只有金屬會導電？

怎麼樣的材料能導電？這個問題的答案或許將永遠改寫。

芝加哥大學的研究團隊發現了一種新的合成材料，擁有塑膠般柔軟的非晶體結構，同時又有金屬般的導電性質。

講到導體，首先會想到的是老字號的金屬家族。金銀銅鐵這類材料是由單一金屬原子排列成整齊的晶格，自由電子可以穿梭其中。大約從十八世紀開始，科學家便知道常見的金屬可以用來傳導電荷，並將物質分為導體和橡膠這類的絕緣體。利用金屬電纜和元件，人們打造了公共電力網和電力火車頭，將人類社會帶進了電氣時代。

相隔許久後，二十世紀後半幾次意外的實驗讓科學家發現聚乙炔這種高分子聚合物在摻雜了些許碘原子之後，也能表現出良好的導電性。這完全顛覆了人們對於導體的認知：

原來除了金屬材料之外，塑膠聚合物也可以作為導體。

和傳統無機材料比起來，導電聚合物的製程簡單便宜，也有較好的可塑性，被俗稱為「導電塑膠」。這種突破性的材料帶來了新一波的電子產品，像是有機發光二極體（OLED）螢幕、有機太陽能電池、以及有機半導體科技等等。

儘管有著導電塑膠的響亮名號，但是導電聚合物和金屬導體一樣，都有緊密整齊的晶格結構，讓特定能量的電子可以順暢地流通。事實上，現代的固態理論認定固態材料必須要有這些整齊排列的晶格，才能有效地傳導電力。像是玻璃、黏土、橡膠這些結構無序的非晶體材料則肯定無法導電。

再一次超越想像，無序材料也能導電

不過芝加哥大學博士生 Jiaze Xie（現為普林斯頓大學博士後研究員）近期發現了另外一種可能性。他選擇了 TTFtt 這種高分子作為嘗試的目標。TTF 結構本身在數年前就已經被發現可以作為導電高分子的組成單元，但因為合成技術困難，並沒有受到研究圈的關注。Jiaze Xie 將鎳原子鑲在碳原子和硫原子組成的長鏈上，合成出全新的 NiTTFtt，開始了一系列的實驗。

在實驗室中，NiTTFtt 展現了不錯的導電性。但最令人驚訝的是，X 射線繞射結果顯示它的分子結構是無序的，沒有整齊的晶格結構。它是一種理論上不該存在的「無序高分子」導體。

事實上，NiTTFtt 的質地就像是小朋友的玩具黏土一樣，只要將一坨 NiTTFtt 黏在電路上，就可以開始導電。這表示它有著幾乎無人能敵的可塑性。除此之外，它還十分的穩定。實驗人員將它加熱到攝氏兩百多度、放在潮濕的空氣中幾十天、在它身上滴強酸強鹼，想盡各種方式考驗它，但它的導電性在各種條件下幾乎都能保持穩定，顯示其實際應用的潛力不容小覷。

這種被現有理論排除的材料為什麼有辦法存在呢？研究團隊利用掃描式電子顯微鏡和 X 光繞射的探測結果建構出了下圖的原子結構模型，企圖對這種前所未見的材料提出解釋。

以每個綠色的鎳原子為基準可以看出一個個扁平的組成單元。他們首先組成長長的一維長條（左），平行堆疊成千層派一樣的結構（中），並橫向排列形成立體的材料（右）。注意到每個長條排列的方向雖然一樣，但是並不需要有規律的秩序。

透過理論計算和電腦模擬，研究團隊發現長條之間即使經過平移或是扭曲，電子活動的範圍還是能維持足夠的重疊，讓電子能夠穿過不規則排列的千層派結構。也就是說，NiTTFtt 的特殊原子結構使得其導電性能在非結晶結構下屹立不搖。

獨一無二的特性，或許可以帶來更多的突破

NiTTFtt 獨一無二的材料性質顛覆了固態物理的既有認知，讓這份研究登上了《自然》期刊。由於電子產品是如此無所不在，任何關於導電材料的發展都會帶來無限的可能性。NiTTFtt 的可塑性以及耐溫耐濕耐酸鹼的超人特性開啟了許多傳統導體無法想像的機會。

研究團隊向全世界示範了有機分子只要有適當的結構，就可以在非結晶排列下維持金屬般的導體性質。他們也期待「無序高分子」導體能夠像金屬導體和導電聚合物兩位大前輩一樣，為人類社會帶來革命性的科技突破。

參考資料

• Scientists discover material that can be made like a plastic but conducts like metal
• 10.1038/s41586-022-05261-4

• 作者／齋藤勝裕，本文摘自《改變世界的碳元素》，世茂出版，2020 年 09 月 30 日

化學家無不有著「想要製作極小機械」的願望。說到極小的機械，那就是僅由 1 個分子作成的機械，世界上不存在比這更小的機械。「這有可能實現嗎？」雖然有些人會抱持懷疑，但在 8-3 出現的分子夾，就算不能說是「機械」，也可作為「工具」。

既然如此，何不索性用 1 個分子組成汽車？基於此概念作成的就是單分子汽車。是不是非常符合碳元素王國的國王「專車」呢？

單分子單輪車

一開始便想要用分子製作「汽車」，門檻好像有點過高，所以一步步按照單輪車、雙輪車的順序來嘗試吧。首先，以一個分子組成一個輪子的汽車，能夠做出單分子單輪車嗎？

實際上化學家已經做出來了。雖然外觀跟常見的單輪車不同，但馬戲團小丑踩踏的球，也可說是一種單輪車？如此想來，可以使用前面 2-3 所說明的球狀分子，把 C₆₀ 富勒烯當作球本身，這樣便可製出單分子單輪車。

單分子雙輪車

接著是單分子雙輪車。這個也很簡單，只要將 2 個富勒烯與直線狀的分子連接就行了，可以利用直線狀分子乙炔 HC≡CH。如此一來，也可製作出單分子雙輪車來。

單分子三輪車

如下圖所示，也可製作出單分子三輪車來，但這跟現實中的三輪車有些不同，3 個「車輪（富勒烯）」鍵結成放射狀。結果，這台三輪車沒辦法向一定方向前進，僅能在固定位置旋轉。

化學家利用這個富勒烯單分子三輪車，置於黃金的晶體上，觀測到的動作如同預想，單分子三輪車僅在原地不停旋轉。

繼續研究下去。為什麼這台三輪車會持續在固定位置旋轉呢？如果此分子的動作僅是熱振動，或者在黃金晶體表面滑動，應該不會產生旋轉運動。如同預期，「旋轉運動」這件事證明了，作為車輪的富勒烯確實發揮車輪的功能，產生旋轉運動。這在化學上可說是意義非凡。

我們知道人們「需要讚美」，化學也是如此。在發表實驗結果的時候，重要的是最大限度解讀結果中的意義，「讚美」實驗結果。如此一來，即使實驗結果沒有震驚全世界，也是對研究人員的一種肯定。「雖然是項無趣的實驗結果，還請容許我在此向各位報告」若是這麼說，就太辜負研究人員的努力了。

單分子四輪車

右頁上圖是單分子四輪車，目前已經實際合成出來了。這個分子有一個「工」字型底盤，上面帶有4個輪子，沒有少掉任何部分，是完全的單一分子。右頁下圖是該分子置於黃金晶體上的移動軌跡。重點在於，分子僅沿著短軸的方向移動，若要改變行進方向，此時分子會自動旋轉。這表示車輪的確有轉動前進。

自力移動的「單分子汽車」

遺憾的是，以上的「汽車」皆沒有引擎，沒辦法獨立移動，需要有外物拉引才能移動，感覺像是令人懷念的人力車。

那麼，我們是否無法製造自發性移動的分子汽車？不，自己發動、自力移動的單分子機械已經製造出來了。

2017年，舉辦了集結世界各地單分子汽車的國際賽事。會場設於法國土魯斯（Toulouse），稱為「奈米車賽」（Nano Car Race），共有 6 台車報名競賽，其中也有來自日本的分子車。

各位讀者覺得如何呢？雖然一時可能覺得難以置信，但這絕對不是在開玩笑。碳元素王國如此進步，已經進步到無論想要製作什麼樣的分子都不是問題。

然而，如下圖的簡單四角形分子環丁二烯（cyclobutadiene），至今卻沒有辦法合成。

這並不是因為化學不發達，而是根據前面的「前緣軌域理論」（參見 2-5），理論上無法做到。然而，這僅只是「分子的集合體不可能合成」，但若在周圍沒有其他東西，假設「宇宙空間中僅有這 1 個分子」的狀態，已經證實是有可能製作出來。實際上，學者已在實驗的狀態下成功合成了環丁二烯分子。能夠在理論上證明這件事，也是碳元素王國實力的一環。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

• 採訪編輯｜林婷嫻、美術編輯｜林洵安

石墨烯的合成

無論是風力、火力、太陽能發電，產生電力後，需要儲存電力的系統，其中一種選擇是「石墨烯電池」，也就是以石墨烯為電極的鋰電池的顏宏儒實驗室，將碳原子精準地合成為石墨烯，並應用於鋰電池陽極，有助提升儲電效能。

承載希望的石墨烯

生活中最常看到的「石墨」，是鉛筆的筆芯，這一小塊石墨，是由許多層「石墨烯」堆疊而成。

你可能不認識石墨烯 （Graphene），但石墨烯可能會改變你未來的生活。這個人造的奈米材料具備許多超能力：極薄、透光度極高、高導熱率、高導電率，倍受人們期待。其中一個期待，是打造可用於儲能的石墨烯電池。

石墨烯之所以具備「高導電率」，簡單來說，是源於碳原子的六角形結構。這結構使得碳原子穩固地牽著彼此，電子就能在一個個碳原子之間暢行無阻。因此，石墨烯相當適合用來作為鋰電池的陽極，導電效果更勝於傳統的石墨陽極。

石墨烯的鍊成陣

雖然石墨烯和鑽石一樣，都是由碳原子組成，但石墨烯無法透過開採岩層而獲得，只能藉由科學家在實驗室裡合成。換句話說，科學家就像是「碳之鍊金術師」，透過特殊的「鍊成陣」，合成出原本只存在於假設理論的石墨烯結構。

當然，這裡所指的鍊成陣，並非合掌一拍、再往地上一擊，就能變出神奇的東西。而是科學家夜不成眠地，操作一次又一次的化學實驗，失敗了，再重頭來過。

顏宏儒比喻，目前石墨烯常見的製備方法，是像小時候我們用美工刀切橡皮擦，把一大塊橡皮擦，切成一小塊，再細切成一層層，如下圖所示。但這樣「由大到小」剝離的石墨烯，所含的碳原子數量不精準，導致難以掌控後續應用於電子元件的效能。

為了精準地合成石墨烯，顏宏儒與實驗室成員逆向操作，透過「由小到大」（bottom-up） 的合成方式，將一個六角型的苯環 （C₆H₆） ，接上另一個六角型的苯環 （C₆H₆） ，逐步累加、直到所需的碳原子總額，如下圖所示。

更好的石墨烯電池

戀人之間，若要讓愛持續流動，需要保持剛剛好的距離，鋰電池的原理也是。

鋰電池之所以可儲電、供電，是因為電極有剛剛好的空間，讓鋰離子跑來跑去、傳遞電流。若電極的空間太小，鋰離子進不去；若空間太大，對於鋰離子的吸引力又太小。鋰離子跑來跑去的方式，影響著電池的儲能表現。

顏宏儒說明：「我們會先透過理論計算，找出最適合鋰離子跑來跑去的空間，然後在單片石墨烯接上不同大小的原子，調控兩片石墨烯之間的距離，並裝在鋰電池的陽極。」

精準地合成出石墨烯薄層，再精準地接上所需的原子大小，這種方式大幅提升了石墨烯電池的陽極表現。顏宏儒團隊經過實驗測試（註一），這種石墨烯陽極經過數百次充電與放電循環，呈現很好的耐久性，並且儲電容量是傳統石墨陽極的三倍。

不過，將實驗結果投入業界生產線，並非實驗室現階段的目的。顏宏儒說明：「我們提供了這樣的資訊，證明石墨烯陽極可以達到很好的導電與儲電效果，但坦白說，製備過程需要非常多時間和人力，也需要相對應的陰極來配合供電。」

顏宏儒舉例，實驗室花了 12 個月才合成出想要的單片石墨烯結構，多一個或少一個碳原子都不行。而合成出這片結構後，還要經過許多實驗測試、調校等等。

「真的很需要耐心！」顏宏儒擦汗說，這種精準合成石墨烯的方式，不是很容易，可是很有趣、也有挑戰性，對於未來儲能發展也有幫助，「所以我們會繼續往這方向堅持下去。」

延伸閱讀

• 顏宏儒的個人網頁
• 顏宏儒的實驗室網頁
• (註一) H. J. Yen, H. Tsai, M. Zhou, E. F. Holby, S. Choudhury, A. Chen, L. Adamska, S. Tretiak, T. Sanchez, S. Iyer, H. Zhang, L. Zhu, H. Lin, L. Dai, G. Wu,* H. L. Wang* “Structurally Defined 3D Nanographene Assemblies via Bottom-up Chemical Synthesis for Highly Efficient Lithium Storage” Adv. Mater. 2016, 28, 10250-10256
• C. Shan,* K. Wu, H. J. Yen, C. N. Villarrubia, T. Nakotte, X. Bo, M. Zhou, G. Wu, H. L. Wang* “Graphene oxides used as a new “dual role” binder for stabilizing silicon nanoparticles in lithium ion battery” ACS Appl. Mater. Inter. 2018, 10, 15665-15672

本文轉載自中央研究院研之有物，原文為碳之煉金術師：升級石墨烯電池的陽極效能！，泛科學為宣傳推廣執行單位