你知道這不成理由,甚至讓考官認為自己沒有充分準備,那麼,你該怎麼辦呢?這裡讓我來跟你分享一個有關皺褶故事,對石墨烯來說,皺褶能夠提升它的能力,某層面來說,石墨烯若有更多的皺褶,它的能力越強。

圖1:忘記趟襯衫就出門參加面試,被主考官詢問,因而感到緊張|來源:Microsoft Bing AI
皺褶對石墨烯的影響

石墨烯是一種僅包含單一碳原子層的二維材料,具有極度平坦的表面。當石墨烯表面產生皺褶時,便能賦予其超高的疏水性,即對水的抵抗能力。在生活中,我們熟知雨衣便採用類似的疏水材質,讓水以水珠形式滾落,避免滲透至衣物內部。

皺褶改變石墨烯的表面結構,進而影響其電荷分佈。這種改變使得石墨烯表面更能與水分子中的偶極矩發生顯著的互動,降低水分子對石墨烯的吸引力。此外,表面的粗糙度也會增加接觸角,使水滴在皺褶的石墨烯上可達到160度的接觸角,屬於超疏水性,而一般疏水性物質的接觸角則為90~120度。

更值得注意的是,皺褶的石墨烯不僅在疏水性上有優勢,還能成為電化學反應中的理想電極。隨著皺褶的增加,石墨烯在電化學中的氧化還原能力提升,進而造成更大的電動勢,也就是能造成更大的電壓差,提高電子的傳輸效率,比起平坦的石墨烯有400%的提升。此外,氧化還原能力的提升還能增強物質的抗腐蝕性。若能將皺褶石墨烯應用於易受腐蝕的材料表面,將能有效防止材料的腐蝕。

由於石墨烯是近乎透明且極輕盈的材料,覆蓋在物質表面幾乎不會影響其光澤。未來的進一步研發與應用或許能將皺褶石墨烯廣泛應用於文物保存等領域!

圖2:若是水滴與表面接觸角小於90度,則為親水性;若接觸角介於90到120度間則為疏水性。皺褶石墨烯與水珠之間的接觸角可以達160度,屬於超疏水性|來源:作者提供

 

如何使石墨烯產生皺褶?

使石墨烯產生皺褶的方法並非類似於我們揉成紙球或褶皺不規則的襯衫那樣。如前文所述,皺褶的程度將對石墨烯產生不同的影響,而如果同一片石墨烯上的皺褶程度不均勻,我們就難以以量化的方式瞭解皺褶對石墨烯的具體影響。那麼,我們該如何使石墨烯均勻地產生皺褶呢?其實方法相當簡單,就是透過「熱縮片」。

在日常生活中,很多人透過熱縮片製作小飾品,方法是先在熱縮片上繪製圖案,然後透過熱風槍加熱使其收縮,圖案也會隨之縮小成可愛的小吊飾。同樣的方法,我們可以將石墨烯轉印到熱縮片上,透過加熱使石墨烯均勻地收縮。然而,這裡需要強調的是,石墨烯佔據的面積不會憑空消失,原本平坦的石墨烯將轉變為充滿均勻皺褶的石墨烯。

此外,我們還可以重複這個步驟來增加皺褶的程度。從疏水性和電化學的角度來看,皺褶越多,疏水性能力越強,且擁有更大的電容能力。這使得石墨烯作為電池中的電極能夠產生更大的電動勢,進一步提高電子的傳輸效率。

圖3:熱縮片示意圖。在熱縮片上畫上圖案,再藉由熱風槍使其縮小,可以製作成吊飾|來源:Microsoft Bing AI

 

在石墨烯的世界,3 × 4不等於4 × 3

從最直觀的角度來看,當熱縮片被加熱時,整個表面積均勻地縮小,然而這樣的現象當然無法滿足科學家們的好奇心。布朗大學工學院的Ian Wong博士領導的研究團隊進一步探索,嘗試分別從縱軸和橫軸進行縮小,竟然發現可以產生與先前不同的皺褶效果,同時還具有不同的疏水性和電化學性質。因此,科學家們展開了針對不同微縮方向的研究。

從數學的角度來看,3 × 4等於4 × 3,它們都等於12,然而在產生皺褶的過程中,3 × 4和4 × 3卻會產生不同的結果。這樣的發現使我們能夠深入探索更多皺褶石墨烯的可能性,並尋找最適切的物理特性,進一步優化皺褶石墨烯的應用。

 

圖4:(a)全面積同時均勻地微縮,(b)上圖先進行縱向的微縮,再進行下圖所示的橫向微縮,以不同的順序方向來進行微縮會造成皺褶石墨烯|來源:作者提供

目前關於皺褶石墨烯的應用仍在探索的階段,不只有疏水性及電化學能力,還有像是皺褶對於導熱性、導電性及其應力的影響,讓我們期待科學家對於石墨烯更多豐富的探索,當我們能夠對其特性有更多的掌握,並且有效降低其生產成品時,將會為電子產品微縮帶來全面的革新。

回到一開始的問題,若我們不小心忘記燙平襯衫,穿著皺巴巴的衣服面試時要怎麼辦?或許可以向考官解釋,皺褶是我的超能力,它賦予我強大的疏水性,無論颳風下雨我都能毫不受擾地來上班。而且,這些皺褶還賦予我超強的電容,就像一個勁量電池一樣,讓我的工作能源充沛且高效!

 


參考文獻

  1. Chen, P., Sodhi, J., Qiu, Y., Valentin, T., Steinberg, R. S., Wang, Z., Hurt, R. H., & Wong, I. Y. (2016). Multiscale graphene topographies programmed by sequential mechanical deformation. Advanced Materials, 28(18), 3564–3571.
  2. Kumar, S., Bashir, S., Ramesh, K., & Ramesh, S. (2022). A comprehensive review: Super hydrophobic graphene nanocomposite coatings for underwater and wet applications to enhance corrosion resistance. FlatChem, 31, 100326.

 


延伸閱讀:《新時代的濾網:從病毒到海水都能過濾的石墨烯》《石墨烯與它的好朋友——六角硼氮》、《市面上的石墨烯產品,真的有那麼厲害嗎?》、《轉角電子學:超導與絕緣自由切換的轉扭

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