如何當上新材料之王

admin4 2016-10-27 10:12:14

　　石墨烯是什么?

　　在本質(zhì)上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。大家都知道，石墨的結(jié)構(gòu)大概是這樣的：

　　石墨是由大量的層狀結(jié)構(gòu)疊在一起組成的;而用某種技術從這摞層狀結(jié)構(gòu)中分離出一層來，這厚度僅一原子的平面石墨便是石墨烯材料了。

　　盡管用了“用某種技術”這種看起來很厲害又很麻煩的形容，但其實如果不考慮效率的話，我們平時考試用2B鉛筆涂機讀卡的同時，便能生產(chǎn)出石墨烯——雖然這些微小的石墨烯碎片和另外一些大點的石墨殘渣被世間統(tǒng)稱為“鉛筆渣”吧。

　　那么科學家們又是如何制備石墨烯的呢?

　　如何制備石墨烯?

　　最初，科學家們選擇的方法是化學剝離法(chemical exfoliation method)。簡單來說，這種方法便是先將大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨層間化合物;而正如之前提到過的，在石墨的三維結(jié)構(gòu)中，每一層石墨都可以被視為單層石墨烯，于是再通過化學反應處理除去大原子或大分子后，我們就得到了石墨烯……泥。

　　由于這堆石墨烯泥實在難以分析與控制，于是科學家們累覺不愛就沒再進行這方面的研究了。不過還有一些科學家采用化學氣相沉積法(CVD)，將石墨烯薄膜外延生長(epitaxial growth)于各種各樣基板(substrate)，可初期品質(zhì)并不優(yōu)良(不過現(xiàn)在化學氣相沉積法是最有可能實現(xiàn)工業(yè)化制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的方法)。

　　然后，到了2004年，大戲終于上演。一個叫安德烈·海姆的科學家讓他帶的博士生將一塊石墨制成薄膜。三周后博士生給他看時，那石墨還有10微米厚，大概有1000層左右。海姆嫌其太厚讓博士生再處理處理，不料博士生有禮貌地回答道：“如果你這么聰明，你自己試試。”

　　海姆聽了微微一笑：“年輕人, 你還是 too young too naïve。難道你當真認為我海姆真制不出石墨烯嗎?”隨后他起身打呼曰：“大家都給我跪好了，看我的海氏制烯法!”說罷，在眾目睽睽之下，海姆搖身一變，變出了他的秘器——膠帶。

　　霎時間，滿堂驚呼，而后又鴉雀無聲，眾人屏息，但見：

　　海姆將石墨片放置在塑料膠帶中，折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側(cè)，再撕開膠帶，自然，石墨片也會隨之一分為二;不斷重復這個過程，就能得到越來越薄的石墨片，而直到其中有部分樣品僅有一層碳原子構(gòu)成時，石墨烯就制出來了。

　　——吭。。制石墨烯的過程怎么充滿了家庭試驗的感覺啊喂——這種想法小編原來確實也有過，不過，其實真正困難的部分是如何將制出來的石墨烯從大量石墨殘渣中挑出來。

　　對此，海姆的秘訣是，如果將石磨烯放置在鍍有在一定厚度的氧化硅的硅片上，利用光波的干涉效應，就可以有效地使用光學顯微鏡找到這些石墨烯。而這一步則對精度要求極高：例如，假若氧化硅的厚度相差超過5%，不是正確數(shù)值300nm，而是315nm，就無法觀測到單層石墨烯——所以說，大家也不要想著在家制出石墨烯然后搞出個大新聞什么的了(笑)。

　　那么現(xiàn)在的科學家們是如何制備石墨烯的呢?

　　主流的石墨烯制備法有以下這幾種：

　　機械剝離法：類似海姆想出來的那種方法，即利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動，得到石墨烯薄層材料。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)——

　　但是，得到的片層小，且生產(chǎn)效率低。

　　氧化還原法：是通過將石墨氧化，增大石墨層之間的間距，再通過物理方法將其分離，最后通過化學法還原，得到石墨烯的方法。這種方法不僅操作簡單，而且產(chǎn)量也很高——

　　但是，產(chǎn)品質(zhì)量較低。

　　SiC外延生長法：通過在超高真空的高溫環(huán)境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。用這種方法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯——

　　但是，這種方法對設備要求較高。

　　CVD(即之前提到過的化學氣相沉積法)：是目前最有可能實現(xiàn)工業(yè)化制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的方法。這種方法制備出的石墨烯不僅產(chǎn)量大，而且質(zhì)量也很高——

　　但是，現(xiàn)階段成本較高，工藝條件還需進一步完善。

　　如大家所見，現(xiàn)階段每一種制備法都各有優(yōu)劣，而都尚不能以較低成本量產(chǎn)石墨烯——因此石墨烯依然是種“未來材料”。

　　不過說了這么多如何制備石墨烯，如此千辛萬苦制備出的石墨烯到底有什么特性，又有何應用呢?

　　石墨烯的特性

　　石墨烯的特性有好幾個“最”——首先，石墨烯最硬。它比鉆石還硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍，是人類已知強度最高的物質(zhì)。換句話來說，人們可以用石墨烯造出金剛狼的曼德拉合金。

　　不過當然了，機智如你們的你們一定已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：石墨烯只是二維材料啊，如果真造成金剛狼的三維的鋼爪它不就又變回石墨的強度了嗎!!

　　吭。。這倒是，不過人家的性能可不止這一個呢。它還最薄、導電導熱性能最強;同時又有著良好的彈性，而且非常致密，還有著極好的透光性……

　　——好吧好吧，也難怪石墨烯能被稱作“新材料之王”什么的了呢。——

　　石墨烯的應用

　　鑒于不以應用為目的的材料研制都是犯罪，而并沒有任何消息報道海姆目前進了監(jiān)獄，所以，石墨烯的用途到底是什么呢?

　　我舉幾個典型的例子：

　　生產(chǎn)電子產(chǎn)品：石墨烯是制造可彎曲顯示設備和接觸面板及超高速電子器件的理想材料。且如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲器和其他器件的原型樣品當中;且作為目前導電性最強的材料，石墨烯尤其適合于高頻電路，而這也使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力，研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，認為它能用來生產(chǎn)未來的超級計算機。

　　制作光子傳感器：石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，用于檢測光纖中攜帶的信息。現(xiàn)在,這個角色還在由硅擔當，但硅的時代似乎就要結(jié)束。去年10月，IBM的一研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器。

　　“為什么會變成這樣呢?是我，是我先，明明都是我先來的……做晶體管也好，生產(chǎn)超級計算機也好，還是做光子傳感器也好——硅”

　　制作優(yōu)良的太陽能電池：因為石墨烯是透明的,用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性。透明的石墨烯薄可制成優(yōu)良的太陽能電池。

　　用于航空航天、汽車和建筑等領域：石墨烯不僅可用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣,甚至能讓科學家夢寐以求的 2.3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實。 (沒錯，你真的沒有看錯!真的是太空電梯! 石墨烯，滿足你中二的夢想)

　　制作納米抗菌材料：上海應用物理所物理生物學實驗室探索了氧化石墨烯的抗菌特性,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2h后，對其抑制率超過90%;更重要的是，氧化石墨烯不僅是一種新型的優(yōu)良抗菌材料，而且對哺乳動物細胞產(chǎn)生的細胞毒性很小。中國科研人員發(fā)現(xiàn)細菌的細胞在石墨烯上無法生長，而人類細胞卻不會受損。利用這一點石墨烯可以用來做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤。

　　…………

　　如果我再一條一條把石墨烯的可能用途列下去的話估計我自己就要先倒下了所以就此打住——

　　看得出來，石墨烯的用途覆蓋各個領域，堪稱是完美的新材料——除了還沒辦法低成本量產(chǎn)這一點。不過我們的確有理由期待石墨烯在不遠(或者很遠?)的未來定會為我們的世界帶來又一次技術革命。