遇見科學

你相信嗎？用日常隨手可得的膠帶，就可製造出目前世界最薄的奈米材料「石墨烯」（graphene）。這個2004年發表的研究結果，讓蓋姆（Andre Geim）與諾伏西羅夫（Konstantin Novoselov）這對專攻奈米技術的俄裔師生檔科學家，獲得了2010年諾貝爾物理獎。

因諾貝爾物理獎聲名大噪的石墨烯，並非首次發現的新物質。石墨烯為碳原子組成結構的一種，碳原子會隨著組成結構的差異，產出物理性質截然不同的物質，例如：鑽石、鉛筆、烤肉用的木炭。

成功大學物理學系教授許正餘表示，石墨烯（單層石墨）是由數個碳原子以六角形的排列方式連結，形成一個狀似蜂巢的超薄平面奈米材料，為當前人類能製造出最薄的奈米材料。由於碳原子間連結型態的不同，使得石墨烯呈現與其他碳原子家族（例如：鑽石、鉛筆芯）截然不同的特性。

石墨烯（單層石墨）呈現幾乎透明的狀態，且有非常良好的導電性，可用以作為當今熱門的iphone觸控面板。此外石墨烯的導電性，比現在廣泛使用在電腦晶片上的矽好上十倍，也是當今被發現室溫下電阻率最低的材料。

中正大學電機工程系教授張嘉展表示，此意味著電子可以傳遞得更快，運用石墨烯做成的電腦晶片，將使電腦運算速度達到目前的十倍以上。耐熱極佳的特性，也可解決電腦高速運算時的散熱問題。為當前電腦產業以矽為元件材料，而即將面臨的物理瓶頸，開啟了另一道窗。

過去，科學家們僅能透過理論得知石墨烯擁有上述物理特性，但一直無法找到從石墨中完整取得石墨烯的方式。有科學家試圖將石墨磨得更薄，也有科學家嘗試不斷刮除石墨，甚或透過化學的方式萃取，但始終無法取得完整的石墨烯。

此次獲獎的兩位科學家，認為將石墨磨薄是行不通的，於是就轉換思考邏輯，透過不斷重複剝離石墨，成功取得完整的石墨烯。由於石墨（例如：鉛筆芯）是由許多層石墨烯堆疊而成（一根0.5mm的自動鉛筆芯，就有150萬層的石墨烯），且石墨擁有易碎，容易剝離的特性。我們可以將它們的實驗過程，想像成科學家用膠帶沾黏了鉛筆芯，取得了其中數萬層的石墨烯後，再以新的膠帶沾黏這數萬層石墨烯，取得其中數千層石墨烯。不斷地重複此步驟，沾黏無數次之後，即可從部份樣本中，取得擁有單層結構的石墨烯。

事實上，從2004年兩位諾貝爾獎得主的研究發表之後，相關的研究與應用如雨後春筍般地冒出。除了導電性極佳外，石墨烯擁有比鋼強上百倍的韌性，使其不易斷裂，並擁有極佳的彈性。未來可製成比塑膠還輕，強度卻比鋼鐵還強的用品，取代現有材料，廣泛運用在防彈衣、汽車、飛機、人造衛星的製作上。

然而，目前製造石墨烯面臨的難題，是如何將一張石墨烯面積做得夠大且能量產。目前多數的石墨烯尺寸僅在十數個微米大小（0.01mm，一支0.5mm鉛筆芯的五十分之一），雖距離量產跟達成實用性的面積還有一段距離，但此項奈米科技未來被大量運用在生活之中指日可待。