有看過日本動畫大師宮崎駿的名作「天空之城」嗎？電影中的城市「拉普達」因為擁有「飛行石」而具備了翱翔空中的能力。在現實世界裡，我們並沒有如科幻片裡的反重力科技，因此要讓物體漂浮的原理就只有讓作用於物體向上的力大於或等於重力。所以鳥兒藉由拍動翅膀飛行，熱氣球則利用浮力克服重力。如果有一種物質（不是氣球），它很強韌但是密度甚至比空氣還小，在空氣裡的浮力除了支撐自己的重量還有餘裕，這會不會就是建造天空之城「拉普達」的關鍵材料？
這種材料並非虛構，1931年美國科學家Samuel Stephens Kistler就已經在實驗室裡製造出來了，科學家把它們取名為「氣凝膠(aerogel)」，簡單講就是把果凍（凝膠）裡的水用空氣取代。目前常用氣凝膠的成分跟玻璃一樣是SiO2，只不過體積裡超過99.8%是空氣，密度1.9 kg/m3比純空氣(1.2 kg/m3)略重，因此只能漂浮在較重的氣體上面（例如CO2）。最輕的SiO2氣凝膠密度可達1.0 kg/m3，勉強可以飄浮在空氣上，但僅能支撐自己而幾乎不足以承受額外的重量。然而，真正比空氣輕很多的氣凝膠則是由石墨烯(graphene)所組成，在2013年被開發出來，其密度只有讓人瞠目結舌的0.16 kg/m3，空氣的13 %而已。
石墨烯氣凝膠製作過程的第一步跟做果凍類似，需要先把石墨烯氧化物(graphene oxide, GO)水溶液膠化，重點在於讓懸浮的GO膠化後能部分還原並形成泡沫般的多孔3D網絡；待液體移除後便可得到泡沫狀3D結構，再經還原程序則成為石墨烯氣凝膠。這個過程程序繁瑣，產量也不大，而且石墨烯品質通常不佳。若真的有人異想天開想造個天空之城，如何快速且低價的量產石墨烯氣凝膠就成為最重要的關鍵技術。現在，美國紐約大學水牛城分校(University at Buffalo, the State University of New York, SUNY Buffalo)與堪薩斯州立大學(Kansas State University)的科學家在知名期刊Small發表了一種用3D列印「印」出石墨烯氣凝膠的原型技術。這技術或可讓快速且低價的量產石墨烯氣凝膠成為可能。
要3D列印氣凝膠，主要的基材需要先與其它低流動性的漿料混合（例如高分子），這樣才能像擠牙膏一樣從列印頭內擠出來成形，例如印出一根垂直棒子或一道牆。然而，在石墨烯作為基材的例子裡，這步驟並不容易。因為石墨烯本質上非常疏水，要均勻分散在溶質裡就需要先氧化成親水的GO。但是，比高分子漿料更容易流動的GO水溶液，在列印時只會印出一攤GO水溶液而不是立體結構。SUNY Buffalo的研究人員另類思考，把用來列印的基板降溫到-25 oC，當GO溶液被塗佈到低溫基板時會立刻凍結，因而可以維持3D結構。一旦3D結構在低溫列印完成，研究人員用液態氮對這個「GO冰雕」施以「冷凍乾燥法」去除水分，留下來的就是GO氣凝膠了。緊接著研究人員將GO氣凝膠進行高溫還原程序還原成石墨烯，石墨烯氣凝膠就完成了。這個方法所製作的石墨烯氣凝膠的密度可控制在0.5 kg/m3到10 kg/m3之間，固然不及最佳值的0.16 kg/m3，然而雖不中亦不遠矣。重點是這個製程既快速又便宜，而且要什麼形狀都可以。
近幾年3D列印已經成為工業應用的顯學，科學家與工程師們無不絞盡腦汁的設法印出各種不同材料。如今石墨烯氣凝膠也加入百花齊放的行列，或許哪天我們真的有辦法用石墨烯氣凝膠造個天空之城，屆時科學家可就要為另一個問題傷腦筋：空氣裡有大量的氧氣，石墨烯又是純碳構成的良導體，飛天時可千萬別遇到打雷！
相關成果發表在2016年2月的Small期刊線上版。
Q. Zhang, et al., Small 2016 (ASAP)
DOI: 10.1002/smll.201503524
責任編輯：莊鎮宇
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