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從發現石墨烯到諾貝爾獎 一切從一卷膠紙開始

2018/4/15 — 16:20

英國曼徹斯特大學物理系的俄裔科學家蓋姆教授 (Prof. Sir Andre Geim) 的實驗室有一個傳統叫做「星期五實驗」。「星期五實驗」是蓋姆教授和學生嘗試一些與他們日常工作沒有關係的科學探究,因為他覺得嘗試探索遠離自己專長的領域往往會帶來出奇不意的結果。「星期五實驗」有些聽起來天馬行空,有些則是蓋姆教授閱讀有關科研文獻後覺得有趣的題目。大概在 2002 年,蓋姆教授看到有關石墨 (graphite) 的科研後覺得很有趣,這次他給「星期五實驗」的題目是: 我們可否利用石墨 (graphite) 傳電?

雖然已被發現數十年,石墨仍然是一種科學家所知道非常少的物料,尤其是它的傳電能力。石墨是由多層的碳原子形成,就像一塊塊由碳原子組成六角蜂巢形的平面一層一層的疊起來。蓋姆教授估計如果能夠分離出一片很薄的石墨,它便可能有很好的傳電效果。

石墨的模型:一層碳原子便是石墨烯

石墨的模型:一層碳原子便是石墨烯

可是理論歸理論。要怎樣分離極薄的石墨在實驗上是非常大的挑戰。雖然早於 1947 年已有科學家在理論上知道可有一層碳原子的可能性,數十年來不斷有科學家努力嘗試分離只有一層碳原子那麼薄的石墨,但從來沒有人成功過。

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有一天蓋姆教授看到其中一名實驗人員因為要在顯微鏡下觀察石墨,便用膠紙輕輕印走石墨上的灰塵。這都是一般在顯微鏡下觀察石墨的一個小程序。他看到那名實驗人員印完石墨後便隨手把膠紙掉進垃圾桶裡。於是他便檢起那塊膠紙,並在顯微鏡下觀察膠紙上那些薄薄的石墨碎片。蓋姆教授看到後心想: 「啊!太好了!這可能是我可以分離石墨碳原子的方法。」

一張膠紙上可能已經有幾百層石墨烯

一張膠紙上可能已經有幾百層石墨烯

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蓋姆教授和當時是他的學生諾沃肖洛夫教授 (Professor Sir Konstatin Novoselov) 於是利用膠紙黏著石墨的碎片,然後把膠紙對摺,慢慢的撕開膠紙並重覆數次,膠紙上的石墨碎片便越來越薄。他們把石墨碎片放在顯微鏡下觀察,發現碎片只有幾層厚。幾個星期之後,他們便能把這些非常薄的石墨碎片分離只有一層碳原子的厚度。更令他們驚喜的是,這一層碳原子在室溫下竟然非常穩定,推翻了過往科學家認為只有一層原子的物料會非常不穩定的理論。他們稱這麼一層的石墨碳原子為石墨烯 (graphene)。後來兩位科學家的研究團隊更深入研究石墨烯這種新型的二維物料有極佳的傳電特性,並在 2004 年於權威雜誌《科學》發表他們的研究成果。

石墨烯是一層由碳原子形成六角蜂巢形的薄層,你可以想像它是多麼的輕,它的直徑是一條頭髮的一百萬分之一,是已知最薄的物料。如果你從鉛筆中削去1毫米的石墨 (留意番,鉛筆的筆芯是石墨而並不是鉛) ,那裡便有三百萬層石墨烯。

然而,石墨烯的强度卻比不鏽鋼堅硬 200 倍。

由於石墨烯是一層非常薄的二維物料,它是 98% 透明而同時能傳電,因此很適合製成觸碰式螢幕,它的伸縮性更能發展至穿戴式的電子裝置和太陽能電池。石墨烯的傳電能力超卓,因此科學家估計石墨烯晶體管比起現在由矽所製成的晶體管都要快。因為它的傳電能力,石墨烯也可以成為人工視網膜,把收集到的視像訊息透過視覺神經傳至大腦,令視障人士重拾影像。石墨烯具有高度透水性,同時亦能阻隔如鹽粒子的其他物質,因此科學家希望探索石墨烯這個特性並製成薄膜,希望能應用在海水化淡上。石墨烯的原子結構能更容易盛載藥物,減少不必要的副作用。這種集多項特徵於一身的材料,是從來沒有在其他物質上發現過。

從利用一張膠紙分離出來的薄薄的一層石墨到發現世界上第一種二維物料石墨烯,二人大概經過無數次失敗的「星期五實驗」。石墨烯無論在物理、化學、醫學及工程上都開拓了無限想像的廣泛用途。最終二人的研究在 2010 年獲得諾貝爾物理學獎肯定。

「最大的歷險是走進你不是專家的領域,有時我打趣的說我對 "re-search” (研究) 沒有興趣,我只想 “search” (探索)。」蓋姆教授說。

有趣的是,蓋姆教授是唯一一個同時獲得諾貝爾獎和攪笑諾貝爾獎 (Ig Nobel Prize) 的科學家。他在 1997 年研究用電磁力抗拒地心吸力而引致一隻青蛙懸浮起來,三年後他因此而獲得攪笑諾貝爾獎。 2007 年他研究壁虎腳下的鬃毛因而發明了一種黏性腳墊。

蓋姆教授也是一個甚為幽默的人,他曾經發表過一篇論文,作者除了他以外還有一位名為 H.A.M.S. ter Tisha 的作者,那名作者竟是他飼養的倉鼠!(不過大概也從名字 Hamster 猜到吧。)他更自豪地說 : 「根據我的經驗,沒有幽默感的人一般都不會是出色的科學家。」

石墨烯展覧於 4 月18 日結束,有空可到科學館參觀。

參考文章:

  1. Graphene – the perfect atomic lattice - Press release / Nobel Prize 2010

  2. Graphene – the perfect atomic lattice / Nobel Prize 2010 

原文刊於作者博客作者 Facebook 專頁

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