石墨烯的合成
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