分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

冰晶夾心之石墨烯三明治

石墨烯冰晶三明治示意圖(誤) Credit:Joy

石墨烯冰晶三明治示意圖(誤)
Credit:Joy

替1700年前的配角平反

謝太傅寒雪日內集 ,與兒女講論文義 。俄而雪驟 ,公欣然曰﹕「白雪紛紛何所似?」兄子胡兒曰:「撒鹽空中差可擬 。」兄女曰:「未若柳絮因風起。」公大笑樂。

在這段出自《世說新語》的文字中,謝太傅問到,白雪像什麼呢?其姪子謝胡兒的說像是抓一把鹽往天上撒,姪女謝道韜則回答像柳絮隨風而起。論情境、論韻味、論文字之典雅,自然是謝道韜完勝。故事流傳至今,後世也以「詠絮之才」來讚頌女性的文采。

然而,若以科學的角度觀之,反而是淪為千年配角的謝胡兒說得正確些。

食鹽和雪,都是無機物的固體,都是由規律排列的原子所組成的晶體,也都呈現澄澈透明的光學性質。原子在晶格中的排列方式會影響到物質的特性,鹽晶的結構屬立方晶系,冰晶則為六方晶系,因此鹽晶總是呈現有稜有角的形狀,而冰晶可幻化出絢麗的六角形雪花。

其實,冰晶可以幻化出的,可不只是六角形雪花而已。

上善若水

水是地球上極其普遍卻也是極其神奇的物質,地表有70%被水覆蓋、人體有70%的成份是水,水也是少數在自然環境下,同時存在固、液、氣三態的物質。由於水是如此的重要,形態又如此多變,水常常是科學實驗中的主角。

這張照片中,同時存在著水的液態、固態及氣態(雖然水蒸氣是透明的) credit: ravas51

這張照片中,同時存在著水的液態、固態及氣態(雖然水蒸氣是透明的)
credit: ravas51

人們對水分子結晶過程及形態的科學探索至今仍方興未艾,下圖顯示溫度及壓力變化下所對應到的水的狀態,羅馬數字代表不同的冰晶結構,圖中最大的編號為15,事實上,一份發表在2014年nature期刊上的研究論文,已將冰晶的編號推向第16號。除了六方晶系外,水分子也可能組成正交晶系、四方晶系或單斜晶系等晶體。

水的相圖 圖片來源:wiki (作者Yinweichen)

水的相圖
圖片來源:wiki (作者Yinweichen

2010年諾貝爾物理獎得主安德烈·海姆(A. K. Geim)所屬的研究團隊,也在最新一期(2015年4月份)的nature期刊上發表了一篇論文,探討前所未見的單層二維矩形冰晶。要產生這種薄薄的單層冰晶,必需在室溫下對水分子施加高達10,000個大氣壓的壓力。能達到這麼大的壓力,關鍵在「石墨烯」。

穿透式電子顯微鏡下的二維矩形冰晶 圖片來源:nature期刊

穿透式電子顯微鏡下的二維矩形冰晶
圖片來源:nature期刊

感恩石墨烯、讚嘆石墨烯

石墨烯是碳原子在蜂巢晶格結構下所形成的二維材料,層層堆疊於石墨中。人們原本無法將之從石墨中單獨分離,直到2004年,曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用膠帶撕貼的方式成功地將石墨烯轉至矽晶元表面上,才開啟這類研究的新紀元,也讓他們獲得了2010年的諾貝爾獎。

石墨烯的蜂巢狀晶格 圖片來源:wiki (作者AlexanderAlUS)

石墨烯的蜂巢狀晶格
圖片來源:wiki (作者AlexanderAlUS)

自此後,石墨烯在許多研究中展現了另人驚艷的特性。包括高韌性(裂斷強度是鋼的100倍)、高導電度(電導率比銅高出35%)、高熱傳導率、高透明度及化學穩定性等等。石墨烯一時成為材料、電子、生物及能源等領域中的當紅炸子雞,連物理學家也把石墨烯特殊的錐狀能帶結構視為研究相對論量子力學的好所在。

2012年時,海姆教授的團隊又查覺到一個與石墨烯有關的奇異現象。他們發現水分子對氧化石墨有很高的滲透率,水分子的穿透速度,甚至比體積更小的氦還高出10的10次方倍。於是他們進行了理論模擬,推測水分子在這些二維薄片及毛細管徑間,會形成摩擦係數極低的單層的冰晶,故可幾無阻礙地一溜而過。

有了理論模擬,他們開始進行實際的實驗。上文所謂「對水分子施加高達10,000個大氣壓力」云云,其實就將水夾在兩片石墨烯之間,形成一個三明治一般的構造。能產生那麼大的壓力,主要歸功於與石墨烯相關的兩個作用。

其一是「凡德瓦力」,即分子和分子間的電性引力,也是讓隱形眼鏡能貼合在眼球上的力量。凡德瓦力會隨材料的接觸面積增加而增加、也會隨材料間的距離減少而增加。石墨烯的奈米結構讓它擁有極高的比表面積,因此,當兩片石墨烯靠近時,會產生極大的貼合力道。

其二是「疏水性」,講到疏水性館主腦海中浮現荷苞初放時,荷葉上水珠之可愛樣貌;與其相對的是「親水性」,就如紙張上的水所呈現的攤平狀態。將水夾在疏水性材料的平面間,水珠會像個彈力球搬奮力抵抗而承受到壓力;反之,夾在親水性的平面之間時,不但不抵抗,還會拉攏兩平面貼合在一起。

材料親、疏水與否,取決於水分子中的氫鍵是否會因材料表面分子極化而與之相互吸引。石墨烯的表面是均勻且鍵結力強的蜂巢狀晶格,讓氫鍵在此幾無落腳之地,故有高度的疏水性。因此,在石墨烯三明治中,凡德瓦力幾盡都轉為施加在水分子上的壓力,將之壓成二維矩形冰晶結構。

研究團隊表示,這種含水的疏水性毛細管柱及平面也會存在於石墨以外的礦物之中,甚至是生物體內的通道蛋白與細胞膜間。因此此研究之價值除了在展現不同的冰晶結構外,亦有助於人們對相關問題的探索。

參考資料:

  1. Soper, Alan K. “Physical chemistry: Square ice in a graphene sandwich.“Nature 519.7544 (2015): 417-418.
  2. G. Algara-Siller,O. Lehtinen, F. C. Wang, R. R. Nair, U. Kaiser, H. A. Wu, A. K. Geim & I. V. Grigorieva. “Square ice in graphene nanocapillaries“, Nature 519, 443–445, doi:10.1038/nature14295.
  3. 餘參考資料均標示於文內超連結處。

本文轉載自作者部落格

ad3

問答是人類最原始的知識互動方式,也是文明火箭推進的燃料,更是茫茫知識大海中的羅盤
為什麼蘋果會落下?為什麼人類不能飛?所有偉大的事物,都萌芽於一個最初的問題。
我們全新推出的問答平台——泛答,讓大家用最輕鬆直接的方式挖掘最有價值的知識。

受夠了虛實難辨的假新聞?懷疑自己困在同溫層?想念那個充滿好奇的內心自我?
來泛答吧,跟我們一起用問答打破現狀,用問答找回專屬於你的知識。

關於作者

吳京

正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」