石墨烯是什么?

 

　　在本質(zhì)上，石墨烯是分離出來的單原子層平面石墨。大家都知道，石墨的結(jié)構(gòu)大概是這樣的：

 

　　石墨是由大量的層狀結(jié)構(gòu)疊在一起組成的;而用某種技術(shù)從這摞層狀結(jié)構(gòu)中分離出一層來，這厚度僅一原子的平面石墨便是石墨烯材料了。

 

　　盡管用了“用某種技術(shù)”這種看起來很厲害又很麻煩的形容，但其實(shí)如果不考慮效率的話，我們平時(shí)考試用2B鉛筆涂機(jī)讀卡的同時(shí)，便能生產(chǎn)出石墨烯——雖然這些微小的石墨烯碎片和另外一些大點(diǎn)的石墨殘?jiān)皇篱g統(tǒng)稱為“鉛筆渣”吧。

 

　　那么科學(xué)家們又是如何制備石墨烯的呢?

 

　　如何制備石墨烯?

 

　　最初，科學(xué)家們選擇的方法是化學(xué)剝離法(chemical exfoliation method)。簡單來說，這種方法便是先將大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨層間化合物;而正如之前提到過的，在石墨的三維結(jié)構(gòu)中，每一層石墨都可以被視為單層石墨烯，于是再通過化學(xué)反應(yīng)處理除去大原子或大分子后，我們就得到了石墨烯……泥。

 

　　由于這堆石墨烯泥實(shí)在難以分析與控制，于是科學(xué)家們累覺不愛就沒再進(jìn)行這方面的研究了。不過還有一些科學(xué)家采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)，將石墨烯薄膜外延生長(epitaxial growth)于各種各樣基板(substrate)，可初期品質(zhì)并不優(yōu)良(不過現(xiàn)在化學(xué)氣相沉積法是最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的方法)。

 

　　然后，到了2004年，大戲終于上演。一個(gè)叫安德烈·海姆的科學(xué)家讓他帶的博士生將一塊石墨制成薄膜。三周后博士生給他看時(shí)，那石墨還有10微米厚，大概有1000層左右。海姆嫌其太厚讓博士生再處理處理，不料博士生有禮貌地回答道：“如果你這么聰明，你自己試試。”

 

　　海姆聽了微微一笑：“年輕人, 你還是 too young too naïve。難道你當(dāng)真認(rèn)為我海姆真制不出石墨烯嗎?”隨后他起身打呼曰：“大家都給我跪好了，看我的海氏制烯法!”說罷，在眾目睽睽之下，海姆搖身一變，變出了他的秘器——膠帶。

 

　　霎時(shí)間，滿堂驚呼，而后又鴉雀無聲，眾人屏息，但見：

 

　　海姆將石墨片放置在塑料膠帶中，折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側(cè)，再撕開膠帶，自然，石墨片也會隨之一分為二;不斷重復(fù)這個(gè)過程，就能得到越來越薄的石墨片，而直到其中有部分樣品僅有一層碳原子構(gòu)成時(shí)，石墨烯就制出來了。

 

　　——吭。。制石墨烯的過程怎么充滿了家庭試驗(yàn)的感覺啊喂——這種想法小編原來確實(shí)也有過，不過，其實(shí)真正困難的部分是如何將制出來的石墨烯從大量石墨殘?jiān)刑舫鰜怼?/span>

 

　　對此，海姆的秘訣是，如果將石磨烯放置在鍍有在一定厚度的氧化硅的硅片上，利用光波的干涉效應(yīng)，就可以有效地使用光學(xué)顯微鏡找到這些石墨烯。而這一步則對精度要求極高：例如，假若氧化硅的厚度相差超過5%，不是正確數(shù)值300nm，而是315nm，就無法觀測到單層石墨烯——所以說，大家也不要想著在家制出石墨烯然后搞出個(gè)大新聞什么的了(笑)。

 

　　那么現(xiàn)在的科學(xué)家們是如何制備石墨烯的呢?

 

　　主流的石墨烯制備法有以下這幾種：

 

　　機(jī)械剝離法：類似海姆想出來的那種方法，即利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運(yùn)動，得到石墨烯薄層材料。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)——

 

　　但是，得到的片層小，且生產(chǎn)效率低。

 

　　氧化還原法：是通過將石墨氧化，增大石墨層之間的間距，再通過物理方法將其分離，最后通過化學(xué)法還原，得到石墨烯的方法。這種方法不僅操作簡單，而且產(chǎn)量也很高——

 

　　但是，產(chǎn)品質(zhì)量較低。

 

　　SiC外延生長法：通過在超高真空的高溫環(huán)境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。用這種方法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯——

 

　　但是，這種方法對設(shè)備要求較高。

 

　　CVD(即之前提到過的化學(xué)氣相沉積法)：是目前最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的方法。這種方法制備出的石墨烯不僅產(chǎn)量大，而且質(zhì)量也很高——

 

　　但是，現(xiàn)階段成本較高，工藝條件還需進(jìn)一步完善。

 

　　如大家所見，現(xiàn)階段每一種制備法都各有優(yōu)劣，而都尚不能以較低成本量產(chǎn)石墨烯——因此石墨烯依然是種“未來材料”。

 

　　不過說了這么多如何制備石墨烯，如此千辛萬苦制備出的石墨烯到底有什么特性，又有何應(yīng)用呢?

 

　　石墨烯的特性

 

　　石墨烯的特性有好幾個(gè)“最”——首先，石墨烯最硬。它比鉆石還硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍，是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)。換句話來說，人們可以用石墨烯造出金剛狼的曼德拉合金。

 

　　不過當(dāng)然了，機(jī)智如你們的你們一定已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：石墨烯只是二維材料啊，如果真造成金剛狼的三維的鋼爪它不就又變回石墨的強(qiáng)度了嗎!!

 

　　吭。。這倒是，不過人家的性能可不止這一個(gè)呢。它還最薄、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng);同時(shí)又有著良好的彈性，而且非常致密，還有著極好的透光性……

 

　　——好吧好吧，也難怪石墨烯能被稱作“新材料之王”什么的了呢。——

 

　　石墨烯的應(yīng)用

 

　　鑒于不以應(yīng)用為目的的材料研制都是犯罪，而并沒有任何消息報(bào)道海姆目前進(jìn)了監(jiān)獄，所以，石墨烯的用途到底是什么呢?

 

　　我舉幾個(gè)典型的例子：

 

　　生產(chǎn)電子產(chǎn)品：石墨烯是制造可彎曲顯示設(shè)備和接觸面板及超高速電子器件的理想材料。且如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲器和其他器件的原型樣品當(dāng)中;且作為目前導(dǎo)電性最強(qiáng)的材料，石墨烯尤其適合于高頻電路，而這也使它在微電子領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用潛力，研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，認(rèn)為它能用來生產(chǎn)未來的超級計(jì)算機(jī)。

 

　　制作光子傳感器：石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現(xiàn)在更大的市場上，用于檢測光纖中攜帶的信息。現(xiàn)在,這個(gè)角色還在由硅擔(dān)當(dāng)，但硅的時(shí)代似乎就要結(jié)束。去年10月，IBM的一研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器。

 

　　“為什么會變成這樣呢?是我，是我先，明明都是我先來的……做晶體管也好，生產(chǎn)超級計(jì)算機(jī)也好，還是做光子傳感器也好——硅”

 

　　制作優(yōu)良的太陽能電池：因?yàn)槭┦峭该鞯?用它制造的電板比其他材料具有更優(yōu)良的透光性。透明的石墨烯薄可制成優(yōu)良的太陽能電池。

 

　　用于航空航天、汽車和建筑等領(lǐng)域：石墨烯不僅可用來開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣,甚至能讓科學(xué)家夢寐以求的 2.3萬英里長太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。 (沒錯(cuò)，你真的沒有看錯(cuò)!真的是太空電梯! 石墨烯，滿足你中二的夢想)

 

　　制作納米抗菌材料：上海應(yīng)用物理所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室探索了氧化石墨烯的抗菌特性,發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯納米懸液在與大腸桿菌孵育2h后，對其抑制率超過90%;更重要的是，氧化石墨烯不僅是一種新型的優(yōu)良抗菌材料，而且對哺乳動物細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞毒性很小。中國科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無法生長，而人類細(xì)胞卻不會受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來做繃帶,食品包裝甚至抗菌T恤。

 

　　…………

 

　　如果我再一條一條把石墨烯的可能用途列下去的話估計(jì)我自己就要先倒下了所以就此打住——

 

　　看得出來，石墨烯的用途覆蓋各個(gè)領(lǐng)域，堪稱是完美的新材料——除了還沒辦法低成本量產(chǎn)這一點(diǎn)。不過我們的確有理由期待石墨烯在不遠(yuǎn)(或者很遠(yuǎn)?)的未來定會為我們的世界帶來又一次技術(shù)革命。

圖片來源：找項(xiàng)目網(wǎng)