0

0
0

文字

分享

0
0
0

輕薄的石墨烯,超級電容的問世關鍵

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/16 ・1577字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

文/廖英凱

石墨烯是碳原子的一種特別排列方式,是由單層的碳原子,以sp2軌域互相鍵結成由六角環組成蜂巢般的平面結構。雖然在20世紀初,科學家就利用X光對晶體的散射發現了石墨烯的特色,但直到2004年歐洲物理學家A. K. Geim和K. S. K. Novoselov才成功從實驗中證實且分離出石墨烯,並以此獲得2010年的諾貝爾物理學獎。

這樣子單層的石墨烯,具有一些非常重要的特色。它的厚度僅有0.334 nm,是目前世界上最薄的材料。室溫下的電阻約10-6Ω‧cm,比銅和銀更低,電子傳導率(200,000 cm2 V-1s-1)是導電度非常好的導體。它同時也具有半導體的性質,可藉由摻入不同的氣體來形成n或p型半導體。且石墨烯的透光率高達97.7%,幾乎是透明的。它的機械強度高(125Gpa)、拉伸模數大(1.1Gpa)這樣的特性,將可以取代以氧化銦錫為原料的ITO玻璃,而被廣泛運用在透明電極、觸控螢幕等產業。

從結構來看,石墨烯的比表面積高(2,630 m2g-1)且擁有豐富的中孔結構,應用在電極材料上,中孔結構有助於電解液離子快速遷移至石墨烯表面,並利用比表面積儲存電荷。這樣的導電電極可以用作製造「超級電容器」,預計將比目前市面上利用活性碳電極材料所製成的電容擁有更高的能量密度與充放電速率。

不同碳電極材料於超級電容的離子吸附情況示意圖(a)活性碳,(b)石墨,(c)石墨烯
不同碳電極材料於超級電容的離子吸附情況示意圖(a)活性碳,(b)石墨,(c)石墨烯

石墨烯目前也試圖應用在鋰離子電池,將石墨烯與奈米矽顆粒結合應用在電池的負極材質。利用石墨烯本身的高比表面積的物理結構以有效釋放鋰離子,並可彌補電池充放電過程中,矽體積變化率過大造成電容量衰退的缺點。而矽奈米顆粒則可提供較高的電容量,並避免石墨烯重新堆疊,達到同時提升能量密度與功率密度的效果。

目前,國防部中科院化學所的防蝕化學組王金鵬計畫主持人及其團隊,已建置了能穩定少量生產石墨烯的製程。此團隊,是應用了「化學插層法」(亦稱:化學剝離法)來生產石墨烯。這種能大量生產石墨烯的製備法,是將天然石墨礦,經強酸處理後形成「氧化石墨」,會使石墨烯平面上產生環氧官能基。氧化石墨,除了可接上其他高分子做為其他應用外,最重要的是當氧化石墨在高溫環境(約1100°C)時,環氧官能基會分解產生二氧化碳氣體充斥在石墨層之間。當氣體所造成的膨脹壓力大於石墨層間的凡得瓦力時,石墨層便會被剝離出來。

中科院化學所的防蝕化學組王金鵬計畫主持人。
中科院化學所的防蝕化學組王金鵬計畫主持人。

此團隊,目前已可生產的10層以內的石墨烯,厚度可達1.2 – 3.0 nm。並建置了自動化的生產流程與國內業者尚缺乏的清洗有效步驟與技術,每次製造量約為100g,並依不同應用需求進行表面改質,提升石墨烯材料於不同材料中的分散性與相容性。但千萬別以為這樣的產量是很小的,石墨烯是質量輕但單價高的技術型產品,目前石墨烯的全球需求量預計也僅有500 – 1500公噸而已!

石墨烯成品。
石墨烯成品。

雖然說,大部分聽到中科院相關消息時,都是與國防科技、軍武研發生產有關。但近年來,中科院也開始針對軍民通用的科技投入研發資源。雖然隸屬於軍方,在中科院的園區中,也有著相當嚴格的安全管制。跟產業界或學術界比起來是個相對管制嚴苛而封閉的環境,但此團隊,集結了幾位以電化學、化工背景為主的成員,將石墨烯的製備,從研發到量產逐步建立起來。特別值得一提的,是團隊中還有一位從國防理工學院畢業,正在服研發替代役的年輕成員,相信他們的研發成果,能為披著神秘色彩的中科院,多幾分親民氣息,也期望團隊的研發成果,能為我國在石墨烯相關的製程與應用產業奪得先機。

更多資訊請參考解密科技寶藏。
自行開發的系統模組化石墨烯生產製程。

更多資訊請參考解密科技寶藏

相關標籤: 石墨烯
文章難易度
創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
81 篇文章 ・ 1 位粉絲
由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!


0

5
2

文字

分享

0
5
2

糖漿加了小蘇打粉就膨漲?解析《魷魚遊戲》中的椪糖製作原理

Evelyn 食品技師_96
・2021/10/27 ・2842字 ・閱讀時間約 5 分鐘

超夯韓劇《魷魚遊戲》近期成為熱門討論話題,尤其椪糖關卡使南韓童年美食遊戲「戳椪糖」爆紅,劇情中玩家必須使用牙籤將椪糖上的圖案取下來,若失敗可是會直接被開槍爆頭,不過在臺灣其實也有很相似的古早味的零食椪糖喔!

韓式椪糖。圖/WIKIPEDIA by 도자놀자

臺南人的童年零食——古早味椪糖

椪糖,又名膨糖、發財糖、泡糖,是四、五年級生臺南人的童年零食。那個年代生活單純,還沒有太多的娛樂、精緻美食可供選擇,在廟口歌仔戲、布袋戲戲棚下煮椪糖的攤販,是當時孩童的娛樂及零食來源。

剛煮好的椪糖長得就像胖嘟嘟的核桃酥餅,吃起來焦香酥脆、入口即化,雖然只是純粹的甜味,在物質稀缺的當時,已經十分幸福了。

而椪糖的製作流程很簡單,將砂糖或二砂與水倒入大湯勺中,置於爐火上加熱並攪拌,至糖漿變成紅褐色時,加一點小蘇打粉至大湯勺中拌勻,糖漿便會迅速膨脹鼓起,待其冷卻定型後即完成。

而韓國的椪糖與臺灣的椪糖作法及原理大同小異,只是塑形的方式不太一樣,韓版的會壓扁再壓上圖案,弄成扁扁的薄餅狀;臺版的就讓他自然膨脹成球狀,表面帶點裂痕,模樣也是十分討喜可愛。

台式椪糖。圖/WIKIPEDIA

影響椪糖質地最關鍵的因素——溫度

若有做過椪糖就會知道,小蘇打粉加進去的時機點很重要,太早或太晚皆會導致成型失敗,這是為什麼呢?因為加熱溫度是影響糖的結晶、軟硬度和焦糖化的主要因素,不同的加熱溫度,糖的結晶狀態、質地和色澤都會不同。

糖液在加熱時,會有兩種情況發生:

  • 一、水分不斷蒸發,使溶液濃度增加。
  • 二、隨著溶解的糖增加,沸點會不斷上升,因此糖液的溫度要小心控制。

「糖液的濃度」與最後成品的「軟硬度」有直接關係,濃度不夠會過軟,椪糖表面無法形成保護殼而無法膨脹成型;濃度過高會過硬,椪糖膨脹不易,容易縮小或塌陷。

而當糖液加熱至攝氏 130 度左右時滴入冷水中,會形成能保持形狀且具可塑性的硬球,這時候糖液的質地是能讓椪糖膨發效果最佳的狀態,因此不會用肉眼判斷添加小蘇打粉至糖漿的好時機沒關係,可以在加熱的同時,使用專門測糖液的溫度計測量糖溫就可以了!

東京淺草的街頭小販手工製作椪糖。圖/WIKIPEDIA

糖怎麼轉變成令人誘惑的焦糖色呢?

說到糖的加熱,就不得不提到焦糖化反應(caramelization)了,它是自催化的非酵素性褐變(non-enzymatic brownin)反應,指的是蔗糖這類的小分子醣類於高溫環境發生脫水、聚合的反應,顏色逐漸轉變成金黃、淺褐至深褐色的產物 (通稱為焦糖) 的過程。

這個過程非常複雜,反應溫度通常在攝氏 120 度以上,在酸性與鹼性環境下均會發生。在食品工業上可製造成焦糖色素,作為食品添加物使用,常添加於醬油、糖漿、可樂或酒類等食品中。

焦糖的色澤會隨加熱溫度及時間的增加,由金黃、琥珀、淺褐、褐、深褐色至焦黑碳化;味覺的變化則是先為甜味,隨著顏色加深逐漸轉至苦味,最後甚至可能出現辛辣味。 

攝氏 130 度的糖液大概是呈現淡淡的金黃色,不過這是單純以細砂糖製作來看,若使用二砂製作椪糖的話,那糖液一開始就會是呈現金黃色了。

糖漿色澤與溫度的變化。圖/參考資料 4

椪糖膨脹的關鍵——碳酸氫鈉遇熱分解

在加熱攪拌過程中,糖液已經拌入許多空氣,隨著加熱空氣持續在膨脹,水氣也一直持續蒸發,直到糖液加熱到攝氏 130 度的糖漿時,須離開熱源並加入小蘇打粉。

小蘇打粉即是碳酸氫鈉(sodium bicarbonate),受到高溫直接分解產生大量二氧化碳氣體。最外層接觸到空氣的糖液最先冷卻,變硬形成保護殼,椪糖膨脹隆起,待膨脹停止後,內部的構造就形成具有許多小氣孔的蓬鬆質地。

椪糖會不會致癌?

就從焦糖化反應可製造出焦糖色素的標準來看,聯合國農糧醫藥食品添加物專家聯席委員會(Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives, JECFA)將焦糖色素分成四類:

第一類:普通焦糖 (plain caramel)

第二類:亞硫酸鹽焦糖 (sulfite caramel)

第三類:銨鹽焦糖 (ammonia caramel)

第四類:亞硫酸-銨鹽焦糖 (sulfite ammonia caramel)

不同類別的焦糖色素,具有不同的焦體電荷、安定性與色度,用途亦各不相同。我國針對這四類焦糖色素有明確訂定,規範細節可見衛福部食藥署公告的食品添加物使用範圍及限量暨規格標準[8]

數十年來眾多針對焦糖色素所進行的毒理學研究,特別是安全疑慮比較高的第三類及第四類焦糖色素,都發現焦糖色素不具基因毒性、遺傳毒性與致癌性,確認焦糖色素是安全的食品添加物。

加上椪糖才加熱到攝氏 130 度,焦糖化反應影響因素很少,所以吃椪糖其實不必太過擔心致癌風險。

可樂、醬油經常添加焦糖色素。圖/WIKIPEDIA

跟致癌比起來,你比較需要擔心熱量

比起擔憂致癌疑慮,椪糖的熱量才是比較需要注意的地方,畢竟它幾乎都是由精製糖所製成。

我國衛福部國民健康署建議「精製糖建議攝取上限為 10% 以內,例如:總攝取熱量若為 2000 大卡,精製糖攝取量就不宜超過 200 大卡,每日精製糖攝取量最好能控制在 50 克以內。」最佳的情況,是每日不超過 25 克,其實就相當於一個椪糖 (20 克上下) 的重量了。

所以當你開心吃著好吃又好玩的椪糖時,還是要記得別吃太多,以避免攝取過多的精製糖及熱量,而賠上健康喔!

參考資料

  1. 國立台中教育大學科學教育與應用學系 科學遊戲實驗室,膨糖:http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-005.html
  2. 施明智 (2021)。食物學原理 (第三版)。新北市:藝軒圖書出版社。
  3. Mcdowell, E. J. (2015) Everything You Need to Know to Make Caramel Candies at Home. Retrieved from https://food52.com/blog/12212-everything-you-need-to-know-to-make-caramel-candies-at-home (Oct 10, 2021)
  4. 徐若瑄 (2017)。利用科學方法研究古早味椪糖。中華民國第 57 屆中小學科學展覽會。新北市。
  5. 戴士傑,2006。焦糖化產物的特性及其與酚類物質交聯程度之探討。國立屏東科技大學食品科學系碩士學位論文。屏東。
  6. 張月櫻,焦糖色素與 4-MEI (4-甲基咪唑) 說明稿 (2013)。檢自https://www.food.org.tw/TW/DisquisitionDetail.aspx?DisquisitionID=iZcsl/uRyXg= (Oct 10, 2021)
  7. 衛生福利部食品藥物管理署,食品添加物使用範圍及限量暨規格標準 焦糖色素 (2013)。檢自https://consumer.fda.gov.tw/Law/FoodAdditivesListDetail.aspx?nodeID=521&id=854 (Oct 10, 2021)
  8. 灃食公益飲食文化教育基金會,精製糖與非精製糖的差別為何? (2019)。檢自https://www.foodnext.net/science/machining/paper/5470279180 (Oct 10, 2021)

Evelyn 食品技師_96
952 篇文章 ・ 247 位粉絲
國立大學食品科學研究所畢業,現為一名食品技師兼食品研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確資訊!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁 https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策