如何当上新材料之王

 

  石墨烯是什么?

 

  在本质上,石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨。大家都知道,石墨的结构大概是这样的:

 

  石墨是由大量的层状结构叠在一起组成的;而用某种技术从这摞层状结构中分离出一层来,这厚度仅一原子的平面石墨便是石墨烯材料了。

 

  尽管用了“用某种技术”这种看起来很厉害又很麻烦的形容,但其实如果不考虑效率的话,我们平时考试用2B铅笔涂机读卡的同时,便能生产出石墨烯——虽然这些微小的石墨烯碎片和另外一些大点的石墨残渣被世间统称为“铅笔渣”吧。

 

  那么科学家们又是如何制备石墨烯的呢?

 

  如何制备石墨烯?

 

  最初,科学家们选择的方法是化学剥离法(chemical exfoliation method)。简单来说,这种方法便是先将大原子或大分子嵌入石墨,得到石墨层间化合物;而正如之前提到过的,在石墨的三维结构中,每一层石墨都可以被视为单层石墨烯,于是再通过化学反应处理除去大原子或大分子后,我们就得到了石墨烯……泥。

 

  由于这堆石墨烯泥实在难以分析与控制,于是科学家们累觉不爱就没再进行这方面的研究了。不过还有一些科学家采用化学气相沉积法(CVD),将石墨烯薄膜外延生长(epitaxial growth)于各种各样基板(substrate),可初期品质并不优良(不过现在化学气相沉积法是最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法)。

 

  然后,到了2004年,大戏终于上演。一个叫安德烈·海姆的科学家让他带的博士生将一块石墨制成薄膜。三周后博士生给他看时,那石墨还有10微米厚,大概有1000层左右。海姆嫌其太厚让博士生再处理处理,不料博士生有礼貌地回答道:“如果你这么聪明,你自己试试。”

 

  海姆听了微微一笑:“年轻人, 你还是 too young too naïve。难道你当真认为我海姆真制不出石墨烯吗?”随后他起身打呼曰:“大家都给我跪好了,看我的海氏制烯法!”说罢,在众目睽睽之下,海姆摇身一变,变出了他的秘器——胶带。

 

  霎时间,满堂惊呼,而后又鸦雀无声,众人屏息,但见:

 

  海姆将石墨片放置在塑料胶带中,折叠胶带粘住石墨薄片的两侧,再撕开胶带,自然,石墨片也会随之一分为二;不断重复这个过程,就能得到越来越薄的石墨片,而直到其中有部分样品仅有一层碳原子构成时,石墨烯就制出来了。

 

  ——吭。。制石墨烯的过程怎么充满了家庭试验的感觉啊喂——这种想法小编原来确实也有过,不过,其实真正困难的部分是如何将制出来的石墨烯从大量石墨残渣中挑出来。

 

  对此,海姆的秘诀是,如果将石磨烯放置在镀有在一定厚度的氧化硅的硅片上,利用光波的干涉效应,就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。而这一步则对精度要求极高:例如,假若氧化硅的厚度相差超过5%,不是正确数值300nm,而是315nm,就无法观测到单层石墨烯——所以说,大家也不要想着在家制出石墨烯然后搞出个大新闻什么的了(笑)。

 

  那么现在的科学家们是如何制备石墨烯的呢?

 

  主流的石墨烯制备法有以下这几种:

 

  机械剥离法:类似海姆想出来的那种方法,即利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动,得到石墨烯薄层材料。这种方法操作简单,得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构——

 

  但是,得到的片层小,且生产效率低。

 

  氧化还原法:是通过将石墨氧化,增大石墨层之间的间距,再通过物理方法将其分离,最后通过化学法还原,得到石墨烯的方法。这种方法不仅操作简单,而且产量也很高——

 

  但是,产品质量较低。

 

  SiC外延生长法:通过在超高真空的高温环境下,使硅原子升华脱离材料,剩下的C原子通过自组形式重构,从而得到基于SiC衬底的石墨烯。用这种方法可以获得高质量的石墨烯——

 

  但是,这种方法对设备要求较高。

 

  CVD(即之前提到过的化学气相沉积法):是目前最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法。这种方法制备出的石墨烯不仅产量大,而且质量也很高——

 

  但是,现阶段成本较高,工艺条件还需进一步完善。

 

  如大家所见,现阶段每一种制备法都各有优劣,而都尚不能以较低成本量产石墨烯——因此石墨烯依然是种“未来材料”。

 

  不过说了这么多如何制备石墨烯,如此千辛万苦制备出的石墨烯到底有什么特性,又有何应用呢?

 

  石墨烯的特性

 

  石墨烯的特性有好几个“最”——首先,石墨烯最硬。它比钻石还硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍,是人类已知强度最高的物质。换句话来说,人们可以用石墨烯造出金刚狼的曼德拉合金。

 

  不过当然了,机智如你们的你们一定已经发现:石墨烯只是二维材料啊,如果真造成金刚狼的三维的钢爪它不就又变回石墨的强度了吗!!

 

  吭。。这倒是,不过人家的性能可不止这一个呢。它还最薄、导电导热性能最强;同时又有着良好的弹性,而且非常致密,还有着极好的透光性……

 

  ——好吧好吧,也难怪石墨烯能被称作“新材料之王”什么的了呢。——

 

  石墨烯的应用

 

  鉴于不以应用为目的的材料研制都是犯罪,而并没有任何消息报道海姆目前进了监狱,所以,石墨烯的用途到底是什么呢?

 

  我举几个典型的例子:

 

  生产电子产品:石墨烯是制造可弯曲显示设备和接触面板及超高速电子器件的理想材料。且如今已经出现在新型晶体管、存储器和其他器件的原型样品当中;且作为目前导电性最强的材料,石墨烯尤其适合于高频电路,而这也使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力,研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,认为它能用来生产未来的超级计算机。

 

  制作光子传感器:石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上,用于检测光纤中携带的信息。现在,这个角色还在由硅担当,但硅的时代似乎就要结束。去年10月,IBM的一研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器。

 

  “为什么会变成这样呢?是我,是我先,明明都是我先来的……做晶体管也好,生产超级计算机也好,还是做光子传感器也好——硅”

 

  制作优良的太阳能电池:因为石墨烯是透明的,用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。透明的石墨烯薄可制成优良的太阳能电池。

 

  用于航空航天、汽车和建筑等领域:石墨烯不仅可用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的 2.3万英里长太空电梯成为现实。 (没错,你真的没有看错!真的是太空电梯! 石墨烯,满足你中二的梦想)

 

  制作纳米抗菌材料:上海应用物理所物理生物学实验室探索了氧化石墨烯的抗菌特性,发现氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2h后,对其抑制率超过90%;更重要的是,氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料,而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤。

 

  …………

 

  如果我再一条一条把石墨烯的可能用途列下去的话估计我自己就要先倒下了所以就此打住——

 

  看得出来,石墨烯的用途覆盖各个领域,堪称是完美的新材料——除了还没办法低成本量产这一点。不过我们的确有理由期待石墨烯在不远(或者很远?)的未来定会为我们的世界带来又一次技术革命。

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