理想的石墨烯分子結構 ( 來源:AlexanderAlUS )

石墨烯高電子移動率、高導熱系數、低電阻與高透明度等特性,使其在電子工業上的應用前景光明,劍指目前矽晶圓的主導地位。然而近期的一份研究卻意外發現石墨烯的另一可能用途—由環境熱力中獲取潔淨能源。

 

少見能單獨存在的二維分子

石墨烯 ( graphene ) 是碳原子相互排列,形成六角型蜂巢結構的單層二維平面分子。長久以來,被認為是如石墨 ( graphite )、炭 ( charcoal )、奈米碳管 ( carbon nanotube ) 與富勒烯 ( fullerene ) 等,多個碳同素異形體「理論上」的組成單元。

依據熱力學原理,因熱擾動所造成平面原子的上下震盪,容易在三維空間上形成新的鍵結,破壞原有的二維結構。然而這樣的猜想,在 2014 年英國曼徹斯特大學安德烈.蓋姆 ( Andre Geim ) 教授所領導的研究團隊,成功以膠帶由石墨剝離出少量單層石墨烯後,便不攻自破。

特殊的熱擾動現象

只是,當美國阿肯色大學 ( University of Arkansas ) 保羅.提拔督 ( Paul Thibado ) 教授與其所指導的研究生將石墨烯放置在銅片網上,並以穿隧式電子顯微鏡觀察石墨烯分子上所發生的熱擾動,卻發現一特殊現象。

熱擾動所造成的,並非單一原子隨機的漲落,而是整片石墨烯如海浪般上下擺動,有如一張由碳原子交織而成的鐵絲網受到外力拉扯。如此一致性的運動,使得提拔督意識到:我們或許可藉此,將環境中的熱力—也就是熱擾動的來源—作為電力來源。

由環境熱中獲取電力

據其估算,一片 100 平方微米 ( square micrometre, µm² ) 的石墨烯可產生約 10 微瓦 ( microwatt ) 的電力。約兩萬片上述規格的石墨烯片,一針尖大小的電池,便可在室溫下,為一隻功能簡單的手錶永久提供電力。

提拔督教授目前正與美國海軍研究實驗室 ( US Naval Research Laboratory ) 合作,深入研究與評估實際應用的可行性。若最終成功商品化,或許更可應用於如體內心律調節器等需要電力的生物植入物,免去更換電池所衍生的健康與醫療風險。

 

參考資料:

  1. Ackerman, M.L. (2016, September 13). Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes. Phys. Rev. Lett.
  2. Shumaker, C. (2017, October 20). Research Frontiers: Good Vibrations. University of Arkansas.
  3. McRae, M. (2017, November 27). Physicists Just Found a Loophole in Graphene That Could Unlock Clean, Limitless Energy. Futurism.
  4. 洪偉修 (2019,11月)。98康熹化學報報:世界上最薄的材料–石墨烯。康熹文化事業股份有限公司
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