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石墨烯:未来的完美材料

    有这样一种材料,它的机械强度是世界上最好的钢的100倍,它有着最快的电子迁移率,如果用于信号传输,1秒内就可以传完两张蓝光DVD的容量,同时它还具备已知材料中最快的导热率以及与铜一样优秀的导电性……这如果不是UFO掉落的碎片,就是石墨烯。

  石墨烯,来自于石墨,凝聚着全球科学家的目光,注定要改变未来你我的生活。问题是,面对拥有诸多完美特性的材料,我们却无从下手,在2004年以前,这种二维材料在理论上是不可以稳定存在的。近年来,出现了以石墨烯纸为代表的各式研究,但石墨烯的实际应用离我们的生活依旧尚远,原因就是科学家难以将这些微小的(约1微米宽、0.3纳米厚)二维碳纳米片有效地排列成宏观材料。

  2010年,英国曼彻斯特大学海姆和诺沃肖洛夫共同获得诺贝尔物理学奖,这距离二人从三维石墨晶体中分离出自由的石墨烯二维晶体仅仅过去了6年——这也是历史上取得成果与获奖之间最短的时间之一,很多人要在成果问世几十年后才收到诺贝尔奖的邀请。

  石墨烯是六角型蜂巢结构的单层碳二维晶体。浙江大学高分子科学与工程学系教授高超告诉本报记者,石墨烯仅有单原子厚,是已知材料中最薄的一种。由于构成石墨烯所有的碳原子都是裸露的,这就使得石墨烯具有很大的表面积。石墨烯片中的碳原子之间柔韧的连接使得它在外力条件下可以保持稳定的结构,正由于这种稳定的晶格结构,石墨烯有着迄今为止最高的力学强度和最高的导热性能。

  “它的机械强度是世界上最好的钢的100倍,它有着最快的电子迁移率,同时它还具备已知材料中最快的导热率以及与铜一样优秀的导电性。”高超介绍,石墨烯还有着丰富的化学反应性,可以吸附或生长各种小分子或者聚合物分子。

  也许有一天,你会在电视上看到这样的广告。“灯,等灯等灯。××电脑采用1.5T石墨烯处理器……”装备有这种CPU的电脑秒杀现在的各种PC:石墨烯可用以生产频率更高、发热量更小、信息量更大的计算机芯片——据估计,届时芯片处理器的频率有望达到1THz以上(现在商用CPU最好的为GHz量级,1THz = 1000GHz)。

  也许有一天,你把掌上电脑三折两叠塞进牛仔裤后兜,这比各种Pad都拉风:石墨烯良好的透明性和导电性可以用来制造大面积的柔性透明电极,使得可折叠的触摸显示屏成为可能。

  也许有一天,用石墨烯制备的手机电池,三分钟就充满电,能打半个月电话;应用了石墨烯的光调制器,可使网络速度快一万倍。

  也许有一天,石墨烯实现了直接快速低成本的基因测序,几个小时就能测定完你自己的基因序列或者很快就能从基因上鉴定某种疾病;用石墨烯开发了超轻型飞机、防弹衣、轻型汽车,甚至是人类梦想的上万英里的太空电梯。

  但现在的问题是,我们只能得到最大至厘米级别的石墨烯材料。然后,“如果用于电子器件,就要突破研究高纯石墨烯及可控掺杂石墨烯的制备这一瓶颈;如果用于复合材料,还要研究可溶或可加工石墨烯合成及石墨烯表面性质的调控。”高超说。

  石墨烯的潜能超凡,但我们首先要找到开启其应用的手段。
长纤维:石墨烯找到用武之地

  科学家们相信,欲利用好石墨烯的特性,可以将这些二维碳纳米片有效地排列成宏观材料——石墨烯纤维。

  “在最近几年里,人们在石墨烯的基本性质研究方面取得了很大的进展。但在我们的研究之前,人们很难想象怎样才能将不足一纳米厚的石墨烯片变成宏观的纤维材料。”高超说,“在这一领域,之前的研究都集中在制备石墨烯纸。然而,这一形式的材料尺寸上只有数毫米至几厘米,而无法像纤维一样能够连续制备得到人们想要的长度”。这意味着,此次做出的连续纤维在全世界尚属首例。

  微小的石墨烯片好比是一张纸,这张纸有强大的物理特性但无用武之地,假如将这种纸一张张纵向摞起来,组成一根非常长的大“绳子”,那么这根“绳”就是上面提到的纤维了。纤维可以纺成线,线可以编成真正的绳子,线也可以织成布。有了绳子和布,石墨烯就有了广阔的用武之地。只是这种纤维并不一定具备石墨烯那样的刚性,因为纤维的结实程度取决于其片与片之间的亲合力。

  高超介绍说,经过改性和复合,可以形成多系列、多用途的石墨烯纤维,作为一类高性能纤维的基本原料。用这种布料做的衣服可防辐射、抗静电、抗细菌,乃至制成特种功能服装如抗腐蚀服、防弹衣及柔性电子器件服装;强度进一步提高后,这些纤维可制成建筑支撑材料,代替钢筋等金属材料搭建轻型房子、帐篷等,也可用于汽车外壳、轻型飞机外壳等,当然还可以很容易做成轻质电缆电线、导电/抗静电管路、柔性电容器、电池、传感器等。
石墨烯纤维的力学强度

  在实验室里,高超和许震制成了几十米长的石墨烯纤维。“用石墨烯纳米片纺成十米丝的难度,相当于用普通打印纸叠成一千公里长绳子的难度。”

  高超说:“石墨烯很难溶解,难以开展对其液相性质的深入研究。另外,由于溶解度低、缺少组装方法,如何实现石墨烯有序排列的宏观纤维是该领域的一大挑战。”

  他们使用了一种叫湿法纺丝的工业方法。通过氧化,他们先将石墨变成氧化石墨烯,这是一种易溶解的石墨烯衍生物。高浓度的纯氧化石墨烯溶液看似半固体半液体的分散液,可以像黏稠的液体一样流动,但是,其中的氧化石墨烯片却自发地整齐排列。

  要知道,纺丝时必需让所有的石墨烯片沿纤维的轴向排列,否则,只要有一片石墨烯“不听话”而横向排列,就会形成纤维的缺陷,极容易在此处断裂而无法进行连续纺丝。高超解释:“正是因为这种有序的内部结构,使得我们得到的液晶分散液可以很好地用于纤维的纺制。”然后,采用化学还原的方法将其处理,就得到了可以导电的石墨烯长纤维。

  通过液晶纺丝,制得了石墨烯连续纤维,开辟了由天然石墨室温制取纯碳基纤维的新通道。纤维导电性好、强度高、韧性佳,可打结,也可编织成各种导电织物。这种石墨烯纤维在柔性器件及高性能复合材料等领域具有良好的应用前景。

  虽然石墨烯并不是第一个用于连续制备纤维的碳材料(在这之前还有传统的碳纤维和碳纳米管纤维),但是石墨烯纤维有着自己独特的优势。高超介绍说:“碳纤维需要高温处理(高于1000摄氏度)才可以得到,而我们的石墨烯纤维在室温下用水溶液纺丝即可制得,其制备过程相当方便快捷、绿色环保”。

  如何提高石墨烯纤维的力学强度是高超小组的下一个目标。他们初步制备的石墨烯纤维有着一些结构上的缺陷,从而降低了它的力学性能。“尽管现在石墨烯纤维的力学强度与碳纤维相比还有较大的差距(其韧性远优于碳纤维),但我们相信其进一步提高的空间还很大”。

  当然,如果主要利用的是石墨烯纤维的高导电性能,纤维的高强度并不是必须的。研究石墨烯合成的新加坡南洋理工大学张华教授认为:“这种纤维一定有它的用武之地,例如可能用于触摸面板、传感器或者功能织物等”。

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