50則非知不可的化學概念

石墨烯

石墨烯塊很像鉛筆的鉛芯。誰能知道它含有如此強大、輕薄、有彈性，且具導電性的超級材料，讓地球上的其他材料相形失色？誰又能知道將石墨烯取出會如此容易？誰又知道這麼做可能會永遠改變我們的手機？

2010年諾貝爾物理獎得獎者之一海姆（Andre Geim），於諾貝爾演講的主題是「隨意走到石墨烯」。他承認，多年來他參與了許多不成功的計畫，結果最終他所追求的東西就隨機出現在這些計畫中。海姆在斯德哥爾摩大學演講時說道：「經過大約15年的時間，進行了24個左右的實驗。不出所料，大多數都慘敗。但有三個成功，那就是懸浮、壁虎膠帶和石墨烯。」這三個之中，懸浮和壁虎膠帶聽起來較有趣，但石墨烯席捲了科學界。

石墨烯常被暱稱為「超級材料」，是新一代所謂「奈米材料」中第一個也最令人振奮的材料。它是我們所知唯一由單層原子所組成的物質。石墨烯完全由碳組成，它是地球上最輕薄的材料，但也是最強韌的。據說一平方公尺的石墨烯層（一個原子厚度的碳層），可以讓一個吊床穩固、有彈性到可撐住一隻貓，儘管其重量只相當於貓的一根鬍鬚。石墨烯製的貓吊床也會是透明的，給人感覺貓好像是吊在半空中，此吊床的導電性比銅更佳。如果你相信市場炒作，石墨烯將有可能作為快速充電的「超級電容器」取代電池，終結手機電池的困境，讓我們在幾分鐘內將電動車充好電。

電子產品的未來

雖然海姆無法說是自己發現了石墨烯這個超級材料（因為其他科學家也早就知道它的存在，並快要能夠分離出石墨烯了），但他和他的諾貝爾獎共同得主諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）找到了一個可靠但算不上商業化的方法來從石墨中取得石墨烯。他們所做的是拿一塊石墨（見第112頁），利用膠帶黏貼從表面剝離出一層石墨烯。石墨就是鉛筆芯裡的東西，基本上是由數十萬個石墨烯層的堆疊形成。每層之間的吸引力相當微弱。光是利用

膠帶就能剝離出幾層。直到海姆和諾沃肖洛夫他們仔細看了用來清潔石墨的膠帶時，才意識到這一點。

雖然關於究竟是誰在何時率先分離出石墨烯，有一些分歧，但毫無疑問的是，海姆與諾沃肖洛夫於2004年和2005年出版的論文，改變了許多科學家對材料的想法。在此之前，有些研究員原本不認為只有一個原子厚度的碳層會是穩定的。2005年的研究持續探討石墨烯非凡的電子特性，吸引了大量的關注，並出現大量的石墨烯電晶體和有彈性的電子產品，包括可彎曲的電話和太陽能電池。

2012年，洛杉磯加州大學的兩名研究員宣布，他們已經使用石墨烯做出微型超級電容器，類似非常迷你的持久電池，可在幾秒內充好電。

研究生卡迪（Maher El-Kady）意識到他讓燈泡在石墨烯中僅充電幾秒鐘，卻可點亮至少五分鐘。他和他的指導教授凱納（Richard Kaner）很快發現一種利用DVD 燒錄機來製作他們裝置的方法，他們一心想擴展其生產過程，使微小的能量來源可納入每件東西中，從微晶片到醫療植入物，如心律調節器。

石墨烯三明治

石墨烯是非常好的導電體，這要歸因於其平坦、鐵絲網狀結構的碳原子均具有一個自由電子。這些自由電子在表面飛馳，作為電荷載體。如果要說有什麼問題的話，那就是石墨烯導電性實在太高。晶片製造商用來做電腦晶片的半導體材料如矽（見第96頁），它們會在特定的條件下導電，但在其他條件下則不導電，其導電性可以被開啟或關閉。這就是為什麼材料科學家正著手添加雜質到石墨烯，或甚至把石墨烯夾到其他超薄材料之間，創造可調節導電性更佳的材料。

另一個問題是大量生產石墨烯是困難且不便宜的。當然，持續用膠帶剝離石墨烯塊是相當不實際的。而且，材料科學家也想取得更大的石墨烯層。一個更好的方法是化學氣相沉積法，這是將氣態碳原子附著到表面形成一層的方式，但此途徑需要極高的溫度。還有其他更便宜的方法已經過測試，包含工業規模的廚房攪拌機或用超音波從石墨塊分離出石墨烯層。

是不是有人提到懸浮？

所以這就是石墨烯。那海姆的其他實驗呢？他有次興起將水倒進實驗室的電磁鐵，竟然讓水發生懸浮。海姆有一次甚至放了小青蛙在懸浮的水球中。壁虎膠帶則是模仿了壁虎腳的黏性皮膚，但其效果並沒有真的壁虎腳那樣好，所以這研究並沒有得到進展。

3D 列印

3D列印似乎不像是會令人感到振奮的主題，但這卻忽略了3D列印非凡的可能性。從塑料汽車到水凝膠製成的仿生耳，這新科技幾乎沒有什麼限制。航太工程師甚至還列印出火箭和飛機的金屬零件。

在20世紀，製造業的重點是要大量生產。你設計了一個產品，你認為它大概會適合每個人，然後你找到了一個方法來大量生產此產品。大量生產的汽車、大量生產的櫻桃派，以及大量生產的電腦晶片。21世紀會發生什麼事？大量客製化的消費產品，為符合個體需求量身打造，整體供應。我們將不再被迫接受符合「一般人」（沒有特別針對某個人）的標準化產品。你想要不用轉動控制桿就能調整車子的駕駛座，使旅程乘坐舒適嗎？大量客製化可以讓你辦到。製造業如何適應以提供每個人所想要的，答案在於3D列印。

列印的承諾

列印長久以來一直是化學家的領域。幾千年前，印刷油墨是由天然材料製成，通常是含有碳的顏料。今日的印刷油墨是複雜的混合化學物質，包括色顏料、樹脂、防沫劑和增稠劑。同時，3D列印機可用任何東西來列印，從塑料到金屬都可以。有些3D列印機只能用一種材料（就像黑白印表機）來列印，而有些則可將不同材料結合在同一個物體裡，就像一台普通印表機結合了不同顏色的油墨。

所有的3D列印技術具備的共同特點是，它們可利用將三維物體分解成二維橫切面的資料庫訊息，逐層建立起自己的結構。電腦輔助設計（CAD）程式能讓產品設計師創造的複雜設計，快速列印出來，而非刻苦地組裝不勝其數的零件。航太工程師的最終夢想是能夠列印衛星。不過3D列印機已經創建的某些結構的確令人難以置信，如仿生耳、顱骨植入物（見第191頁「3D列印身體部位」）、火箭引擎元件和奈米機器，更不用說全尺寸的展示車。

3D 列印油墨

可靠的列印物件如汽車和火箭引擎，將需要仰賴金屬列印技術的進步。這是讓美國太空總署人員及歐洲太空總署感興趣的領域，這兩個單位成立了一個名為「驚奇」的計畫，來列印火箭和飛機零件。優點是更環保、製作過程不會產生廢物，以及能列印更複雜的金屬零件，因為它們是被逐層建立起來的。

3D列印過程與「油墨」所仰賴的技術，已經發展成一系列不同的3D列印技術。與舊式列印最為相似的製程是3D 噴墨列印，其於交替層中列印粉末與結合材料，形成豐富多樣的材質，包括塑膠與陶器。另一方面，液態樹脂固化運用紫外線光束活化樹脂，光束將設計逐層描繪到樹脂上，使樹脂凝固成預期的結構形狀。2014年聖地牙哥加州大學的研究員用此方法列印生物相容裝置，此裝置是由水凝膠製成的，具有類似肝臟的作用，可以檢測、捕捉血液中的毒素。

不過，也許最被廣泛使用的3D列印技術是熱熔沉積成型，此技術是將塑膠加熱以填入列印噴嘴，再將這半熔融材料往上層層堆疊。德國工程公司（EDAG）用熱塑性塑料為其外觀具有未來感的「創世紀」汽車建立架構，運用改良過的熱熔沉積成型製程，聲稱可以達到與利用碳纖維所打造的超輕、超強車身同樣的效果。有鑑於波音公司已經用碳纖維打造夢幻客機，何不造一台3D列印飛機呢？

按比例縮小

從龐然大物到微小之物，3D列印正在改變我們設計和創造的方式。電子裝置（見第96頁）的微型製造技術是相當具有前景的領域。現在已經可以列印鋰離子電池的電子電路和微型特性。電子愛好者也有能力快速設計與創造客製化的電子電路。群眾募資平台Kickstarter 委託Cartesian 公司開發一台列印機，能讓使用者將電路列印至不同材料上，包括布料，以製造可穿戴的電子產品。奈米科技研究員已經在調查可列印奈米機器的選項。其中有一種技術是使用原子力顯微鏡尖端，將分子印到表面上。然而，此方法難以控制「油墨」的流量。另一個可能的解決方案是靜電紡絲法，紡出帶電的聚合物到帶相反電荷的印刷表面上，讓圖案可併入表面，以控制材料附著的地方。

也難怪大家都為3D列印感到興奮，其創造的可能性是無止盡的。從客戶的觀點來看，也有明顯的好處（如不用大量生產、具有客製化座位的碳纖維車），甚至還有能完美符合的身體替代部位。

石墨烯

石墨烯塊很像鉛筆的鉛芯。誰能知道它含有如此強大、輕薄、有彈性，且具導電性的超級材料，讓地球上的其他材料相形失色？誰又能知道將石墨烯取出會如此容易？誰又知道這麼做可能會永遠改變我們的手機？

2010年諾貝爾物理獎得獎者之一海姆（Andre Geim），於諾貝爾演講的主題是「隨意走到石墨烯」。他承認，多年來他參與了許多不成功的計畫，結果最終他所追求的東西就隨機出現在這些計畫中。海姆在斯德哥爾摩大學演講時說道：「經過大約15年的時間，進行了24個左右的實驗。不出所料，大多數都慘敗。但有三個成功，那就是懸浮、...

化學通常被視為科學界的弱者。前幾天我和一個化學家談話時，她提到受夠了自己的研究計畫常被視為「只是一群人在實驗室裡把難聞的東西搞得一團亂」。不知怎麼地，化學被視為沒有生物重要，也沒有物理有趣。

因此，身為化學書籍的作者，我的挑戰是要幫助讀者破除這些印象，並為化學發聲。因為許多人並不知道化學的確是最棒的科學。

化學幾乎是所有事物的核心，其基石（原子、分子、化合物、混合物）構成地球上物質的每一部分。化學反應負責支持生命，創造生命所仰賴的事物。化學反應的產物，更可描繪出我們現代生活的進步──如啤酒與萊卡熱褲。

我認為化學給人刻板印象的原因，在於化學家並非著重在有重大意義、有趣的東西，而是專注於認識化學運作的規則、制定分子結構、反應方法等。雖然化學家可能會主張這些規則與方法非常重要，但大多數的人應該會同意這些規則與方法並不有趣。

因此，本書並沒有著墨於太多規則，因為想要了解規則的話，讀者可以在其他地方查到。我試著將焦點放在我認為重要且有趣的化學概念。這一路上，我一直試著效仿我的化學老師斯梅爾斯(Smailes) 的精神，是他教導我如何做出肥皂與尼龍，以及如何穿戴適合的領帶。

化學通常被視為科學界的弱者。前幾天我和一個化學家談話時，她提到受夠了自己的研究計畫常被視為「只是一群人在實驗室裡把難聞的東西搞得一團亂」。不知怎麼地，化學被視為沒有生物重要，也沒有物理有趣。

因此，身為化學書籍的作者，我的挑戰是要幫助讀者破除這些印象，並為化學發聲。因為許多人並不知道化學的確是最棒的科學。

化學幾乎是所有事物的核心，其基石（原子、分子、化合物、混合物）構成地球上物質的每一部分。化學反應負責支持生命，創造生命所仰賴的事物。化學反應的產物，更可描繪出我們現代生活的進步──如啤酒與萊卡...

簡介

01 原子　　
02 元素　　
03 同位素　　
04 化合物　　
05 聚在一起　　
06 改變狀態　　
07 能量　　
08 化學反應　　
09 平衡　　
10 熱力學　　
11 酸　　
12 催化劑　　
13 氧化還原　　
14 發酵　　
15 裂解　　
16 化學合成　　
17 哈柏法　　
18 掌性　　
19 綠色化學　　
20 分離　　
21 光譜　　
22 晶體學　　
23 電解　　
24 微製造　　
25 自組裝　　
26 晶片實驗室　　
27 計算化學　　
28 碳　　
29 水　　
30 生命的起源　　
31 天文化學　　
32 蛋白質　　
33 酶的作用　　
34 糖　　
35 DNA　　
36 生物合成　　
37 光合作用　　
38 化學訊息　　
39 汽油　　
40 塑膠　　
41 氟氯碳化合物　　
42 複合材料　　
43 太陽能電池　　
44 藥物　　
45 奈米科技　　
46 石墨烯　　
47 3D 列印　　
48 人造肌肉　　
49 合成生物學　　
50 未來燃料　　

元素週期表　　

簡介

01 原子　　
02 元素　　
03 同位素　　
04 化合物　　
05 聚在一起　　
06 改變狀態　　
07 能量　　
08 化學反應　　
09 平衡　　
10 熱力學　　
11 酸　　
12 催化劑　　
13 氧化還原　　
14 發酵　　
15 裂解　　
16 化學合成　　
17 哈柏法　　
18 掌性　　
19 綠色化學　　
20 分離　　
21 光譜　　
22 晶體學　　
23 電解　　
24 微製造　　
25 自組裝　　
26 晶片實驗室　　
27 計算化學　　
28 碳　　
29 水　　
30 生命的起源　　
31 天文化學　　
32 蛋白質　　
33 酶的作用　　
34 糖...