去石墨烯國王的路有多長

去石墨烯國王的路有多長  


去年，華為負(fù)責(zé)人任正非表示，未來10到20年將迎來顛覆石墨烯硅的時(shí)代。隨后，西方媒體報(bào)道西班牙開發(fā)了石墨烯，可以持續(xù)1000公里8分鐘。近年來，石墨烯似乎已成為所有強(qiáng)大新材料之王。

中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所（以下簡稱長春應(yīng)用化學(xué)研究所）研究員牛力最近在石墨烯材料的制備和應(yīng)用方面取得了重要進(jìn)展，榮獲2015年吉林省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

牛力告訴《中國科學(xué)雜志》，盡管石墨烯材料具有相當(dāng)特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，但在實(shí)際應(yīng)用之前，還有很長的路要走。

石墨烯存在于自然界中，但很難剝離出單層結(jié)構(gòu)。厚度為1毫米的石墨含有大約300萬層石墨烯。

2004年，曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃索洛夫?qū)⑹c高定向熱分解石墨分離，然后將石墨片的兩面粘在一條特殊的膠帶上，撕開膠帶，將石墨片分為兩部分。

他們繼續(xù)這樣做，床單變得越來越薄。最后，他們得到了一塊只有一層碳原子組成的薄片，那就是石墨烯，他們還獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

根據(jù)紐里的說法，石墨烯是一種二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的新型含碳材料，由碳原子緊密地填充。它具有優(yōu)良的電氣、機(jī)械、熱學(xué)和光學(xué)性能。

在室溫下，石墨烯的電阻率比銅或銀低，是世界上最小的材料，由于石墨烯的電阻率低、電子遷移快，有望用于發(fā)展更薄、更快的導(dǎo)電生成或。

石墨烯是最薄最硬的材料，實(shí)驗(yàn)表明，如果吊床是由面積為1平方米的石墨烯制成的，它的重量不到1毫克，但它能承受1公斤貓的重量。

另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，即使是最小的氣體原子（氦原子）也不能穿透，這些特性使它非常適合透明電子產(chǎn)品的原材料，如透明觸摸屏、發(fā)光板和太陽能板。

石墨烯的特殊性質(zhì)使其迅速成為國際先進(jìn)材料研究和開發(fā)的新熱點(diǎn)，引發(fā)了國內(nèi)外研究人員的后續(xù)研究，其中牛力團(tuán)隊(duì)就是其中之一。

近年來，牛力在長春英華研究所現(xiàn)代分析技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)了材料電化學(xué)研究小組，密切關(guān)注了石墨烯材料國際研發(fā)的最新動(dòng)向，開展了一系列理論設(shè)計(jì)、制備和研究工作。二維石墨烯材料在電分析化學(xué)領(lǐng)域的作用、合成、表征及應(yīng)用。

由于石墨烯片層間的強(qiáng)相互作用，很難將其剝離。紐里告訴記者：傳統(tǒng)的氧化剝離方法是通過強(qiáng)氧化劑，使石墨烯邊緣氧化，存在扭曲的片層結(jié)構(gòu)。由于使用了大量強(qiáng)氧化劑，如高錳酸鉀等，濃硫酸等試劑制備的石墨烯材料可控性差，缺陷多，收率低，而且直接用該方法生產(chǎn)氧化石墨烯，需要進(jìn)一步還原處理才能得到最終的石墨烯材料。

牛力的團(tuán)隊(duì)利用微波能量作為輔助，有機(jī)小分子插層劑通過微波逐漸滲透到石墨烯片之間的插層劑中，使石墨烯片逐漸剝離，這項(xiàng)技術(shù)不僅可以直接生產(chǎn)出高度可還原的石墨烯材料，而且不需要石墨烯氧化以低成本大量生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯材料。

目前，昂貴的化學(xué)氣相沉積方法在石墨烯薄膜制備中得到了廣泛的應(yīng)用。牛力團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種方法很難控制石墨烯薄膜的厚度，特別是對于復(fù)雜的圖案設(shè)計(jì)。此外，化學(xué)還原劑，無論是液相還是氣相，都會(huì)導(dǎo)致使用二級化學(xué)試劑。

我們采用電化學(xué)技術(shù)來控制氧化石墨烯在界面上的電化學(xué)還原沉積，只需通過電子轉(zhuǎn)移過程。牛力說：這種方法簡單、成本低、綠色環(huán)保、結(jié)構(gòu)厚度和性能可控。

牛力的團(tuán)隊(duì)還探索了新型石墨烯及其混合材料在電極界面改性、分析傳感等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)并制備了石墨烯片層、薄膜和石墨烯雜化材料，進(jìn)一步探討了石墨烯及其雜化材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征和反應(yīng)機(jī)理。石墨烯及其雜化材料應(yīng)用于傳感分析、復(fù)合材料和環(huán)境領(lǐng)域。

作為一種工業(yè)技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化還需要克服許多困難，牛力指出，盡管國際上已經(jīng)發(fā)表了一些研究成果，石墨烯已應(yīng)用于電池、器件結(jié)構(gòu)、機(jī)械增強(qiáng)材料、導(dǎo)熱膜和熱釋光材料等領(lǐng)域，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在許多困難。在她的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域仍有許多科學(xué)和工程問題需要解決。

由于石墨烯的制備方法還存在技術(shù)缺陷，實(shí)驗(yàn)室研制的石墨烯的成本仍然很高，研究人員計(jì)算出，目前石墨烯的價(jià)格高達(dá)每克5000元，是黃金的10倍多。

低成本、大批量制備高質(zhì)量石墨烯是石墨烯材料化學(xué)制備中一個(gè)值得關(guān)注的技術(shù)問題，在顯微鏡和器件領(lǐng)域，研究人員還需要解決如何降低器件材料制備成本、提高器件結(jié)構(gòu)均勻性等問題。以及如何將微操作和納米結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于石墨烯器件。

目前，在儲(chǔ)能器件、導(dǎo)熱材料、透明薄膜等石墨烯材料的一些應(yīng)用領(lǐng)域，盡管已有圍繞需求和應(yīng)用前景的研究工作報(bào)道，但由于缺乏明顯的研究成果，研究工作與應(yīng)用需求之間仍有一定的距離。直接應(yīng)用領(lǐng)域與工程技術(shù)方法相結(jié)合。

牛力告訴記者：基礎(chǔ)研究與工程技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，特別是與應(yīng)用目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)，將使石墨烯材料的研究成果更好地投入實(shí)際應(yīng)用。

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