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2019-02-01導電材料新用法 美學者打造氧化石墨烯黏土
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【本刊訊】美國西北大學（Northwestern University）研究團隊，日前於《自然通訊》（Nature Communications）期刊發布研究，將氧化石墨烯（graphene oxide, GO）製作成柔軟、可塑型與可捏合的有趣材料，就像麵團或黏土一樣。這款名為GO土（GO dough）的產品，對科學家而言不僅只是一個新奇好玩的「玩具」，甚至具備延展性、導電性、化學穩定性與堅韌性等特質，可用以解決石墨烯工業裡部分長期以來難被解決的問題。
氧化石墨烯是石墨烯的氧化剝離產物，且其分散體（dispersions）在水中具有良好的分散性與豐富的功能性，常透過溶液加工的途徑以打造石墨烯結構的材料，在電子及能量儲存方面也相當有應用潛力。由該分散體或凝膠直接製作出來的產物，多半限制在薄膜與輕質泡沫上；但如果能製作成類似麵團的結構，便可藉其高度內聚（cohesive）且「軟Q」的特性，來製作三維立體結構。另外，氧化石墨烯多以易於燃燒的乾燥固體或粉末形式儲存，然而若要製成分散體，意即將氧化石墨烯稀釋，那麼它的質量將會相當可觀。西北大學材料科學與工程學教授黃家新（Jiaxing Huang）提到，以500公升液體稀釋5公斤的氧化石墨烯後，需要用卡車才能完成裝運配送；然而，同樣5公斤重的氧化石墨烯，在麵團的狀態下也僅有10公斤重，完全可以拿在手上帶著走。
團隊的製作過程比想像中簡單──把超高濃度的氧化石墨烯與水混合後便完成。假使今天他們加入的不是水，而是黏合添加劑（binder-like additives），就會延伸另外一個問題──需進一步純化氧化石墨烯。雖說黏合物可使任何東西轉變為類似麵團的狀態，但這些添加物通常也會改變材料的特性。既然沒有這方面的困擾，當然也能在氧化石墨烯稀釋物裡加入更多的水，根據需求打造更高品質的GO分散體，或進一步加工製成不同形式且具有可調微結構（tunable microstructures）的塊狀氧化石墨烯，如凝膠（gels）或加以乾燥成為固體。GO土可在不留污漬的前提下自由捏合、重塑，且其可不經堆疊便轉化成玻璃狀的固體，材料的機械性能相當強大。此外，GO土也是優秀的載體材料，其可協助電催化劑接近活性顆粒（active particles）。
對於GO土的研發展望，研究團隊表示，盼能將其打造成易於使用的（如塑膠、玻璃或鋼）工程材料，並啟發更多以石墨烯為基礎的材料的新用法，就如同孩子玩黏土般發揮無限創造力。
延伸閱讀
Che-Ning Yeh et al., Binder-free graphene oxide doughs, Nature Communications, 2019.