“土辦法”制出新材料

 

　　 科學(xué)家近日公開(kāi)了一份賦予用戶“超強(qiáng)視覺(jué)”的隱形眼鏡制造計(jì)劃，來(lái)自美國(guó)密歇根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)說(shuō)，這種隱形眼鏡內(nèi)嵌入石墨烯，感光功能極佳，能夠偵測(cè)到可見(jiàn)光與不可見(jiàn)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(wú)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(huì)有石墨層被粘在膠帶上。然后把膠帶對(duì)折后，粘一下再拉開(kāi)，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(gè)碳原子的厚度時(shí)，石墨層也就變成了石墨烯。 

 

　　 科學(xué)家們?cè)诙x石墨烯的時(shí)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(duì)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(guó)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(wèn)題。

 

　　 盡管“名”還不正，但各國(guó)已表現(xiàn)出足夠熱情。2013年1月，歐盟將石墨烯列為“未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一，計(jì)劃10年提供10億歐元資助；英國(guó)在2012年底宣布將追加投資2150萬(wàn)英鎊資助石墨烯商業(yè)化進(jìn)程，并建立一個(gè)國(guó)家級(jí)研究機(jī)構(gòu)；美國(guó)、韓國(guó)、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(jì)，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(guó)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(gè)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的變革。

 

　　 如果將其成功用于超級(jí)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(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所陳成猛博士介紹，儲(chǔ)能材料有兩個(gè)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(kāi)上高速公路一般暢通無(wú)阻；二是比表面積，這直接影響儲(chǔ)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(duì)于儲(chǔ)能都是有效的，一點(diǎn)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(zhǎng)。”陳成猛介紹說(shuō)，這一應(yīng)用可能會(huì)為電動(dòng)車動(dòng)力電池開(kāi)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(huì)發(fā)熱，這是因?yàn)槌掷m(xù)的工作產(chǎn)生的熱量無(wú)法通過(guò)散熱片及時(shí)與外界交換。隨著高功率電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，對(duì)散熱的要求越來(lái)越高，而這恰恰是石墨烯的機(jī)會(huì)。

 

　　 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(kāi)爾文，美國(guó)在實(shí)驗(yàn)室已測(cè)到單片石墨烯熱導(dǎo)率超過(guò)4000瓦/米·開(kāi)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(gè)數(shù)量級(jí)。“但這些性能都是基于一個(gè)非常微觀的納米尺度，看不見(jiàn)、摸不著，真正應(yīng)用于實(shí)際就比較困難。”陳成猛說(shuō)，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(guò)1100瓦/米·開(kāi)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(guó)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(xiàng)有趣的實(shí)驗(yàn)，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(lái)越濃。吳恒安說(shuō)：“水與石墨烯表面特殊的相互作用，加速了水分子通過(guò)納米寬道的速度”。

 

　　 2014年，這個(gè)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(guò)。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(chǎng)還要假以時(shí)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(shí)驗(yàn)室到中試，或中試向產(chǎn)業(yè)化的過(guò)渡階段。

 

　　 “事實(shí)上，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，面臨的核心問(wèn)題是，下游應(yīng)用沒(méi)有打開(kāi)，石墨烯無(wú)法產(chǎn)品化，生產(chǎn)工藝也就無(wú)法定型和固化。”陳成猛說(shuō)。當(dāng)前石墨烯“有價(jià)無(wú)市”，價(jià)格過(guò)高。根據(jù)不同的品味，石墨烯價(jià)格在每克1000元到8000元價(jià)格不等，高昂的價(jià)格抑制了市場(chǎng)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(kāi)發(fā)電子器件或物理研究，但無(wú)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(guò)化學(xué)氣相沉積、外延生長(zhǎng)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(duì)容易做大一些，所獲石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，更適合去做觸摸屏或太陽(yáng)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(shí)也叫化學(xué)剝離法，就是把三維的石墨晶體層層拆解開(kāi)來(lái)，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(duì)低一點(diǎn)，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(chǔ)能等應(yīng)用。”陳成猛說(shuō)。面向石墨烯材料的先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)、裝備制造和過(guò)程控制仍然是個(gè)大課題。

 

　　 從目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，最有可能實(shí)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(lái)的產(chǎn)品在性能上會(huì)更強(qiáng)。而對(duì)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(yáng)能電池等領(lǐng)域。