石墨烯可以承受比一般材料多1000倍的電流,比我們想的更瘋狂!

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就在你認為石墨烯(graphene)不再令人印象深刻,以及不再有2016年令我們驚訝的表現時,在這一年的最後階段,石墨持續表現相當出色。

一項新研究顯示,石墨烯能夠承受比我們之前預期更大的電流,遠遠超過一般材料,使它成為下一世代超快速電子器件的完美結構單元。

奧地利維也納科技大學(TU Wien)應用物理研究所的研究員之一伊莉莎白‧葛魯博(Elisabeth Gruber)說:「比起在正常情況下會導致材料破壞的電流密度,高出大約1,000倍。」

「但是在這些距離和時間尺度上,石墨烯能夠承受如此極端的電流,而不會遭受任何損壞。」

要說明清楚,我們在這裡談論的不是石墨烯如何有效地導電。在今年初,科學家已經設法將材料變成超導體,能夠穿梭具有零電阻的電子。

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這是一件大事,而且足以讓石墨烯再保有一年’神奇材料’的頭銜。

這項最新研究不是在看電流的效率,而只是在看這個材料可以處理多少電流。特別地是,在短時間內它可以處理多少電子經由它來充電。

而研究結果是令人印象深刻的。

如果你需要快速復習,石墨烯是一片一個原子厚、蜂窩格子狀的碳片,在奈米級尺寸上展現一些不可思議的特性。它比鋼鐵還要堅固,比鑽石還要堅硬,而且有不可思議的靈活性。而且現在看起來,它好像能夠承受高電荷密度。

為了弄明白這點,這些研究人員在石墨烯片上炸開帶正電荷的氙(xenon)離子,導致大量的電子從石墨烯粉碎的地方被扯掉。

想像一下這些氙離子扯掉石墨烯的電子,就好像在一片灰塵中扔一顆網球。

單獨一個氙離子可以從石墨烯薄膜的一個微小區域竊取超過20個電子,聽起來可能不太多。但想像每個碳原子從只有6個電子開始,對於材料的穩定性來說,這是一件大事。

結果,周圍的碳原子帶有極大的正電荷。

當氙離子通過時,它還把整個碳原子推擠出石墨烯片,但是這比損失所有那些電子的影響要小得多。

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在一般材料中,電子會快速嘗試修復不平衡,但它無法快速地發生,因此材料會開始失靈(分解)。

來自德國德瑞斯顿‧羅森多夫‧漢姆霍茲研究中心(Helmholtz-Centre Dresden-Rossendorf)的小組成員李察威爾翰(Richard Wilhelm)說:「你現在期望發生的是,這些帶正電荷的碳離子彼此排斥,在所謂的庫侖爆炸 (Coulomb explosion)中飛走,然後在材料中留下大空隙。」

「但令人驚奇地,情況並非如此,在石墨烯中的正電荷幾乎瞬間被中和。」

因此,石墨烯能夠有辦法以全新的電子,幾乎立即填補裂開的電子空穴;意味著它在短時間內,傳送極高密度的電流。

然而在我們說短時間的時候,我們是在說那些在只有幾個飛秒(千萬億分之一秒)時間,衝進來儲存一天的新的電子。

葛魯博說:「材料到氙離子造成的破壞的電子反應是極為快速的。」

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「來自石墨烯膜相鄰區域的強電流,在正電荷彼此互相排斥造成爆炸之前,迅速地補充電子。」

 要造成這種現象,石墨烯必須承載的電流密度量大約是一般任何材料所能容忍的1,000倍。

需要進一步的研究來確切了解這是如何發生,但對於工程師想要在未來做出超快速電子器件來說,這是不可思議的消息,因為石墨烯可能是足夠耐用的材料,來處理這樣的強電流。

研究小組領導人弗里茨‧奧瑪亞(Fritz Aumayr)說:「希望是由於這個原因,有可能使用石墨烯來做出超快速電子器件。石墨烯看起來好像也非常適合用於光學,例如用於連接光學和電子元件。」

這項研究刊登在自然通訊期刊(Nature Communications)

來源: ScienceAlert