“土辦法”制出新材料

 

　　 科學(xué)家近日公開了一份賦予用戶“超強(qiáng)視覺”的隱形眼鏡制造計劃，來自美國密歇根大學(xué)的研究團(tuán)隊說，這種隱形眼鏡內(nèi)嵌入石墨烯，感光功能極佳，能夠偵測到可見光與不可見光，如紅外線一般，具有夜視功能。這一消息使石墨烯再次罩上神奇光環(huán)。

 

　　 第一片單層的石墨烯的誕生并無多少“技術(shù)含量”。安德烈·蓋姆用透明膠帶在石墨上粘一下，這樣就會有石墨層被粘在膠帶上。然后把膠帶對折后，粘一下再拉開，這樣，膠帶兩端都有石墨層，石墨層又變薄了。如此反復(fù)，膠帶上的石墨層薄到只有一個碳原子的厚度時，石墨層也就變成了石墨烯。 

 

　　 科學(xué)家們在定義石墨烯的時候顯得有些為難。中科院半導(dǎo)體研究所研究員譚平恒告訴記者，蓋姆教授在2007年發(fā)表的石墨烯論文綜述中，對到底具有多少層碳原子的二維晶體結(jié)構(gòu)才能稱為石墨烯進(jìn)行了明確的界定：“單層、雙層、多層（3層至10層）材料由于仍然保持二維晶體特性，可稱為石墨烯。”

 

　　 中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟2013年就石墨烯材料的定義給出標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為石墨烯是該標(biāo)準(zhǔn)定義的單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯（3層至10層）的統(tǒng)稱。譚平恒認(rèn)為，如何鑒別廣義石墨烯層數(shù)是目前石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展亟需解決的問題。

 

　　 盡管“名”還不正，但各國已表現(xiàn)出足夠熱情。2013年1月，歐盟將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一，計劃10年提供10億歐元資助；英國在2012年底宣布將追加投資2150萬英鎊資助石墨烯商業(yè)化進(jìn)程，并建立一個國家級研究機(jī)構(gòu)；美國、韓國、日本則分別在石墨烯制造電腦芯片和晶體管領(lǐng)域、柔性觸摸屏和柔性有機(jī)電致發(fā)光器件領(lǐng)域、透明導(dǎo)電膜和散熱膜領(lǐng)域走在世界前列。

 

　　 據(jù)不完全統(tǒng)計，當(dāng)前世界上做石墨烯規(guī)模制備的公司有50多家，其中我國就有十幾家，不少研究成果已居世界前沿。

 

　　 挑戰(zhàn)各種“不可能”

 

　　 憑借其特殊的物理結(jié)構(gòu)和特質(zhì)，石墨烯可以在多個領(lǐng)域帶來顛覆性的變革。

 

　　 如果將其成功用于超級電容器或鋰離子電池的電極材料，套用當(dāng)下比較流行的話，“媽媽再也不用擔(dān)心我的電池了”。據(jù)中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛博士介紹，儲能材料有兩個關(guān)鍵指標(biāo)，一是導(dǎo)電性，石墨烯是目前世界上電阻率最小的材料，電子在石墨烯二維平面上自由遷移，就好比汽車開上高速公路一般暢通無阻；二是比表面積，這直接影響儲能材料的比容量，也就是電池的續(xù)航能力。所有組成石墨烯的碳原子都在表面，對于儲能都是有效的，一點都不浪費(fèi)。“只用5分鐘手機(jī)就可以完成充電，而且可以用3天甚至更長。”陳成猛介紹說，這一應(yīng)用可能會為電動車動力電池開啟新的窗口，在節(jié)能環(huán)保方面有望突破。

 

　　 手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品用久了會發(fā)熱，這是因為持續(xù)的工作產(chǎn)生的熱量無法通過散熱片及時與外界交換。隨著高功率電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，對散熱的要求越來越高，而這恰恰是石墨烯的機(jī)會。

 

　　 據(jù)陳成猛提供的資料，室溫下石墨烯的理論導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300瓦/米·開爾文，美國在實驗室已測到單片石墨烯熱導(dǎo)率超過4000瓦/米·開爾文，這超越了碳納米管、金剛石和高定向石墨，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)熱性能最好的金屬銅達(dá)一個數(shù)量級。“但這些性能都是基于一個非常微觀的納米尺度，看不見、摸不著，真正應(yīng)用于實際就比較困難。”陳成猛說，依據(jù)石墨烯高導(dǎo)熱的性能，他們研究所已成功將石墨烯和碳纖維復(fù)合成新的薄膜，導(dǎo)熱率能超過1100瓦/米·開爾文。

 

　　 氧化石墨烯算是石墨烯的“近親”，利用它制成的薄膜具有多種優(yōu)異性能。2012年，中國科技大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系吳恒安教授與安德烈·蓋姆教授課題組合作，利用氧化石墨烯制作出一種新型隔氣透水薄膜材料。他們做了一項有趣的實驗，用這種薄膜封好一瓶伏特加酒，結(jié)果隨著水分蒸發(fā)，酒的味道越來越濃。吳恒安說：“水與石墨烯表面特殊的相互作用，加速了水分子通過納米寬道的速度”。

 

　　 2014年，這個合作研究組進(jìn)一步制作出具有超強(qiáng)離子篩選功能的氧化石墨烯薄膜。據(jù)吳恒安介紹，水環(huán)境中的氧化石墨烯薄膜在水的作用下，可以阻止水中半徑大于0.45納米的離子或分子通過。這些發(fā)現(xiàn)在海水淡化與凈化、傳感技術(shù)以及能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

　　 碳族新秀太“貴族”

 

　　 有著碳族眾多優(yōu)良基因的石墨烯，走向市場還要假以時日。陳成猛告訴記者，目前絕大多數(shù)石墨烯廠家還處于從實驗室到中試，或中試向產(chǎn)業(yè)化的過渡階段。

 

　　 “事實上，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，面臨的核心問題是，下游應(yīng)用沒有打開，石墨烯無法產(chǎn)品化，生產(chǎn)工藝也就無法定型和固化。”陳成猛說。當(dāng)前石墨烯“有價無市”，價格過高。根據(jù)不同的品味，石墨烯價格在每克1000元到8000元價格不等，高昂的價格抑制了市場需求，現(xiàn)有需求僅限于研究機(jī)構(gòu)、科研院所。

 

　　 而制備技術(shù)不成熟也阻礙了石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用。陳成猛介紹，制備石墨烯目前比較成熟的方式有物理法和化學(xué)法，其中物理法的典型代表是用膠帶粘貼的方式從石墨晶體上獲得，這種方法能拿到結(jié)構(gòu)非常完美的石墨烯晶體，比較適用于開發(fā)電子器件或物理研究，但無法量產(chǎn)。

 

　　 量產(chǎn)主要依賴化學(xué)法，一種被學(xué)界稱為“自下而上”法，也就是從小分子或碳原子通過化學(xué)氣相沉積、外延生長或有機(jī)合成等途徑組裝成石墨烯片。這種方法規(guī)模相對容易做大一些，所獲石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)相對完整，更適合去做觸摸屏或太陽能電池的透明導(dǎo)電薄膜。另一種方式就是“自上而下”法，有時也叫化學(xué)剝離法，就是把三維的石墨晶體層層拆解開來，剝成單層或少數(shù)幾層的石墨烯產(chǎn)品。

 

　　 “各廠家的工藝路線和所用插層劑是有差別的。有的用鹽插層然后液相剝離，這種方法制備的石墨烯含氧量低，導(dǎo)電性能好，但剝離程度相對低一點，比表面積不太大，更適于做導(dǎo)電劑；有的先氧化插層然后剝離，這種方法剝離程度高，比表面積大，但做出的石墨烯缺陷比較多，含氧量大，表面活性強(qiáng)，更適合去做催化、儲能等應(yīng)用。”陳成猛說。面向石墨烯材料的先進(jìn)工藝開發(fā)、裝備制造和過程控制仍然是個大課題。

 

　　 從目前的技術(shù)發(fā)展來看，最有可能實現(xiàn)工業(yè)化使用石墨烯的下游行業(yè)是復(fù)合材料領(lǐng)域和顯示技術(shù)領(lǐng)域。將石墨烯添加到塑料(10825, -60.00, -0.55%)、橡膠(15725, 10.00, 0.06%)、涂料等基體中，“調(diào)”出來的產(chǎn)品在性能上會更強(qiáng)。而對于氣相沉積法制成的石墨烯，陳成猛認(rèn)為其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在觸摸屏和太陽能電池等領(lǐng)域。