物理

一枝鉛筆畫出奈米碳網

石墨薄膜這種可以用膠帶分離出來的碳結構,將為物理的基礎科學和應用,帶來許多嶄新的進展。

撰文/蓋姆(Andre K. Geim)、金(Philip Kim)
翻譯/甘錫安

物理

一枝鉛筆畫出奈米碳網

石墨薄膜這種可以用膠帶分離出來的碳結構,將為物理的基礎科學和應用,帶來許多嶄新的進展。

撰文/蓋姆(Andre K. Geim)、金(Philip Kim)
翻譯/甘錫安

重點提要
■石墨薄膜是由碳原子連結成厚度僅一個原子的薄片,而許多層薄片重疊後形成石墨,也就是鉛筆中的「鉛」。物理學家最近才成功分離出這種材料。
■這種純淨(無雜質)且毫無瑕疵的晶體,在室溫下的導電性高於其他各種物質。
■工程師預言石墨薄膜可用於製作許多種產品,例如超高速電晶體等。物理學家也發現,這種材料有助於驗證某些現象奇特的理論,這些現象以往只能在黑洞和高能粒子加速器中觀察。

來談談不起眼的鉛筆。如果說這種現在很普通的書寫工具,曾經名列不可或缺的高科技用品清單榜首,你或許會十分驚訝。事實上,構造簡單的鉛筆甚至曾被認為是戰略軍事物資而禁止出口。但更令人意想不到的是,我們每次用鉛筆畫線時,紙上的線條中就有目前在物理學和奈米科技上最熱門的新材料:石墨薄膜(graphene)。


石墨薄膜的組成材料是石墨,也就是鉛筆裡的「鉛」,它是由層層碳原子堆疊成的純碳結構。人類數百年前就已發現石墨有層層結構,因此物理學家和材料科學家很自然就會想將這種礦物一層層分開,以研究這種幾何結構十分簡潔優雅的物質。這種礦物的單層結構便稱為石墨薄膜,是純碳原子在同一平面上以六角形排列構成的網狀結構,僅有一個原子厚。


不過多年以來,嘗試製作石墨薄膜的努力都以失敗告終。早期最普遍的方式是在石墨的原子面之間插入各種分子來劈開原子面,稱為化學頁狀剝離法(chemical exfoliation)。雖然石墨薄膜層在處理過程中某個階段一定會從石墨上剝離,但模樣卻不像石墨薄膜,最後的產物通常是一團石墨顆粒泥漿,跟潮濕的碳灰沒什麼差別,因此科學界很快就對化學頁狀剝離法失去了興趣。


不久之後,實驗人員嘗試另一種比較直接的方法。他們拿石墨在另一種表面上刮擦或摩擦,將石墨晶體分成更薄的薄片。這種稱為「微機械劈理」(micromechanical cleavage)的技術雖然比較粗魯,但效果出奇地好。研究人員可剝下厚度不到100個原子的石墨薄片,德國亞琛科技大學的物理學家於1990年就曾分離出薄到透明的石墨薄片。


10年後,金(本文作者之一)與當時為美國哥倫比亞大學研究生的張遠波改良了微機械劈理法,製作出高科技版的鉛筆,當然可說是「奈米鉛筆」了,用奈米鉛筆「書寫」時可產生厚度僅數十個原子層的石墨(見95頁〈奈米鉛筆痕跡〉)。不過這樣製造出來的材料仍只是很薄的石墨片,不是石墨薄膜。科學界普遍認為石墨薄膜不可能存在於自然界中。


這個悲觀的看法在2004年宣告打破。蓋姆(本文作者之一)與當時在英國曼徹斯特大學擔任博士後助理的諾佛謝洛夫(Kostya S. Novoselov)合作研究了許多種方法,以製作更薄的石墨樣本。當時大多數實驗室從碳灰著手,但蓋姆和同事碰巧是從石墨被蠻力分割後留下的碎片開始動手。他們將一小片石墨黏在膠帶上,對折膠帶,讓有黏性的一面包覆著石墨片,再撕開膠帶,將石墨片分成兩半,重複進行這個程序,做出越來越薄的石墨碎片(見97頁〈自己動手做石墨薄膜〉)。研究人員做出許多石墨薄片後,仔細檢視這些薄片,驚奇地發現有些竟然只有一個原子厚。更出乎意料的是,這些剛剛驗明正身的石墨薄膜具有很高的晶體特性,而且即使在室溫下,化學穩定性也相當高。


這項石墨薄膜的實驗發現,引發一陣國際研究熱潮。它不僅是所有可能狀況下最薄的材料,而且極為強固堅韌。除此之外,純石墨薄膜在室溫下傳導電子的速度比其他各種物質都快。目前全世界各實驗室的工程師都在研究這種物質,看看能不能用它來製造實際產品,例如超強韌的複合材料、智慧型顯示器、超快速電晶體,以及量子點電腦等。


在此同時,石墨薄膜在原子尺度上的獨特性質,則帶領物理學家深入鑽研必須以相對論性量子物理才能描述的各種現象。研究這類可說是自然界中最奇特的現象,以往一向是天體物理和高能粒子物理學者的專利,必須用上價值數百萬美元的望遠鏡或數十億美元的粒子加速器。石墨薄膜讓實驗人員使用一般實驗器材,就能驗證相對論性量子力學的預測結果。


石墨薄膜家族

雖然目前鉛筆已十分普及,但令人訝異的是,在中國和希臘等古老書寫文明中,石墨並未佔有一席之地。直到16世紀,英國人才發現大量純石墨礦藏,當時稱為「黑鉛」。不過它的劃記功能隨即受到注意,英國人立刻將它變成鵝毛筆及墨水的簡便替代品,鉛筆很快就在歐洲知識份子間風行起來。

直到1779年,瑞典化學家謝勒(Carl Scheele)才發現黑鉛其實是碳而不是鉛。10年後,德國地質學家沃納(Abraham Gottlob Werner)開始將這種物質稱為石墨(graphite),希臘文的意思是「書寫」。在此同時,軍火製造商也發掘出這種易碎礦物的另一種用途:石墨很適合當做砲彈鑄模的內層。這種用途成為非常重要的軍事機密,在拿破崙戰爭期間,英國就曾禁止石墨和鉛筆銷往法國。


近幾十年來,研究人員在平凡的石墨材料中發現了幾種以往不為人知的碳分子結構,並探究其特性及可能用途,讓石墨曾經十分崇高的科技地位回復了一些。其中一種是稱為「巴克球」的足球形分子,1985年由美國化學家科爾(Robert Curl)、史莫利(Richard E. Smalley)及他們的英國同事克洛圖(Harold Kroto)發現。六年後,日本物理學家飯島澄男發現奈米碳管,這是由碳原子所組成的蜂巢形圓柱結構。雖然在此之前的數十年間,已有許多人發現奈米碳管,但從未發現其重要性。這兩種新的分子結構被命名為「富勒烯」,這個名稱和「巴克球」都是為了紀念極富想像力的美國建築師兼工程師富勒(Buckminster Fuller),他在這種碳結構發現之前就已經研究過這幾種形狀。…


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第75期5月號】