去石墨烯國王的路有多長

去石墨烯國王的路有多長  


去年，華為負責人任正非表示，未來10到20年將迎來顛覆石墨烯硅的時代。隨后，西方媒體報道西班牙開發了石墨烯，可以持續1000公里8分鐘。近年來，石墨烯似乎已成為所有強大新材料之王。

中國科學院長春應用化學研究所（以下簡稱長春應用化學研究所）研究員牛力最近在石墨烯材料的制備和應用方面取得了重要進展，榮獲2015年吉林省自然科學獎一等獎。

牛力告訴《中國科學雜志》，盡管石墨烯材料具有相當特殊的物理和化學性質，但在實際應用之前，還有很長的路要走。

石墨烯存在于自然界中，但很難剝離出單層結構。厚度為1毫米的石墨含有大約300萬層石墨烯。

2004年，曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃索洛夫將石墨片與高定向熱分解石墨分離，然后將石墨片的兩面粘在一條特殊的膠帶上，撕開膠帶，將石墨片分為兩部分。

他們繼續這樣做，床單變得越來越薄。最后，他們得到了一塊只有一層碳原子組成的薄片，那就是石墨烯，他們還獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

根據紐里的說法，石墨烯是一種二維蜂窩狀結構的新型含碳材料，由碳原子緊密地填充。它具有優良的電氣、機械、熱學和光學性能。

在室溫下，石墨烯的電阻率比銅或銀低，是世界上最小的材料，由于石墨烯的電阻率低、電子遷移快，有望用于發展更薄、更快的導電生成或。

石墨烯是最薄最硬的材料，實驗表明，如果吊床是由面積為1平方米的石墨烯制成的，它的重量不到1毫克，但它能承受1公斤貓的重量。

另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，即使是最小的氣體原子（氦原子）也不能穿透，這些特性使它非常適合透明電子產品的原材料，如透明觸摸屏、發光板和太陽能板。

石墨烯的特殊性質使其迅速成為國際先進材料研究和開發的新熱點，引發了國內外研究人員的后續研究，其中牛力團隊就是其中之一。

近年來，牛力在長春英華研究所現代分析技術工程實驗室領導了材料電化學研究小組，密切關注了石墨烯材料國際研發的最新動向，開展了一系列理論設計、制備和研究工作。二維石墨烯材料在電分析化學領域的作用、合成、表征及應用。

由于石墨烯片層間的強相互作用，很難將其剝離。紐里告訴記者：傳統的氧化剝離方法是通過強氧化劑，使石墨烯邊緣氧化，存在扭曲的片層結構。由于使用了大量強氧化劑，如高錳酸鉀等，濃硫酸等試劑制備的石墨烯材料可控性差，缺陷多，收率低，而且直接用該方法生產氧化石墨烯，需要進一步還原處理才能得到最終的石墨烯材料。

牛力的團隊利用微波能量作為輔助，有機小分子插層劑通過微波逐漸滲透到石墨烯片之間的插層劑中，使石墨烯片逐漸剝離，這項技術不僅可以直接生產出高度可還原的石墨烯材料，而且不需要石墨烯氧化以低成本大量生產高質量石墨烯材料。

目前，昂貴的化學氣相沉積方法在石墨烯薄膜制備中得到了廣泛的應用。牛力團隊發現，這種方法很難控制石墨烯薄膜的厚度，特別是對于復雜的圖案設計。此外，化學還原劑，無論是液相還是氣相，都會導致使用二級化學試劑。

我們采用電化學技術來控制氧化石墨烯在界面上的電化學還原沉積，只需通過電子轉移過程。牛力說：這種方法簡單、成本低、綠色環保、結構厚度和性能可控。

牛力的團隊還探索了新型石墨烯及其混合材料在電極界面改性、分析傳感等相關領域的應用。

設計并制備了石墨烯片層、薄膜和石墨烯雜化材料，進一步探討了石墨烯及其雜化材料的化學結構特征和反應機理。石墨烯及其雜化材料應用于傳感分析、復合材料和環境領域。

作為一種工業技術，要實現石墨烯的產業化還需要克服許多困難，牛力指出，盡管國際上已經發表了一些研究成果，石墨烯已應用于電池、器件結構、機械增強材料、導熱膜和熱釋光材料等領域，但在實際應用中仍存在許多困難。在她的領域，這些領域仍有許多科學和工程問題需要解決。

由于石墨烯的制備方法還存在技術缺陷，實驗室研制的石墨烯的成本仍然很高，研究人員計算出，目前石墨烯的價格高達每克5000元，是黃金的10倍多。

低成本、大批量制備高質量石墨烯是石墨烯材料化學制備中一個值得關注的技術問題，在顯微鏡和器件領域，研究人員還需要解決如何降低器件材料制備成本、提高器件結構均勻性等問題。以及如何將微操作和納米結構技術應用于石墨烯器件。

目前，在儲能器件、導熱材料、透明薄膜等石墨烯材料的一些應用領域，盡管已有圍繞需求和應用前景的研究工作報道，但由于缺乏明顯的研究成果，研究工作與應用需求之間仍有一定的距離。直接應用領域與工程技術方法相結合。

牛力告訴記者：基礎研究與工程技術的有機結合，特別是與應用目標的驅動，將使石墨烯材料的研究成果更好地投入實際應用。

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