玻璃碳,又名玻璃質碳或玻璃型碳,是一種非石墨化的碳材料,結合了玻璃、陶瓷與石墨的特性。這種材料因其特殊的性質而廣泛應用於電化學領域,如電極材料、高溫坩埚及某些假體的組成部分。其主要特點包括高熱穩定性、高熱導率、硬度、低密度、低電阻、低摩擦、極高的化學抗性以及氣體與液體的不可滲透性。
玻璃碳在電化學的應用中,是許多先進技術的重要材料,並在高溫及極端環境下表現出色。
玻璃碳的發現可追溯至1950年代中期,當時英國卡博倫達公司的一位材料科學家伯納德·瑞德芬首次觀察到其特性。在一次實驗中,他發現用來固定陶瓷樣品的膠帶在惰性氣氛中燒結後,變成了保留原形的特殊結構。這一發現促使他尋找可以模仿鑽石結構的聚合物基體,最終找到了能在無催化劑的情況下固化的酚醛樹脂。
玻璃碳的結構一直是科學界爭論的焦點。早期的結構模型認為其包含sp2和sp3鍵結原子,但後來研究證實玻璃碳完全是sp2鍵結的。最新的研究表明,玻璃碳具有類富勒烯的結構,並展現出貝殼狀斷裂。
根據IUPAC的定義,玻璃質碳不能被描述為無定形碳,因為其由二維結構元素組成,並不會顯示出“懸鏈”鍵。
在水溶液中,玻璃碳電極被認為是氫氧離子還原的惰性電極。其獨特的電化學性質使得玻璃碳在許多高端應用中扮演著關鍵角色,尤其是在製作各種傳感器的電極時。
除了一般的玻璃碳外,還存在一種稱為網狀玻璃碳(RVC)的泡沫形式。這種泡沫在1960年代中期開發,具備優越的熱絕緣性及微孔結構,通常用作電化學中的三維電極。RVC泡沫具有高孔隙率、高表面積及優異的熱穩定性,讓其在生物應用中也成為有效的材料。
由於其特定的表面取向,玻璃碳被廣泛應用於傳感器的電極製造。經過修改的玻璃碳電極又被稱為化學修飾電極,這使其在電化學應用中具有更大的靈活性和適應性。此外,玻璃碳及碳/碳纖維複合材料因其生物相容性、穩定性及簡單的製造工藝而被用於牙科植體和心臟瓣膜。
玻璃碳的無與倫比的性能使其成為各個領域中研究的重要材料,無論是科學實驗還是工業應用,它的潛力仍然在不斷被挖掘。
在探索玻璃碳的多重用途及其優異性能的過程中,我們不禁要思考,未來這種材料將如何在新的科技創新中發揮更大的作用與影響呢?