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在太空中發現固態球碳

臺北天文館_96
・2012/02/29 ・905字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

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英國基爾大學(Keele University)天文學家Nye Evans等人,利用史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope),首度在太空中發現固體型式的巴克球(buckyball),也就是球形的富勒烯(Fullerene),或球形、中空的碳60,故又稱球碳。在此之前,太空中僅發現過氣態的微型球碳。

中空、球形的巴克球在地球上是極佳的導電或化學應用材料。科學家們利用史匹哲太空望遠鏡,在距離地球約6,500光年的蛇夫座XX星(XX Ophiuchi)雙星周圍偵測到一些細小的粒子,是由層層疊疊的球碳所組成的,球碳的含量非常多,可相當於10,000座聖母峰的體積。

由於新發現的這些球碳層層疊疊,形成固體狀態,就像在大木箱裡的柳橙一樣。不過,這些球碳疊成的微粒都非常小,遠小於人髮的直徑,但每一顆微粒中包含了數百萬個球碳。

天文學家首度在2010年藉由史匹哲確認球碳存在於太空中(請參考天文新知 2010-11-04 史匹哲在行星狀星雲中發現大量球碳),後來又確認球碳可存在於不同太空環境中(請參考天文新知  2011-08-11 天文學家可能在太空中找到石墨烯),最讓天文學家驚訝的是所發現的球碳含量相當於15個月球之多。在先前所有發現案例中,球碳均為氣體型態。但Evans等人在蛇夫座XX雙星周圍偵測到的卻是固態微粒,顯示在某些太空環境中所出現的球碳數量多得驚人,才會擁擠到彼此可串連而形成固態微粒。

Evans等人之所以可以辨別蛇夫XX雙星周圍的球碳是固態型式,是因為它們發射出的輻射型態相當獨特,與氣態球碳不同。這項發現也讓天文學家確定球碳在太空中的含量,遠超過先前的預期。因此,這些遍佈全宇宙的球碳可能是非常重要的碳元素型態,而且是一種最基礎的生命建造型態。

地球上的球碳有各種不同的型式,例如燃燒的蠟燭產生的是氣態的球碳,不過在某些岩石中則是固態的型式,例如在俄羅斯發現的次石墨(硬瀝青,shungite)礦物,或是在美國科羅拉多發現、因閃電擊中地面而產生的閃電熔岩這種玻璃質岩石等。而在試管中,這種固態球碳則呈現為一種深棕色的黏性物型態,相當有趣。

資料來源:NASA’s Spitzer Finds Solid Buckyballs in Space[2012.02.22]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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化學家的分子車輪:富勒烯(巴克球)──《改變世界的碳元素》
PanSci_96
・2020/12/06 ・2299字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 616 ・十年級

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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。

用一個富勒烯製作單分子單輪車。以直線狀分子乙炔 HC≡CH 連接兩個富勒烯,可製成單分子雙輪車。圖/《改變世界的碳元素》

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。

以三鍵連接 3 個富勒烯,勉強可製成單分子三輪車。圖/《改變世界的碳元素》

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。

以三鍵連接 4 個富勒烯,可製成單分子四輪車。圖/《改變世界的碳元素》
分子會旋轉,能夠改變行進方向。改編自 Y.Shirai, A.J.Osgood, Y.Zhao, K.F.Kelly, J.M.Tour, Nano Lett, 5, 2330 (2005)。圖/《改變世界的碳元素》

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。

四角形分子的環丁二烯,過去多次嘗試合成皆失敗。現在已經證明,這個分子的集合體,理論上無法合成。圖/《改變世界的碳元素》

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。

──本文摘自《改變世界的碳元素》,世茂出版,2020 年 09 月 30 日
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PanSci_96
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碳之煉金術師:升級石墨烯電池的陽極效能!
研之有物│中央研究院_96
・2019/05/24 ・2301字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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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,是由碳原子(圖中圓點)以六角形組成的一片薄膜,薄膜的厚度只有一個碳原子高。
示意圖來源│iStock

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。

世界上,其中一位能精準合成石墨烯結構的鍊金術師,就是中研院化學所的顏宏儒助研究員。身後的置物架,就是由多個六角形苯環建構而成的石墨烯結構。
攝影│林洵安

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。

常見的石墨烯製程。
圖說設計│林婷嫻、林洵安

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。

顏宏儒實驗室的石墨烯合成方法。
圖說設計│林婷嫻、林洵安

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。

石墨烯電池的儲電、供電原理,與陽極上的石墨烯結構。
資料來源│顏宏儒 圖說設計│林婷嫻、林洵安

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。」

看元素周期表,就能知道不同原子的大小,並依據理論計算,在單片石墨烯接上指定大小的原子,例如氮原子、氧原子。
資料來源│顏宏儒 圖說設計│林婷嫻、林洵安

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。」

正在進行有機合成的實驗室成員。
攝影│林洵安

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

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

研之有物│中央研究院_96
253 篇文章 ・ 2203 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook