反常現象   反直覺膨脹特性的二維奈米材料

編譯／高晟鈞

相信大家一定有經驗，在吹氣前會將氣球拉一拉，這樣氣球比較好吹起，這是因為氣球兩相鄰分子間的交互作用力增加了，同時也增加了氣球的張力。

然而，科學家Noah Stocek與Giovanni Fanchini博士合作開發了一種奈米材料，得到了與氣球完全相反的現象。

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拉脹材料

一般材料在拉伸時，垂直於拉伸方向的部分會收縮（想像有一條橡皮筋，你拉長時拉會變長）；然而拉脹材料（Auxetics）卻會在拉伸時，垂直於拉伸方向的部分會膨脹（橡皮筋在拉長時變寬），這是因為其內部特殊結構，造成其形變方式的不同。

有拉脹特性的材料及結構多半會有高吸震及高斷裂抵抗的能力，拉脹材料可用在像防彈背心、包裝材料、護膝及護肘、強吸震材料等。

反直覺的二維材料

Noah與Giovanni配製了半碳化鎢（W₂C）的二維奈米片，便具有這種拉脹特性。由於W₂C材料中的分子由1個碳原子與2個鎢原子組成，並本身的奈米結構如同雞蛋盒中的凹坑表面般，當張力沿著一個方向施加在彈性奈米片上時，隨著凹坑變平，會在另一個維度上擴展。

在這項創新之前，只有一種材料可以以這種違反直覺的方式、每單位長度膨脹10%。作為比較，半碳化鎢奈米片可膨脹至40%，創造了新的世界紀錄。

困境

然而使用一般的化學方法建構W₂C是不可能的，因此需要使用電漿物理學來形成單原子層，電漿體由帶電原子粒子組成，是物質的第四種狀態（固體、液體和氣體），常用於於霓虹燈、螢光燈管和平面電視等產品中。

另一方面，製造二維奈米材料通常使用特殊的熔爐，將氣體加熱至高溫後，產生化學反應形成需要的物質，然而這卻不適用於W₂C。因此，Noah與Giovanni設計了一種新的定制儀器，用來加熱W₂C氣體形成電漿態。

改變與展望

W₂C奈米片有著無數可能的應用，包括了測量從家庭管道到飛機機翼的膨脹與拉伸，檢測其破裂的風險。此外，由於新的奈米材料更具導電性，因此可以將檢測到的變化，直接發送到其他電子設備。

另一種應用是將W₂C奈米材料嵌入可拉伸電子產品中，例如可穿戴技術，以便它們具有更高的導電性。

資料來源:ScitechDaily

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