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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

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。

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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。

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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

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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臺灣原子與分子科學研究所創立的幕後功臣:張昭鼎——專訪中研院原分所陳貴賢研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/08/26 ・4364字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

中研院原分所的推手

中央研究院原子與分子科學研究所(簡稱原分所),是國內原子科學的研究重鎮,位處於臺灣大學學區,研究領域涉及表面科學、尖端材料、原子/分子與光學、化學動態學以及生物物理。原分所第一任的籌備處主任為張昭鼎先生,他的思維與待人接物的方式,深深影響了現在的原分所。中研院「研之有物」於 2023 年 4 月專訪原分所所長陳貴賢特聘研究員,一起從他的角度認識這位謙和又有遠見的科學家。

在研之有物團隊與張昭鼎紀念基金會人員到訪時,陳貴賢相當熱情地介紹原分所沿革以及張昭鼎的為人處世。圖|研之有物

當天是個晴朗和煦的午後,研之有物團隊和張昭鼎基金會的工作人員,來到位於臺灣大學的中研院原分所,準備拜訪陳貴賢所長。原分所位於臺大校園中心,旁邊就是醉月湖,研究所建築外觀換新之後,以典雅新穎的紅磚色拱形亮相。甫進辦公室,充滿活力的陳貴賢,看起來已經準備好和我們分享關於原分所和張昭鼎先生的故事。

原分所建立初衷

原分所成立於 1982 年,由張昭鼎擔任第一任籌備處主任(1982~1993),現任所長是陳貴賢,擔任所長已將近 7 年(2016~2023),並即將在今年 7 月 15 日交接所長職位給魏金明合聘特聘研究員。當我們問到原分所一開始是如何成立的?陳貴賢提到,原分所是當時海外學者李遠哲與浦大邦開始的構想,希望幫助臺灣發展原子與分子科學、同步輻射科學兩大領域,以跟進國際科學的研究步調。

為了和政府提出建言,李遠哲等學者邀請了全世界知名的科學家一起討論,包含吳健雄以及她的先生袁家騮,他們當時還回臺灣做了好幾場演講。經過持續的溝通與交流,最後終於事成,浦大邦主要負責同步輻射(中心落腳於新竹清華大學旁),而李遠哲就是想辦法建立原分所。

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由於李遠哲當時人在美國柏克萊大學化學系任職,他迫切需要一位信任的人在臺灣幫忙。因此,他找了在學時期認識的臺大學長張昭鼎,請他負責籌備原分所,張昭鼎當時已經是臺灣無機合成化學的先驅。陳貴賢回憶道「張昭鼎是一位格局很大的人,也可以理解基層的需求」。

成立一個所並不簡單,有很多眉角要處理,比如選址就是大問題。李遠哲希望能夠促進中研院和學校之間的合作,讓年輕學生也能參與研究,最終選址於臺灣大學正中央,原分所就此成立。「對有志於科學的年輕人是非常大的福氣」,陳貴賢說。

1982 年原分所籌備初期的建築工地,照片中李遠哲(右 1)、張昭鼎(右 2)與李崇道(右 3)正在討論。圖|陳貴賢

原分所在做什麼?新興材料的研究重鎮!

話說回來,原子與分子科學研究所是研究什麼呢?看起來不是一般的物理、化學、機械等數理學術機構。陳貴賢在訪談中笑著說,「所有的物質都是原子組成的,兩個原子結合在一起就變成分子,分子繼續疊在一起就會形成固態、氣態或液態的物質。」原分所是在研究原子相關的物質科學,但陳貴賢強調,原子內還有各種基本粒子,例如質子、中子或夸克等,研究這些基本粒子屬於高能物理,不屬於原分所的研究範疇。

舉例來說,原分所的研究有大家很熟悉的半導體,以及稱為「表面科學」的重要領域。陳貴賢說,很多化學反應都會發生在物質表面,尤其太陽光如何和表面原子互動相當值得探討,他的實驗室就有研究如何透過光催化材料來進行人工光合作用。

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原分所另一個重要領域是「化學反應動態學」。陳貴賢提到,過去李遠哲回臺灣時,就有從柏克萊帶回珍貴的交叉分子束設備。設備的噴嘴會噴出兩束不同的分子束,讓分子束交叉碰撞之後,觀察化學反應的動態機制。「了解化學反應怎麼發生,才有可能對它進一步控制」,陳貴賢道,他以燃燒反應為例,如何讓燃燒反應更完全、減少污染物的產生就是個大學問。

此外,陳貴賢還分享了另外兩個重要領域「尖端材料」和「生物物理」,尖端材料例如能源材料,有太陽能材料或是熱電材料等,讓未來能源發展有更多機會。生物物理例如研究生物影像的分析方法,發展各種創新的顯微技術。

原分所發展至今,即使張昭鼎在 1993 年 4 月離世,仍受到他的處世之道影響。陳貴賢回憶道,當時 1993 年元月份來到原分所,在開始長期的學術生涯之前,曾仔細瞭解張昭鼎的事跡及為人,發現他很重視基層人才,願意給年輕人機會,甚至幫忙找資源。

隨著不同的所長接任,原分所的制度和規範逐漸完善,在林聖賢、劉國平、王玉麟、及周美吟等所長的努力下,原分所逐漸進入穩定發展的狀態。王玉麟擔任所長期間為了紀念張昭鼎,在 4 樓的會議廳就命名為「張昭鼎紀念講堂」。

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張昭鼎紀念講堂。圖|研之有物

搶救《科學月刊》,致力於科學教育傳播

除了成立原分所之外,張昭鼎的另一項重要貢獻是《科學月刊》。《科學月刊》是臺灣本土力量孕育而生的科學雜誌,自 1970 年創刊營運到現在,是珍貴的科學傳播刊物,對於臺灣科學界的人才培養和學術交流都有好的影響。

關於《科學月刊》對臺灣早期科學界的重要性,陳貴賢說:「你做的科學研究不只是要在國際上發表成果,你甚至希望可以扎根,讓更多下一代的人可以對科學有興趣。在那個時代我想《科學月刊》幾乎是唯一的選擇。」

張昭鼎是《科學月刊》在位最久的董事長(1973~1993),1970 年代初期是《科學月刊》早年財務最艱困的時候,甚至在 1975 年內部曾經有停刊的想法,而張昭鼎與董事會最後的決策是:保留《科學月刊》,圖書業務則交由他人負責經銷。這個決定影響深遠,讓《科學月刊》度過困難的 1970 年代。

張昭鼎(左)與李遠哲(右)合影,《科學月刊》創刊 20 周年紀念餐會。圖|張昭鼎紀念基金會

然而,張昭鼎在 1993 年不幸過世。他的離世對好友李遠哲來說是巨大的衝擊。陳貴賢提到,李遠哲曾在懷念故友文章寫道「或許真的是已到了我該回家鄉的時候了」。很多人起初以為他只是暫時回臺灣,沒想到李遠哲真的一直留在臺灣,為原分所、中研院學術界以及臺灣社會持續付出。

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張昭鼎離世之後,次年張昭鼎紀念基金會隨之成立。基金會繼承張昭鼎的精神,積極推廣科學教育,在李遠哲院士倡議之下,2011 年基金會首度舉辦了「居禮夫人高中化學營」(今為瑪麗居禮科學營)。瑪麗居禮科學營的招生對象,主要是對數理化學有興趣的高中學生,在四天的營隊活動,邀請重要學者做專題演講,特別精心設計分組實驗實作,讓學員對科學研究有親身體驗。

陳貴賢分享,原本營隊主要籌備是清華大學,後來張昭鼎基金會董事希望在中研院、臺灣師範大學以及張昭鼎紀念基金會的努力下,將營隊活動轉移到臺北。感念張昭鼎對原分所的貢獻,陳貴賢沒有第二句話,全力幫忙。從 2020 年開始,瑪麗居禮科學營就順利在臺北舉辦至今。

入世的科學家——張昭鼎

在原分所服務多年的陳貴賢,雖然和張昭鼎真正相處時間很短,但對張昭鼎的為人處世印象相當深刻。陳貴賢認為,張昭鼎之所以能體會基層的需求,正是因為吃過苦,他出身於困苦家庭,小時候幾乎都在戰亂中度過;而從小得知母親與「鴨母王」朱一貴的血緣牽連,也時刻提醒張昭鼎保持不隨波逐流的反叛思維。

陳貴賢:「他不是關在象牙塔裡面的科學家,他是一個入世的、對社會關懷很深的一個人。」

不僅在學術界有影響力,張昭鼎也在社會廣泛交友,認識許多執政黨與在野黨的人,並與他們建立友誼。陳貴賢提到,這也是當初李遠哲邀請張昭鼎擔任原分所籌備處主任的原因,看重他的人脈和社會參與能力。

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張昭鼎(右)是李遠哲(左)最敬愛的朋友,人脈相當廣。圖|陳貴賢

除了人脈廣,張昭鼎也力求資源妥善利用。陳貴賢說,之前一位芝加哥大學畢業的同仁曾經回憶,當年張昭鼎到芝加哥去招聘人才的時候,他住的旅館是 YMCA 青年旅館!其實原分所在籌備階段經費是相對充裕的,但是張昭鼎堅持不浪費,將人民的稅金用在最需要的設備添購上。「他的堅持令人敬佩」,陳貴賢說道。

陳貴賢接著回憶,在籌建原分所期間,張昭鼎與行政體系常有意見相左的情況,因為行政人員認為只有法律允許的才可以做。而張昭鼎則試圖在法律找到合情合理的談判空間,所以他在原分所籌建過程也協助突破許多公務採購障礙,提升政府的服務效率。

陳貴賢認為,張昭鼎是一個跨越族群與階級的行動家。跨越族群的意思是,張昭鼎是閩南人、也是臺灣人,但是他不會因為本省/外省、客家/閩南等不同族群,在社會參與上劃地自限。跨越階級的意思是,他的出身困苦,並不是特權或貴族家庭,所以他是入世的、走出來的人,願意服務於基層,也願意為基層服務。

陳貴賢最後感慨地說,張昭鼎是跨越了不同階級與族群的人,只可惜他離開的早。接著,陳貴賢分享自己曾經隨手寫下的一首臺語歌,在訪談中哼了起來,以紀念張昭鼎先生。

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啦啦啦啦 啦啦啦啦
啦啦啦啦 啦啦啦啦
地瓜落土 才會生湠
等待春天的雨水
新希望

陳貴賢解釋,這首歌的意思是說,地瓜要放進泥土裡面,才會長出新的葉子,並等待春天的雨水到來。當春雨來的時候,就是一個新的世代。人生路途中,有些人留得比較久,有些人走得比較快。像張昭鼎先生雖然不幸離開,但後面會再有新的一代,就像代表臺灣人的地瓜一樣,堅持著地瓜精神,一直延續下去。

陳貴賢認為,張昭鼎是一個跨越族群與階級的行動家。圖|研之有物

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柔軟的導電革命:前所未見的無序高分子導體
linjunJR_96
・2022/12/30 ・1995字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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。

怎麼樣的材料能導電?金屬?這個問題的答案或許將永遠改寫。圖/pexels

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。

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。圖/pexels

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:

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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。

從左到右分別是有序的晶體、無序的非晶體、和氣體。圖/ Encyclopædia Britannica

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。

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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。

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。圖/參考資料

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。

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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

linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。