石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。因其完美的二維結(jié)構(gòu)，成為了許多創(chuàng)新產(chǎn)品的功能性添加劑。
提起石墨烯，最出名的大概就是2010年兩位科學(xué)家憑借對(duì)石墨烯的深入研究，分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近日，復(fù)旦大學(xué)傳出信息，該校和新加坡國立大學(xué)的研究人員合作研發(fā)，尋找到了全新的石墨烯高效率制備，這一技術(shù)核心將非常容易“放大”到產(chǎn)業(yè)。
值得一提的是，與傳統(tǒng)的發(fā)表論文、企業(yè)合作路徑不同，課題組完全反著來——2013年創(chuàng)新成果，2014年申請(qǐng)專利，2015年專利轉(zhuǎn)讓國內(nèi)一家企業(yè)后，才于1月8日在線發(fā)表于《自然•通訊》。課題組負(fù)責(zé)人之一，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盧紅斌笑著說，“好東西還是要放一放的，沉淀一下可能更好。”
制備的石墨烯原子相透射電鏡（a）、拉曼光譜（b）、X射線光電子能譜（c）、大范圍原子力顯微鏡照片（d）；石墨烯厚度（e）和尺寸統(tǒng)計(jì)（f）圖。
很少有人知道，石墨烯不僅僅存在于諾貝爾獎(jiǎng)名冊(cè)上，也早已與生活息息相關(guān)。本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。因其完美的二維結(jié)構(gòu)，成為了許多創(chuàng)新產(chǎn)品的功能性添加劑——加入特殊高分子涂料后，可憑借隔絕性能，延長涂料涂裝壽命；加入電池做導(dǎo)電劑，同樣因其二維結(jié)構(gòu)，讓電子傳輸更便利，流得更快了，大大提升充電速度；若加入一些纖維和電熱裝置，其特殊的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，同樣能讓產(chǎn)品性能提升一個(gè)臺(tái)階。
如此有用的東西，其更好的制備方法也成為學(xué)界和產(chǎn)業(yè)共同競(jìng)逐的目標(biāo)。英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)，他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。
盧紅斌教授給了石墨烯三個(gè)“最”：現(xiàn)有材料中厚度最薄，僅0.335納米；強(qiáng)度最高，是鋼的100倍；導(dǎo)熱性最好，比金屬銀還高10倍以上，此外其電子遷移率極高，比硅還高2個(gè)數(shù)量級(jí)。這種新型二維材料，在智能裝備、航空航天、能源儲(chǔ)存和環(huán)境治理等諸多領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，是重要的戰(zhàn)略新興材料。然而，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的高效率、規(guī)模化制備一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵難題。
其實(shí)，石墨烯是天然存在于自然界中的，制備的理想解決方案是從天然鱗片石墨出發(fā)，將其在特定溶劑液相中剝離成石墨烯。換句話說，由于石墨烯是疏水的，需要在剝離的環(huán)境液體中加入大量活性劑，否則難以剝離。常見做法，往往制備1噸石墨烯，需要加入3噸高錳酸鉀等氧化劑，讓其變?yōu)檠趸?，剝離后再還原，這一過程中氧化、還原，以及清洗產(chǎn)生的廢水不少，而且也讓石墨烯失去了一些特有的性質(zhì)。
如何克服這些問題？該課題組研究人員采用一種非穩(wěn)定分散的策略，通過在石墨烯表面引入極少量的可電離含氧官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了在極高濃度下的快速、高產(chǎn)率剝離，剝離產(chǎn)物90%以上為單層石墨烯，且晶格缺陷少，從而有效解決了石墨烯規(guī)?；瘧?yīng)用中的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問題。此外，該方法制備的石墨烯水相漿料表現(xiàn)出了良好的流變特性，可直接通過3D打印制備各種形狀的石墨烯氣凝膠，從而為石墨烯在儲(chǔ)能、環(huán)境治理、多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新途徑。
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