“土辦法”制出新材料

 

　　 科學家近日公開了一份賦予用戶“超強視覺”的隱形眼鏡制造計劃，來自美國密歇根大學的研究團隊說，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，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。 

 

　　 科學家們在定義石墨烯的時候顯得有些為難。中科院半導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構才能稱為石墨烯進行了明確的界定：“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)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟2013年就石墨烯材料的定義給出標準，認為石墨烯是該標準定義的單層石墨烯、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)化進程，并建立一個國家級研究機構；美國、韓國、日本則分別在石墨烯制造電腦芯片和晶體管領域、柔性觸摸屏和柔性有機電致發(fā)光器件領域、透明導電膜和散熱膜領域走在世界前列。

 

　　 據(jù)不完全統(tǒng)計，當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構和特質(zhì)，石墨烯可以在多個領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，套用當下比較流行的話，“媽媽再也不用擔心我的電池了”。據(jù)中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛博士介紹，儲能材料有兩個關鍵指標，一是導電性，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。“只用5分鐘手機就可以完成充電，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、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會。

 

　　 據(jù)陳成猛提供的資料，室溫下石墨烯的理論導熱系數(shù)高達5300瓦/米·開爾文，美國在實驗室已測到單片石墨烯熱導率超過4000瓦/米·開爾文，這超越了碳納米管、金剛石和高定向石墨，并遠遠高于導熱性能最好的金屬銅達一個數(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，真正應用于實際就比較困難。”陳成猛說，依據(jù)石墨烯高導熱的性能，他們研究所已成功將石墨烯和碳纖維復合成新的薄膜，導熱率能超過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，中國科技大學工程科學學院近代力學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，這個合作研究組進一步制作出具有超強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、傳感技術以及能源轉(zhuǎn)換等領域具有廣闊的應用前景。

 

　　 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構、科研院所。

 

　　 而制備技術不成熟也阻礙了石墨烯的大規(guī)模應用。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，這種方法能拿到結構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)主要依賴化學法，一種被學界稱為“自下而上”法，也就是從小分子或碳原子通過化學氣相沉積、外延生長或有機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構相對完整，更適合去做觸摸屏或太陽能電池的透明導電薄膜。另一種方式就是“自上而下”法，有時也叫化學剝離法，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，更適合去做催化、儲能等應用。”陳成猛說。面向石墨烯材料的先進工藝開發(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)是復合材料領域和顯示技術領域。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。而對于氣相沉積法制成的石墨烯，陳成猛認為其應用領域主要集中在觸摸屏和太陽能電池等領域。