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2019年石墨烯發展:從近身科技到貼身科技4
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口罩肺炎|城大研發石墨烯口罩 病毒黏上10分鐘後失去活性撰文:陳家怡2020-09-08 17:29最後更新日期:2020-09-08 23:50一般外科口罩並不抗菌,口罩上細菌和病毒可存活多個小時,或有二次感染的風險。香港城市大學團隊研發出嶄新技術,以低成本快速製造抗菌的石墨烯口罩。石墨烯口罩經過兩種人類冠狀病毒的初步測試,在陽光照射下,石墨烯可令全部病毒在十分鐘後失去活性,口罩將進行新冠病毒測試,預料日後可生產成即棄口罩和可重用口罩,對抗疫情。葉汝全表示,石墨烯口罩成本視乎原材料,估計售價會是外科口罩和N95口罩之間。(黃寶瑩攝)城大化學系助理教授葉汝全和團隊全球首次引用直接激光打印轉換的技術製造石墨烯模,研發口罩,能低成本快速製造抗菌口罩。(黃寶瑩攝)石墨烯口罩在陽光照射下,激光感生石墨烯可令兩種人類冠狀病毒在十分鐘後全部失去活性,口罩將進行新冠病毒測試。(黃寶瑩攝)石墨烯口罩在陽光照射下,激光感生石墨烯可令兩種人類冠狀病毒在十分鐘後全部失去活性,口罩將進行新冠病毒測試。(黃寶瑩攝)口罩在陽光照射下 10分鐘失活性激光感生石墨烯材料有殺菌抗病毒的功能,在太陽的光熱作用下,可殺死幾乎全部細菌,包括大腸桿菌和空氣中的細菌,一般外科口罩在陽光下殺菌只達六至八成。口罩經過兩種人類冠狀病毒的初步測試,激光感生石墨烯在陽光照射下可令全部病毒在十分鐘後失去活性,材料有助對抗新型冠狀病毒,口罩在10月至11月將進行新冠病毒測試。團隊研究在去年9月開始研究,發現以二氧化碳紅外線激光系統直接照射市面出售的一種塑膠材料聚酰亞胺薄膜,或其他生物材料,可生產立體的多孔石墨烯,能夠快速簡易地製造口罩。以這種直接激光打印轉換的技術製造石墨烯模,可將生產石墨烯和設定形狀的工序合而為一,節省時間和成本,可將大部份含碳的材料,包括纖維和紙張轉化為石墨烯。比起傳統生產石墨烯工序,這項技術條件簡單,在室溫環境可製造,而且產生的污染極低,相對環保。直接激光打印轉換的技術可調教石墨烯孔口的大小,令口罩方便呼吸。葉汝全相信,石墨烯口罩過濾病毒能力和外科口罩相若,更有抗病毒功能,有待通過認證測試,對人體安全。他指出石墨烯可生產成即棄口罩和可重用口罩的濾芯,大約可洗10次。基於環保,他表示傾向生產可重用的石墨烯口罩,但目前未和生產商有相關計劃,希望可盡快推出市場。另外,葉汝全表示石墨烯可用作發電,戴上石墨烯口罩呼吸造成的電勢差可以發電,使用口罩一般時間後,濕氣發電裝置亦可透過電勢差的改變檢測口罩被污染的程度。 https://www.graphenepower.com.tw/hot_367877.html 口罩肺炎|城大研發石墨烯口罩 病毒黏上10分鐘後失去活性 2022-08-16 2023-08-16
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【吳碧娥╱北美智權報 編輯部】

2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(Andre Konstantin Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Kostya Novoselov),成功在實驗中從石墨中分離出石墨烯,證實它可以單獨存在,並在2010年拿下諾貝爾獎。隨著電子產品大量工業化後,面臨體積和散熱技術的瓶頸,各大廠商再次將厚望寄予石墨烯,華為、三星在石墨烯手機上互較高下,是2019年手機的一大亮點,石墨烯正式進入商業化量產階段,不再只是近身技術而已,各種石墨烯穿戴式的貼身產品紛紛出爐。

由石墨烯旗艦計畫(Graphene Flagship)籌畫並獲得歐盟執行委員會(European Commission)與GSMA支持的Graphene Pavilion,在2019年世界行動通訊大會(MWC)上,展出超過20個基於石墨烯材料技術的原型裝置,包括行動裝置、健康監測及各項穿戴式裝置應用,這些原型和設備將可能改變未來的電信與人類生活。

由西班牙光子科學研究所(The Institute of Photonic Sciences,簡稱ICFO)策劃的石墨烯旗艦計畫在MWC 2016中首次亮相,這是歐洲有史以來規模最大的石墨烯研究計劃,現在已經進入第四個年頭,在MWC2019展會上,展示了石墨烯如何實現全新的連接方式,從單一連接設備到構成物聯網生態系統的嵌入式處理器、傳感器和通訊硬體網路。根據Graphene Flagship與ICFO發布的訊息,石墨烯在防衛與安全、資料與行動通訊、顯示、能源與環境、食品與健康、物聯網(IoT)、太空、汽車與運輸、穿戴式裝置等應用極具壞性創新潛力,石墨烯將從實驗室環境轉移到工廠,並在人們的生活中發揮越來越大的作用。

圖一、Graphene Flagship2019 年MWC的展示現場 (圖片來源...

圖一、Graphene Flagship2019 年MWC的展示現場 (圖片來源:Graphene Flagship)

在今年的MWC展會中,Graphene Flagship將焦點聚集在「未來電話」、「未來可穿戴式設備」,以及「未來家園」三大領域,參觀者可以親眼看到石墨烯技術如何提高互聯網連接速度,同時降低與數據傳輸相關的成本和能耗,進而改變通信業的面貌;同時也能改善健康相關穿戴式產品的準確度,並降低了功耗。

圖二、2019石墨烯發展三大焦點 (圖片來源:Graphene Flagship...

圖二、2019石墨烯發展三大焦點 (圖片來源:Graphene Flagship)

石墨烯將改變手機技術和電信,手機主要製造商已經在研究使用石墨烯來增強網路設備的各種可能性。從高速數據通訊到耐用複合材料、夜視鏡頭和音頻技術,石墨烯的可能性可說無窮無盡。石墨烯獨特的性能可與超寬頻(Ultra-wideband,簡稱UWB)通訊和低功耗相結合,滿足物聯網和即將到來的工業4.0需求,使得石墨烯設備成為5G、物聯網和工業4.0發展的關鍵因素。

未來手機:石墨烯電池

過去手機大廠都是仰賴大面積的金屬背板、限制最高溫度來控制手機散熱,隨著智慧型手機越做越輕薄,電池散熱和降低功耗勢必是要解決的大問題。2016年時,瑞典查爾姆斯理工大學(Chalmers University of Technology)Johan Liu研究團隊發現一種利用石墨烯薄膜冷卻電子產品的新方法,透過使用叠氮矽烷胺基增強石墨烯薄膜,成功將散熱效率提升到76%,該項研究為電子元件提供了新的熱能管理方案,利用在電子產品上能夠達到快速降溫的作用。石墨烯一躍成為終結手機鋰電池時代的秘密武器。

2018年6月,大陸知識產權局公告了一項由華為與劍橋大學聯合申請的石墨烯散熱專利,專利顯示華為發明了一種官能化石墨烯及其製備方法,而在去年10月,華為推出的智慧型手機Mate 20 X,選擇了超大容量的5000mAh電池,搭載的就是由石墨烯加上「液冷散熱系統」(HUAWEI SuperCool)組合,主推高效散熱、低溫穩定運行,這也是石墨烯技術首次在智慧型手機上得到應用。華為2019年新推出榮耀Magic2手機,除了主打3D仿生感光技術,也繼續採用石墨烯散熱技術,解決遊戲玩家遇到遊戲體驗不流暢、長時間手持手機感到燙手的情况。

圖三、華為石墨烯發明專利:「一種官能化石墨烯及其製備方法和聚有機矽氧烷」 (圖片...

圖三、華為石墨烯發明專利:「一種官能化石墨烯及其製備方法和聚有機矽氧烷」 (圖片來源:CNIPA(申請號:2017114556878))

雖然華為首先將石墨烯技術應用在手機上,但三星卻搶先一步在2017年布局了基於石墨烯電池解決方案的專利,去年10月三星官方微博曾經分享「石墨烯電池,利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發出的一種新能源電池。使充電容量增加45%,在60度高溫下仍可持續穩定,而且十幾分鐘就可以充滿電」,暗示三星已完成石墨烯技術研發,在短時間內可進行商用,2019年三星旗艦手機 Galaxy Note 10相當可能採用石墨烯電池,據稱充飽電只要12分鐘,成為三星新款手機的賣點。

耳機也用石墨烯

Nanene是一種採用專利製造方法生產的高品質少量石墨烯,具有可擴展性、成本效益、環保性,由英國曼徹斯特大學開發,並與英國石墨烯公司Versarien合作,目前已進入商用化階段, Versarien擁有可擴大生產規模的Nanene庫存。Versarien利用Nanene特性,以石墨烯塗層製造技術,創造了一種比傳統材料更薄更柔韌的耳機隔膜,測試發現Nanene可增強音頻波的高音和低音表現,這款耳機現已上市,售價約為台幣1800元。

圖四、Versarien推出的石墨烯耳機Nanene®Graphene-Enhanced Audio
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圖片來源:Versarien

未來的穿戴式設備:石墨烯健康追踪器

另一方面,石墨烯可偵測環境變化的敏感性,將成為可穿戴技術的重要元素,實現新智慧健康設備或擔任環境傳感器,在未來可穿戴設備中發揮關鍵作用的一部份。

石墨烯具備可撓性(pliability)、導電性、高硬度、輕薄、延展性、堅固、透明等特性,若能利用石墨烯在光電和機械的技術特性,可以超越其他材料的限制,成為監測生命特徵的關鍵元件。ICFO運用石墨烯可以適應任何表面的特性,據以發展出皮膚貼片的UV傳感器,可監測使用者的陽光曝曬程度並連線至行動裝置,在使用者陽光曝曬達設定臨界值時發出警訊。此外,石墨烯還能用於監測紫外線的多功能光檢測平台,可將石墨烯貼片結合紫外線檢測器NFC晶片,直接與手機連結進行紫外線監測,保護皮膚健康。

圖五、ICFO發展出石墨烯健康追蹤貼片
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圖片來源:Graphene Flagship

而輕質的石墨烯嵌入式泡沫,能反應出壓力變化情形,可結合在所有類型的鞋子中進行追蹤,讓電子產品和我們更貼身互動。劍橋大學劍橋石墨烯中心研發出一款可進行詳細性能監控的智慧鞋墊,以鞋墊中的石墨烯泡沫追蹤足部的壓力分布,用於運動分析和矯正足部。

圖六、石墨烯壓力感應鞋墊
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圖片來源:Graphene Flagship

未來家庭:石墨烯家居用品

若將石墨烯創新運用在智慧建築內部,因為不用受形狀因素的限制,更具環保、高效和互動性。從更精確的傳感器到更高效的太陽能電池板、或是智慧生態材料研發、可以過濾空氣和水中的污染物,石墨烯將能提高我們的生活品質。電子鑰匙是石墨烯應用在NFC器件的第一個例子,石墨烯NFC天線可應用在幾種柔性材料中,為金屬天線提供可靠和環保的替代品,顯示石墨烯在家庭自動化中的新應用潜力。

圖七、石墨烯電子鑰匙CNR
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圖片來源:Graphene Flagship

石墨烯可以摻入常用建築材料中,像是在混凝土中以石墨烯產生高導電性複合材料。根據義大利公司Italcementi研究,石墨可作為智慧創新建築的解决方案,為地板和牆壁加熱、室外除冰、電氣接地,和傳感導電石墨烯混凝土,提高智慧家居的舒適性和安全性。

此外,石墨烯可以製造具有高功率效率和長壽命的大面積鈣鈦礦太陽能電池,採用石墨烯相關材料有助提高太陽能電池的穩定性和效率,石墨烯優異的電氣特性也正在發展為未來的清潔能源。

圖八、以石墨烯發展太陽能可持續能源
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圖片來源:Graphene Flagship

污染和空氣品質差是全球健康問題的主要原因,物聯網技術推動了準確、即時的環境監測,由愛沙尼亞塔爾圖大學(University of Tartu)研發的石墨烯空氣嗅探器(Graphene Air Sniffer),展示了基於石墨烯製造的微型傳感器,可以檢測空氣中極低水平的有害氣體,如二氧化氮或臭氧。

圖九、用於空氣污染的石墨烯電子鼻Graphene Air Sniffer
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圖片來源:Graphene Flagship

資策會產業情報研究所(MIC)所長詹文男認為,石墨烯因為快充與散熱優勢而被應用於資通訊產品,今年MWC展會可觀察到此項材料已被運用於微型感測晶片,貼附在手機甚至是人體皮膚上,協助各式感測機能的穿戴化,石墨烯正式從近身科技走入貼身科技,預期將為智慧醫療與健康等應用創造出龐大的潛在商機。

 

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