研究發現石墨烯-鑽石相變化的機制。(圖:Ella Maru Studio)

石墨烯為一種由碳組成,僅有一個原子厚的奈米材料。自發現以來,石墨烯一直是眾多科學家的研究對象。而日前,紐約市立大學( The City University of New York )一個研究團隊發現,雙層的石墨烯在受到強烈衝擊後,會短暫轉變成比鑽石更堅硬的結構,有助研製更薄、更安全的防彈衣。

 

雙層石墨烯

研究團隊將雙層石墨烯放置在碳化矽的基板上,並利用奈米壓痕技術( nanoindetation )施以微小的荷重在上。結果發現,雙層石墨烯產生了短暫的相變化,展現了與鑽石不相上下的剛性、硬度。進一步使用原子力顯微鏡與電腦模擬後,發現此種特殊性質僅會出現在雙層的石墨烯中。其他組態的石墨烯中並不會出現此種性質。

研究團隊也以密度泛函理論(Density functional theory)進行計算。發現雙層石墨烯在受到壓力時,其原子間的鍵結,會由石墨烯中碳連結的 sp2 混成軌域,轉變成鑽石中碳連結的 sp3 混成軌域。

未來應用

邦交爾諾教授( Dr. Bongiorno ):「石墨與鑽石都是由碳組成的,但僅僅是原子間的排列方式不同,便造就了其在彈性、硬度與導電性上的差別」。

石墨烯這種特殊性質的發現,有助於未來研發出石墨烯-鑽石相變化的材料,以作為更輕薄的防彈衣。除此之外,研究團隊亦發現了在相變化的瞬間,雙層石墨烯的導電性質出現了變化。也許將有助於發展下一代的半導體材料。

 

參考資料:

  1. Gao, Y., Cao, T., Cellini, F., Berger, C., Heer, W. A., Tosatti, E., . . . Bongiorno, A. (2017). Ultrahard carbon film from epitaxial two-layer graphene. Nature Nanotechnology. doi:10.1038/s41565-017-0023-9
  2. Scientists Discover Process for Transitioning Two-Layer Graphene into a Diamond-Hard Material on Impact – Advanced Science Research Center, Graduate Center/CUNY. (n.d.). Retrieved December 26, 2017. ASRC
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