食物殘渣、廢棄汽車輪胎有機會重生再造,科學家們最近找到一種新方法,幾乎能從所有固體碳基物質中轉化出高價值的石墨烯薄片,並且成本相當低廉。

歸功於碳原子的特殊排列結構,石墨烯這種神奇材料比鋼還要堅硬、比銅還要更容易傳導電與熱,能充當難以滲透的壁壘以防止金屬生鏽,混凝土中只要添加少量石墨烯就能增強材料性能。只不過自 2004 年發現至今,高品質石墨烯(無論單層還是堆疊多層)在工業規模上的製造、純化成本仍相當高昂。

目前,生產適合應用在電子中的單層石墨烯方法為化學氣相沉積法,然而此法單次製造量極少,批量生產的話成本太高;另一種剝離法雖然可單次生成較多石墨烯,但同時會產生許多「斑點」,讓石墨烯材料的應用威力大打折扣。

2014 年時,萊斯大學化學家 James Tour 團隊發現可以用雷射將碳煙(carbon black,也稱炭黑)打成純石墨烯,每一片石墨烯僅幾層厚,其過程為短暫雷射脈衝將碳加熱到約 3000K 溫度使碳原子之間的鍵斷裂,冷卻之後聚結成穩定結構,只不過這種方法相當費力。

 

2 年前,James Tour 團隊的研究生之一 Luong Xuan Duy 發現,其他研究人員利用電流快速撞擊材料來製造金屬奈米粒子,Luong Xuan Duy 於是想知道是否可以用電來加熱碳源並生產石墨烯。

因此,研究人員先將炭黑放入透明玻璃小瓶中,並用 400V 的電對其撞擊約 200 毫秒。最初得到的成果沒有變化,炭黑依然只是炭黑,但經過一番調整後,實驗過程開始產生淡黃色閃光,表明小瓶內溫度達到了約 3000K,並在大約 10 毫秒內將炭黑變成石墨烯薄片,剩餘的非碳元素都被轉化為氣體。

事實結果表明,團隊確實製造出一種稱為「亂層石墨烯(turbostatic graphene)」的材料,這種結構的石墨烯層與層之間堆疊角度混雜不規則,當添加到水或溶劑中時,亂層石墨烯會懸浮在水面不結塊,易與任何復合材料相互作用。

後續實驗結果證實了亂層石墨烯的良好應用,當研究團隊將石墨烯添加到混凝土中時,混凝土抗壓強度提高了25%;將石墨烯添加到聚二甲基矽氧烷(PDMS,可做為隱形眼鏡的材料)中,其強度提高了 250%

這項技術讓人再度看見石墨烯與各種複合材料結合、且成本低廉的應用,加上這種石墨烯幾乎可從任何有機物如:咖啡渣、食物殘渣、廢棄輪胎、寶特瓶中回爐再造,科學家正在努力讓垃圾轉化為黃金。

新論文發表在《Nature》期刊。

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