科學家發現新物質「黑氮」,有機會取代石墨烯成新一代導電零件?

石墨烯為具有良好的導電性質,常被拿來作為導電塗料,用於電池電極、光學感測器、光電材料等應用, 2018 年時車商 Ford 也宣布透過石墨烯材料用在汽車零組件中,由於其輕量化、高硬度的特性,能夠有效為車子提供降噪功能,被視為是未來汽車生產的潛力材料之一。

而德國拜羅伊特大學研究團隊近日於《物理評論快報》上發表了一項研究,他們發現了一種名為「黑氮」的新物質,不過黑氮並非全新元素,而是氮(N)的同位素異形體,這個透過極度高溫、高壓下產生的二維原子層的晶狀結構物質,結構與石墨烯相似,也同樣具有良好的導電性質,或許在未來也有可能被應用於高科技電子產品上,作為導電零件的材料之一。

德國拜羅伊特大學找出氮的同位素異形體「黑氮」。圖片來源:拜羅伊特大學

終於被認證 !其實氮也有同位素異形體

在標準的元素週期表排列中,元素會照著原子量數的遞增來排列,同一橫列即為一個週期,同一縱列稱為一個族,而同族元素往往會有相似的性質。而且在高壓之下,部分的非金屬元素,通常會有不同的結構性質的同位素異形體,例如碳金剛石、石墨都是 C 、而氧、臭氧都是 O ,不過長久以來科學家們不曾找出氮(N)的同位素異形體。

氮元素一直以來都被認為是週期表中不合群的一個元素,也不同於跟氮同一族(第 15 族)中的其他元素有相似性質,以與氮上下相鄰的磷(P)為例,磷在高壓之下也會產生會有白磷、紅磷、黑磷等同位素異形體,不過氮氣卻只有 N2 一種穩定結構,直到這次德國拜羅伊特大學的研究,才證實了氮氣其實也有同位素異形體存在。

高溫高壓極端條件才能得到的黑氮

為了製造出黑氮,科學家將氮元素放在極端的條件下才能產生,透過 140 萬大氣壓力、 4000 度 C 的高溫,並透過專業的儀器才能達到生產的條件,來催化出黑氮的存在。

主導這項研究的拜羅伊特大學教授 Dominique Laniel 表示,黑氮具有與在元素表上同族的黑磷相似的化學結構,證明了黑氮的發現並非是新元素的產生,而是同樣遵循著元素週期表的黃金法則。

有潛力取代石墨烯做導電零件?  科學家:仍有挑戰  

研究發現,氮在極度高溫、高壓下產生的黑氮中,會產生一種特殊的鋸齒狀二維晶狀結構,這個結構類似於石墨烯,也被認為具有良好的導電性,在未來有機會在高科技電子產品中具有應用價值。

不過黑氮的發現僅是初步的研究證明,而且型態也不穩定,要產生黑氮需要有專業的實驗室來產生極度高溫、高壓的環境,在正常條件下即會溶解。 Laniel 認為,目前的階段要達到工業應用仍有挑戰,不過這次的研究至少證明了氮元素在材料研究中有前所未有的大進展。

參考資料

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:pixabay)

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