先前《科技新报》报导 1 美元折纸显微镜,无独有偶的,折纸概念也应用在奈米层级,要打造便宜又有效率的新型氢容器。话说氢燃料电池的发展关键之一,就是如何储存氢,美国能源部就认为氢的储存技术相当重要,订下发展时程,计划要在 2017 年,开发出可以携带总重量 5.5% 氢的容器,到 2020 年,则重量比要提升到 7.5%。一个容器里头只有 5.5% 重量是氢,会不会太少?这一方面是因为氢的重量很轻,一方面是为了安全因素增加了很多额外重量,因此现有的氢储存方式,可说非常没有效率。
马里兰大学的李腾教授及其研究团队,却轻松地打破了2020年的目标,是怎么做到的?关键就在于先前提过的折纸概念。概念其实很简单,我们都有拿广告纸折成纸盒来装东西的经验,研究团队就是用奈米折纸盒来装氢原子。
不过,研究团队折的不是纸,而是地球上最薄的折纸材料石墨烯,这是奈米层级的折纸,当然也不可能用手折,而是让它自己折起来,还能自己打开。
整个过程称之为“氢协助下的石墨烯折纸”(hydrogenation-assisted graphene origami ,HAGO),原理是这样的,石墨烯是一片极薄的碳原子片,研究团队先把石墨烯裁成可折成纸盒的形状,当氢原子附着在石墨烯上头,会产生静电引力,让石墨烯自己折成盒子状,把氢原子包在里头。
而当需要取出氢原子的时候,就对盒子施以电场,抵销天然的静电,盒子就会自动打开,释放出氢原子;只要电场关闭,石墨烯又会自动折回去,这个过程可以重复无数次,结构仍然保持稳定,过去曾认为奈米碳管可成为高效率的轻容器,但由于结构不稳定,最后实际的表现只有 1%,这次石墨烯折纸技术则没有此种问题,而由于折纸方式可容纳更多氢原子,石墨烯本身又是轻量材料,因此重量比可达到 9.7%,远远超过了美国能源部订下的未来目标。
小时候我们折纸鹤,折纸袋鼠,只为了好玩与打发时间,谁知道折纸也可以是未来能源技术的关键呢?
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