冬季降臨,石墨烯各種產品,例如:棉被、衣褲、面膜、護頸、護肩、護腰、護腕等發熱產品大暢銷,究竟石墨烯是什麼?
石墨烯(Graphene)的命名來自英文的graphit(石墨)加上ene(烯類結尾)。天然的「石墨」是由六角形蜂巢結構,按照蜂窩排的平面碳原子一層層堆疊而成,而「石墨烯」則是只有單一層碳原子,也就是說,只要把石墨一層層剝開,持續剝到只剩一個碳原子的厚度,就是石墨烯了。
石墨烯目前是世上最薄,卻也最堅硬的奈米材料,厚度只有0.335 奈米,幾乎完全透明,要是把20 萬片石墨烯薄膜疊加到一起,也只有一根頭髮絲那麼厚,但石墨的外觀卻呈不透明的黑色。
我們知道,石墨是非金屬元素中,唯一一種可以導電的元素物質,而石墨烯結構穩定,也有極好的導熱、導電性能,只要少量添加,就可以讓電池電容性能大幅提升,是目前最熱門的研究材料。
石墨烯被分離出來的過程也很有趣,20 世紀初,科學家發現石墨為多層狀結構後,便想探討單層原子厚度的石墨有什麼性質,他們嘗試了許多方法要分離出石墨烯,但是都失敗了。直到西元2004 年,英國的科學家安德烈.海姆和俄羅斯科學家康斯坦丁.諾沃肖洛夫合作發現,如果將石墨貼在膠帶兩側,只要撕開膠帶,就會將石墨分成兩塊,而持續一直不斷撕開石墨,就可以分離出單層的石墨烯!兩人也因此獲得2010年的諾貝爾物理學獎。
石墨烯製品為什麼可以保暖?
市面上許多產品宣稱是「石墨烯」材質,但多半不是採用真正的「單層石墨烯」,而是多層的「石墨烯家族」成分。而且專家發現,這些宣稱是石墨烯的保暖物品,性質和真正的單層石墨烯不太一樣,例如:材質無法讓高電流瞬間通過。這些材質會發熱的原因是,由於人體保持36℃到37℃的溫度,可
使這些布料中的碳原子吸收能量而產生共振,並輻射出特定頻率的遠紅外線,因此人體才會感覺到熱能。
目前石墨烯製品很熱門,常被用來製成棉被、衣褲、脖圍、眼罩等保暖用品,但專家指出,其實穿其他材質的衣服、蓋普通棉被也會有同樣的效果,只是石墨烯製品的導熱性非常強,穿上後大約5 秒鐘,就可以感受到熱能,而穿一般的衣服或蓋棉被,則在材質剛接觸到肌膚時會先感覺冰涼,幾分鐘之後才會覺得暖和。
同樣是碳,為什麼鑽石是鑽石?石墨是石墨?高壓高溫是關鍵
所有的物質都是由原子組成,原子的排列方式和結構會影響物質的特性。以「碳」(carbon)來說,內部碳原子的某種排列,可以讓碳變成鑽石,要是排成另一種模式,就會變成木炭或鉛筆芯中的黑色石墨。簡單來說,物質內部的原子,會因為不同的排列方式,形成不同的物質。
鑽石和石墨雖然都是由碳原子組成,為什麼有些碳會變成鑽石,有些則成為石墨?原因是天然鑽石必須在高溫、高壓環境下形成,據統計,起碼在距離地表約150 至180 公里深處,溫度至少達攝氏1,050 度才能形成鑽石;而石墨則相對在低溫低壓的情况下,就能成形。
除了較大家熟悉的鑽石和石墨,碳原子還有很多種不同形態,例如:呈球狀的碳60(由60 粒碳原子組成的球狀結構,
又稱富勒烯)和管狀的奈米碳管(Carbon Nanotubes)。因為碳原子排列方式的區別,各有不同特性,在科技上也有不同應用,例如:奈米碳管可製作細小的導線,放在晶片上建構複雜的電路。