垃圾翻身成高價值材料，新技術從廚餘、廢輪胎中轉化出石墨烯 (Graphene)
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CP-MG 20200218 10:00
資料來源：科技新報 Emma Stein
圖片來源： 澄柏國際 CPMG、



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。

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新論文發表在《自然》（Nature）期刊。





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