石墨烯：完美（měi）材料與未（wèi）來生活

石墨烯：完（wán）美材料與未來生活

有這樣一種材料，它的機械強度是世界上最好的鋼（gāng）的100倍，它有著最（zuì）快的電子遷移率，如果用於信號傳輸，1秒內就可以傳（chuán）完兩張藍光DVD的容量，同時它還（hái）具備已知材（cái）料中最快的導熱率以及與銅一樣優秀的（de）導（dǎo）電性……這如（rú）果不是UFO掉落（luò）的（de）碎片，就是石墨烯。
　　石墨（mò）烯，來自於石墨，凝聚（jù）著全球科學家的目光，注（zhù）定要改變未來你我（wǒ）的生活。問題是，麵對擁有諸多完美特性的材料，我們卻（què）無從下手，在（zài）2004年以前，這種二維材料在理論上是不可以穩定存在的。近年來（lái），出現了以石（shí）墨烯紙為代表的各式（shì）研究，但石墨烯的實際應（yīng）用離我們的生活依舊尚遠，原因就是科學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（cái）料。
　　近日，浙江大學的高超教授和（hé）博士生許震，找到了一種方法，並在世界上最早得到了一段連續的石墨烯長纖維。該成果發表在了《自然通訊（xùn）》，該文章也同時被自然新聞報（bào）道。這可能開啟了石墨烯宏觀應用（yòng）的大門（mén）。

　　無（wú）盡的應用（yòng）：也許有一天……
　　2010年，英國曼徹（chè）斯特大學海姆和諾沃肖洛夫共同（tóng）獲得諾貝爾物理學獎，這距離二人從三維石墨晶（jīng）體中分離（lí）出自由的石墨烯二維（wéi）晶體僅僅過去了6年——這也是曆史上取得成果（guǒ）與獲獎之間最短的時間之一，很（hěn）多人要在（zài）成果問（wèn）世幾（jǐ）十年後才收到諾貝爾獎（jiǎng）的（de）邀請。
　　石墨烯是六角型蜂巢結構的單層碳二維晶體。浙（zhè）江大學高分子科學與工程學係教授高超告訴本報記者，石墨烯僅（jǐn）有單原子厚，是已知材料中最薄的一種。由於構成石墨（mò）烯所（suǒ）有的碳原子都是裸露的，這就使得石墨（mò）烯具（jù）有很大的表麵積。石墨烯（xī）片中的碳原子之間柔韌的連接使（shǐ）得它在外力條件下可以保持穩定的結構，正（zhèng）由於這種穩定（dìng）的晶格結構，石墨烯有著迄今為止最高的力學（xué）強度（dù）和（hé）最高的導（dǎo）熱性能。
　　“它的（de）機械強度是世界上最好的鋼的100倍，它有著最快的電子遷移率，同時它還具備已知材料中最快的導熱率以及（jí）與銅一樣優秀的導電（diàn）性。”高超介紹（shào），石墨烯還有著豐富的化學反應性，可（kě）以（yǐ）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（dēng）等燈。××電腦（nǎo）采用1.5T石墨烯（xī）處理器……”裝備有這（zhè）種CPU的電（diàn）腦秒殺現（xiàn）在的各種PC：石墨烯可用以生產頻率更高、發熱量更小、信息量更大的計算機芯片——據估計，屆時芯片處理器的頻率有（yǒu）望達到1THz以上(現在商用CPU最好（hǎo）的為GHz量級，1THz = 1000GHz)。
　　也許有一天，你把掌（zhǎng）上電腦（nǎo）三折兩疊塞進牛仔（zǎi）褲後兜，這比各種Pad都拉風：石墨烯良好的透明性和導電性可（kě）以用來製造大麵積的柔性透明電（diàn）極（jí），使得可折疊的觸摸顯示屏成為可能。
　　也許有一天，用石墨烯製備的手機電池，三分（fèn）鍾就充滿電，能打半個月電（diàn）話；應用了石墨烯的光調製器，可使網絡速（sù）度快一萬倍。
　　也許有一天，石墨烯實現了直接快速低成本的基因測序，幾個小時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；用石墨烯開發了（le）超輕型飛機、防（fáng）彈衣、輕型汽車，甚至是人類夢想的上萬英裏的（de）太空電梯。
　　但現在的問題是，我們隻能得到最（zuì）大（dà）至厘米級別的石墨烯材料。然後，“如果（guǒ）用於電（diàn）子器件，就要突（tū）破研（yán）究高純（chún）石墨烯及可控（kòng）摻雜石墨烯的製備這一瓶頸；如果用於複合材料，還要研究可溶（róng）或可加工石墨烯合成及石墨烯表麵性質的調控。”高超說。
　　石墨烯的潛（qián）能超凡（fán），但我們首先（xiān）要找到開啟其（qí）應用的手段。

　　長纖維：石（shí）墨烯找到（dào）用武之地
　　科學家們相（xiàng）信，欲利用好石墨烯的特性，可以將這些二維碳納米片（piàn）有效地排列成宏觀材料——石墨烯纖維。
　　“在最近幾（jǐ）年裏，人們在石墨烯的基本性質研究方麵取（qǔ）得了很大的進展。但（dàn）在我們的研究之前，人們很難想象怎樣才能將不（bú）足一（yī）納（nà）米厚的石墨烯片變成宏觀的纖維材料。”高超說（shuō），“在這一領域，之前（qián）的研究都集中在製備石墨烯（xī）紙。然而，這一形式的材料尺寸上隻有數毫米至（zhì）幾厘米，而（ér）無法像纖維一樣能夠連續製備得到人（rén）們想要的長度”。這意味著，此次（cì）做出的連續纖維在全世界尚屬首例。
　　微小的（de）石墨（mò）烯片好比是一張紙，這張紙有強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（zhǎng）的大“繩子”，那麽這根“繩”就（jiù）是上麵（miàn）提到的纖維（wéi）了（le）。纖維可以紡成線，線可以編成真（zhēn）正（zhèng）的繩子，線也可以織成布。有了繩子和布，石墨烯就有（yǒu）了廣闊（kuò）的用武之地。隻是這種纖維並不一定具備石墨烯那樣的剛性，因為纖維的結實程度取（qǔ）決（jué）於其片與片之間的親合力。
　　高超介紹說，經（jīng）過改（gǎi）性和複合，可以形成多係列、多用途的石墨烯纖（xiān）維，作為一類高性能纖維的基本原料。用這種布料（liào）做的衣服（fú）可防輻射、抗靜（jìng）電、抗細菌，乃至製成特種功能服裝如抗（kàng）腐蝕服、防彈衣（yī）及柔性電（diàn）子器件服裝；強度（dù）進一步提高後，這些纖維可製（zhì）成建築支撐材料，代替鋼筋（jīn）等金屬材料搭建輕型房子、帳篷等，也（yě）可用於汽車外殼、輕型飛機外殼等，當然還可以很容易做成輕質電纜（lǎn）電（diàn）線、導電（diàn）/抗靜電管路、柔性電容器、電（diàn）池（chí）、傳感（gǎn）器等。

　　下一個目標：石（shí）墨烯纖維的力學強度
　　在（zài）實驗室裏，高超和許震製（zhì）成了幾十米長的石墨烯纖（xiān）維。“用石墨烯納米片紡成十米絲的難度，相當於用（yòng）普通打印紙（zhǐ）疊成一千公裏長繩子的難度。”
　　高（gāo）超說：“石墨烯很難溶解，難（nán）以開展對（duì）其液相性質的深入研究。另（lìng）外，由於溶解度（dù）低、缺少組裝方（fāng）法，如（rú）何實現石墨烯有序排列的宏（hóng）觀纖維（wéi）是該（gāi）領域的一大挑戰。”
　　他們使用了一種叫濕法紡絲的工業方法。通過氧（yǎng）化，他們先將（jiāng）石（shí）墨變成氧化石墨烯，這是一種易溶解的石墨（mò）烯（xī）衍生物。高濃度的（de）純氧化石墨烯（xī）溶（róng）液看似半固體（tǐ）半液體的分散液，可以像（xiàng）黏稠的液體一樣流動（dòng），但是，其（qí）中的氧化石墨烯片（piàn）卻自（zì）發地整齊排列。
　　要知道，紡絲時必需讓所有的石墨（mò）烯片沿纖維的（de）軸向排列，否則，隻要有一片石（shí）墨烯“不聽話”而橫向排列（liè），就會形成纖維的缺陷，極容易在此（cǐ）處斷裂而無法進行連續紡絲。高超解釋：“正是因為這種有（yǒu）序的（de）內部結構，使得我們得到的液晶分（fèn）散液可以（yǐ）很好地用於纖維的紡製。”然後，采用化（huà）學還原的方法將其處理，就得（dé）到了可以導電的石墨烯長纖（xiān）維。
　　通過液晶紡絲，製得了石墨烯連續纖維，開辟了由天然石墨室（shì）溫製取純碳基纖維的新通道。纖維導電性好、強度高、韌性佳，可打結，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（gāo）性能複合材料等（děng）領域具有良好的應用前（qián）景。
　　雖然石墨烯並不是第一個用於連續製備纖維的碳材料(在這之前還有傳統（tǒng）的碳纖（xiān）維和（hé）碳納米管纖維（wéi）)，但是石墨烯纖維有著自己獨特的優勢。高超介紹（shào）說：“碳纖維需要高溫（wēn）處理(高於1000攝氏度)才可（kě）以得到，而我（wǒ）們的石墨烯纖維在室溫下用水溶液紡絲即可製（zhì）得，其製備過程相當方便快（kuài）捷、綠色環保”。
　　如何提高石墨烯纖（xiān）維的力（lì）學強度是高超小組的下一個目標。他們初步製備的石墨（mò）烯纖維有著一些結構上的缺陷（xiàn），從而降低了它的力學性能。“盡管現在石墨（mò）烯纖維的力學強度與碳纖維相比還有較大的差距(其韌性（xìng）遠（yuǎn）優於碳纖維（wéi）)，但我們（men）相信其進一步（bù）提高的空間還很大”。
　　當然（rán），如果（guǒ）主要利用的是石墨（mò）烯纖維的高導電性能，纖維的高強度並不是必須的。研究石（shí）墨烯合成的新加坡南（nán）洋（yáng）理工（gōng）大學（xué）張華教授認為：“這種纖維一定有它的用武之地，例如可能用於觸摸麵板、傳感器或者功能織物等”。

　　■延伸閱讀
　　為（wéi）揭開手性之謎鋪路
　　“從（cóng）學術（shù）上講，可以（yǐ）說開（kāi）拓了二維納米材料手性液晶和宏觀組裝纖維這兩個新方向。”這項研究有兩個方麵的重要影響。製（zhì）成的石墨（mò）烯纖維是二（èr）維（wéi）納米材（cái）料（liào）宏觀組裝纖維方向的成果，那麽二維納米材料手性（xìng）液晶（jīng）指的是（shì）什麽？
　　通過與高超教授的交談，記者了解到，原（yuán）來（lái）這是一篇文章中的兩項重要成果。簡言之，如果獲得了石墨烯長纖（xiān）維是一種創造，那麽前者就是一種發現。
　　首先我們先要了解，什麽是手（shǒu）性？這種情形像（xiàng）是鏡（jìng）子裏和鏡子外（wài）的物體那樣，看上去互為對應。由於是三維結構，它們不管怎樣旋轉都不會重合——如果你注意觀察過你的手，你會發現你（nǐ）的左手和右手看起來似乎一模一樣，但（dàn）無論你怎樣放，它們（men）在空間上卻無法完全重（chóng）合。
　　“宇宙大（dà）爆炸以後就形成了手性，隻要有螺旋就有手性，常見物質如（rú）基因、蛋白質、氨基酸都是手性的（de）。”高超解釋說，但這些都是小分子或一維結構的。迄今為止，二維粒子的手性液晶還未被發現。那麽，二維粒子手性液晶相是否存（cún）在？又（yòu）如何才能形成螺旋排列結構？研究提出的“扭曲層狀塊模型”就（jiù）解開了二維膠粒（lì）如何形成（chéng）連續螺（luó）旋結構的謎題。“它（tā）能增加知識（shí）、擴大認識（shí），使我們了解物質的液相結構規律（lǜ），為最終揭（jiē）開手性（xìng）的秘密鋪了一塊石級。”