石墨烯：完美材料與未來生活

石墨烯：完美材料與未來生活

有這樣一種材料，它的機(jī)械強(qiáng)度是世界上最好的鋼的100倍，它有著最快的電子遷移率，如果用于信號傳輸，1秒內(nèi)就可以傳完兩張藍(lán)光DVD的容量，同時(shí)它還具備已知材料中最快的導(dǎo)熱率以及與銅一樣優(yōu)秀的導(dǎo)電性……這如果不是UFO掉落的碎片，就是石墨烯。
　　石墨烯，來自于石墨，凝聚著全球科學(xué)家的目光，注定要改變未來你我的生活。問題是，面對擁有諸多完美特性的材料，我們卻無從下手，在2004年以前，這種二維材料在理論上是不可以穩(wěn)定存在的。近年來，出現(xiàn)了以石墨烯紙為代表的各式研究，但石墨烯的實(shí)際應(yīng)用離我們的生活依舊尚遠(yuǎn)，原因就是科學(xué)家難以將這些微小的(約1微米寬、0.3納米厚)二維碳納米片有效地排列成宏觀材料。
　　近日，浙江大學(xué)的高超教授和博士生許震，找到了一種方法，并在世界上最早得到了一段連續(xù)的石墨烯長纖維。該成果發(fā)表在了《自然通訊》，該文章也同時(shí)被自然新聞報(bào)道。這可能開啟了石墨烯宏觀應(yīng)用的大門。

　　無盡的應(yīng)用：也許有一天……
　　2010年，英國曼徹斯特大學(xué)海姆和諾沃肖洛夫共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這距離二人從三維石墨晶體中分離出自由的石墨烯二維晶體僅僅過去了6年——這也是歷史上取得成果與獲獎(jiǎng)之間最短的時(shí)間之一，很多人要在成果問世幾十年后才收到諾貝爾獎(jiǎng)的邀請。
　　石墨烯是六角型蜂巢結(jié)構(gòu)的單層碳二維晶體。浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教授高超告訴本報(bào)記者，石墨烯僅有單原子厚，是已知材料中最薄的一種。由于構(gòu)成石墨烯所有的碳原子都是裸露的，這就使得石墨烯具有很大的表面積。石墨烯片中的碳原子之間柔韌的連接使得它在外力條件下可以保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，正由于這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，石墨烯有著迄今為止最高的力學(xué)強(qiáng)度和最高的導(dǎo)熱性能。
　　“它的機(jī)械強(qiáng)度是世界上最好的鋼的100倍，它有著最快的電子遷移率，同時(shí)它還具備已知材料中最快的導(dǎo)熱率以及與銅一樣優(yōu)秀的導(dǎo)電性。”高超介紹，石墨烯還有著豐富的化學(xué)反應(yīng)性，可以吸附或生長各種小分子或者聚合物分子。
　　也許有一天，你會在電視上看到這樣的廣告。“燈，等燈等燈。××電腦采用1.5T石墨烯處理器……”裝備有這種CPU的電腦秒殺現(xiàn)在的各種PC：石墨烯可用以生產(chǎn)頻率更高、發(fā)熱量更小、信息量更大的計(jì)算機(jī)芯片——據(jù)估計(jì)，屆時(shí)芯片處理器的頻率有望達(dá)到1THz以上(現(xiàn)在商用CPU最好的為GHz量級，1THz = 1000GHz)。
　　也許有一天，你把掌上電腦三折兩疊塞進(jìn)牛仔褲后兜，這比各種Pad都拉風(fēng)：石墨烯良好的透明性和導(dǎo)電性可以用來制造大面積的柔性透明電極，使得可折疊的觸摸顯示屏成為可能。
　　也許有一天，用石墨烯制備的手機(jī)電池，三分鐘就充滿電，能打半個(gè)月電話；應(yīng)用了石墨烯的光調(diào)制器，可使網(wǎng)絡(luò)速度快一萬倍。
　　也許有一天，石墨烯實(shí)現(xiàn)了直接快速低成本的基因測序，幾個(gè)小時(shí)就能測定完你自己的基因序列或者很快就能從基因上鑒定某種疾病；用石墨烯開發(fā)了超輕型飛機(jī)、防彈衣、輕型汽車，甚至是人類夢想的上萬英里的太空電梯。
　　但現(xiàn)在的問題是，我們只能得到最大至厘米級別的石墨烯材料。然后，“如果用于電子器件，就要突破研究高純石墨烯及可控?fù)诫s石墨烯的制備這一瓶頸；如果用于復(fù)合材料，還要研究可溶或可加工石墨烯合成及石墨烯表面性質(zhì)的調(diào)控。”高超說。
　　石墨烯的潛能超凡，但我們首先要找到開啟其應(yīng)用的手段。

　　長纖維：石墨烯找到用武之地
　　科學(xué)家們相信，欲利用好石墨烯的特性，可以將這些二維碳納米片有效地排列成宏觀材料——石墨烯纖維。
　　“在最近幾年里，人們在石墨烯的基本性質(zhì)研究方面取得了很大的進(jìn)展。但在我們的研究之前，人們很難想象怎樣才能將不足一納米厚的石墨烯片變成宏觀的纖維材料。”高超說，“在這一領(lǐng)域，之前的研究都集中在制備石墨烯紙。然而，這一形式的材料尺寸上只有數(shù)毫米至幾厘米，而無法像纖維一樣能夠連續(xù)制備得到人們想要的長度”。這意味著，此次做出的連續(xù)纖維在全世界尚屬首例。
　　微小的石墨烯片好比是一張紙，這張紙有強(qiáng)大的物理特性但無用武之地，假如將這種紙一張張縱向摞起來，組成一根非常長的大“繩子”，那么這根“繩”就是上面提到的纖維了。纖維可以紡成線，線可以編成真正的繩子，線也可以織成布。有了繩子和布，石墨烯就有了廣闊的用武之地。只是這種纖維并不一定具備石墨烯那樣的剛性，因?yàn)槔w維的結(jié)實(shí)程度取決于其片與片之間的親合力。
　　高超介紹說，經(jīng)過改性和復(fù)合，可以形成多系列、多用途的石墨烯纖維，作為一類高性能纖維的基本原料。用這種布料做的衣服可防輻射、抗靜電、抗細(xì)菌，乃至制成特種功能服裝如抗腐蝕服、防彈衣及柔性電子器件服裝；強(qiáng)度進(jìn)一步提高后，這些纖維可制成建筑支撐材料，代替鋼筋等金屬材料搭建輕型房子、帳篷等，也可用于汽車外殼、輕型飛機(jī)外殼等，當(dāng)然還可以很容易做成輕質(zhì)電纜電線、導(dǎo)電/抗靜電管路、柔性電容器、電池、傳感器等。

　　下一個(gè)目標(biāo)：石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度
　　在實(shí)驗(yàn)室里，高超和許震制成了幾十米長的石墨烯纖維。“用石墨烯納米片紡成十米絲的難度，相當(dāng)于用普通打印紙疊成一千公里長繩子的難度。”
　　高超說：“石墨烯很難溶解，難以開展對其液相性質(zhì)的深入研究。另外，由于溶解度低、缺少組裝方法，如何實(shí)現(xiàn)石墨烯有序排列的宏觀纖維是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。”
　　他們使用了一種叫濕法紡絲的工業(yè)方法。通過氧化，他們先將石墨變成氧化石墨烯，這是一種易溶解的石墨烯衍生物。高濃度的純氧化石墨烯溶液看似半固體半液體的分散液，可以像黏稠的液體一樣流動(dòng)，但是，其中的氧化石墨烯片卻自發(fā)地整齊排列。
　　要知道，紡絲時(shí)必需讓所有的石墨烯片沿纖維的軸向排列，否則，只要有一片石墨烯“不聽話”而橫向排列，就會形成纖維的缺陷，極容易在此處斷裂而無法進(jìn)行連續(xù)紡絲。高超解釋：“正是因?yàn)檫@種有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得我們得到的液晶分散液可以很好地用于纖維的紡制。”然后，采用化學(xué)還原的方法將其處理，就得到了可以導(dǎo)電的石墨烯長纖維。
　　通過液晶紡絲，制得了石墨烯連續(xù)纖維，開辟了由天然石墨室溫制取純碳基纖維的新通道。纖維導(dǎo)電性好、強(qiáng)度高、韌性佳，可打結(jié)，也可編織成各種導(dǎo)電織物。這種石墨烯纖維在柔性器件及高性能復(fù)合材料等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
　　雖然石墨烯并不是第一個(gè)用于連續(xù)制備纖維的碳材料(在這之前還有傳統(tǒng)的碳纖維和碳納米管纖維)，但是石墨烯纖維有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢。高超介紹說：“碳纖維需要高溫處理(高于1000攝氏度)才可以得到，而我們的石墨烯纖維在室溫下用水溶液紡絲即可制得，其制備過程相當(dāng)方便快捷、綠色環(huán)保”。
　　如何提高石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度是高超小組的下一個(gè)目標(biāo)。他們初步制備的石墨烯纖維有著一些結(jié)構(gòu)上的缺陷，從而降低了它的力學(xué)性能。“盡管現(xiàn)在石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度與碳纖維相比還有較大的差距(其韌性遠(yuǎn)優(yōu)于碳纖維)，但我們相信其進(jìn)一步提高的空間還很大”。
　　當(dāng)然，如果主要利用的是石墨烯纖維的高導(dǎo)電性能，纖維的高強(qiáng)度并不是必須的。研究石墨烯合成的新加坡南洋理工大學(xué)張華教授認(rèn)為：“這種纖維一定有它的用武之地，例如可能用于觸摸面板、傳感器或者功能織物等”。

　　■延伸閱讀
　　為揭開手性之謎鋪路
　　“從學(xué)術(shù)上講，可以說開拓了二維納米材料手性液晶和宏觀組裝纖維這兩個(gè)新方向。”這項(xiàng)研究有兩個(gè)方面的重要影響。制成的石墨烯纖維是二維納米材料宏觀組裝纖維方向的成果，那么二維納米材料手性液晶指的是什么？
　　通過與高超教授的交談，記者了解到，原來這是一篇文章中的兩項(xiàng)重要成果。簡言之，如果獲得了石墨烯長纖維是一種創(chuàng)造，那么前者就是一種發(fā)現(xiàn)。
　　首先我們先要了解，什么是手性？這種情形像是鏡子里和鏡子外的物體那樣，看上去互為對應(yīng)。由于是三維結(jié)構(gòu)，它們不管怎樣旋轉(zhuǎn)都不會重合——如果你注意觀察過你的手，你會發(fā)現(xiàn)你的左手和右手看起來似乎一模一樣，但無論你怎樣放，它們在空間上卻無法完全重合。
　　“宇宙大爆炸以后就形成了手性，只要有螺旋就有手性，常見物質(zhì)如基因、蛋白質(zhì)、氨基酸都是手性的。”高超解釋說，但這些都是小分子或一維結(jié)構(gòu)的。迄今為止，二維粒子的手性液晶還未被發(fā)現(xiàn)。那么，二維粒子手性液晶相是否存在？又如何才能形成螺旋排列結(jié)構(gòu)？研究提出的“扭曲層狀塊模型”就解開了二維膠粒如何形成連續(xù)螺旋結(jié)構(gòu)的謎題。“它能增加知識、擴(kuò)大認(rèn)識，使我們了解物質(zhì)的液相結(jié)構(gòu)規(guī)律，為最終揭開手性的秘密鋪了一塊石級。”