石墨烯是近年來各國重視的一種新型材料，它具備多種特殊的物理性質(zhì)，在軍民領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。但是石墨烯的大規(guī)模工業(yè)制備一直是世界性難題。最近浙江大學(xué)高分子系實驗室取得了這方面的一個重要突破，通過使用新型的鐵系氧化劑取代傳統(tǒng)氧化劑，實現(xiàn)了快速、低成本、無污染制備石墨烯的新技術(shù)，有望解決這種材料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)難題。據(jù)悉，石墨烯在電子、光學(xué)等領(lǐng)域的前景極為廣闊。
“生產(chǎn)實驗數(shù)據(jù)顯示，用新方法在1個小時之內(nèi)，就能做出這樣的單層氧化石墨烯，未來有望在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。”近日，在浙江大學(xué)高分子系一個裝滿了瓶瓶罐罐的實驗室中，該系教授高超一邊給記者展示一種類似咖啡粉的褐色粉末，一邊向記者介紹說。
《自然—通訊》雜志日前發(fā)表了一篇由高超課題組完成的石墨烯制備研究成果。該成果避開現(xiàn)有石墨烯制備方法的諸多缺陷，突破了傳統(tǒng)氧化石墨烯制備方法，找到了一條低成本制備單層石墨烯的“綠色”路線。
石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的類似正六角形的“蜂窩狀”薄片。“20萬片石墨烯加在一起，才相當(dāng)于人類的一根頭發(fā)絲粗細。”高超向記者介紹說，此前碳的這種二維結(jié)構(gòu)形式一直存在于科學(xué)家的猜想中，卻一直難以實現(xiàn)，其中的關(guān)鍵性難題就是如何把石墨分層到極薄的薄片。
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫最終制成了厚度只有0.335納米的石墨烯，這是世界上第一次得到單層石墨烯，兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。目前，由兩人提出的膠帶紙粘貼法演化而來的機械剝離法已成為實驗室制備石墨烯的一種常用方法。然而，該方法局限性十分明顯，制成的是不同層數(shù)的石墨烯混合物，難以大規(guī)模制備單層石墨烯。
在高超看來，石墨烯若要真正實現(xiàn)應(yīng)用，有三個關(guān)鍵問題需要解決：原料、材料和器件。原料就是石墨烯，尤其是單層石墨烯；材料是石墨烯原料組裝成的宏觀材料；器件就是把材料做成有功能的裝備。“宏觀材料問題已經(jīng)基本解決了，最根本的原料問題仍然處于探索之中。”他說。
經(jīng)過多年探索，該研究團隊終于發(fā)現(xiàn)了一種新型、廉價、無毒的鐵系氧化劑，取代了沿用半個多世紀(jì)的氯系、錳系氧化劑，使石墨烯制備過程快、成本低、無污染，適用于工業(yè)化大規(guī)模制備。《自然—通訊》審稿人評價：“該方法對石墨烯未來的進一步應(yīng)用具有重要意義。”
關(guān)于新的石墨烯生成技術(shù)，高超解釋說，鐵氧化劑分子的“奔跑”速度非常快，可以像楔子一樣，快速穿插進入石墨內(nèi)部，使其快速分層。“在此過程中，還會產(chǎn)生氧氣，這些氣體會幫助其‘頂’開層層石墨，使制備速度加快。”他說。
這種制備方法之所以很“綠色”，是因為它沒有爆炸隱患，不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，屬于環(huán)境友好型技術(shù)。同時，生產(chǎn)實驗數(shù)據(jù)顯示，該方法在1個小時內(nèi)就可以制備單層石墨烯，有望實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。此外，在鐵系氧化劑溶液中制得后，可以收干還原成為石墨烯粉末；在制作材料時，又能“速溶”于溶劑。這一特性可以讓石墨烯原料便于保存和運輸。
此次研究的成功并非一蹴而就。據(jù)了解，課題組此前已用石墨烯制作出多種形式的宏觀材料和超級電容器、鋰電池等器件。
高超的實驗室環(huán)境也展現(xiàn)了他們的研究歷程。在那里，記者看到大大小小的玻璃瓶中裝著形態(tài)各異的石墨烯材料；有實驗室拍攝的入選《自然》雜志2011年度圖片的石墨烯打結(jié)圖；甚至實驗室纖細的文竹葉子上也“漂浮”著入選2013年度世界最輕固體材料紀(jì)錄的石墨烯彈性氣凝膠；還有像電影膠片一樣、每分鐘可以“紡”10米的連續(xù)石墨烯薄膜……高超介紹說，正是在此基礎(chǔ)上，他們才開始考慮如何在原料層面突破現(xiàn)有難題，推動單層石墨烯規(guī)模化、低成本制備。
石墨烯的未來可能用途：
碳原子呈六角形網(wǎng)狀鍵合的材料“石墨烯”具有很多出色的電特性、熱特性以及機械特性。具體來說，具有在室溫下也高達20萬cm2/Vs以上的載流子遷移率，以及遠遠超過銅的對大電流密度的耐性。為此，石墨烯有看用于高速晶體管、觸摸面板、太陽能電池用透明導(dǎo)電膜，以及成本低于銅但與銅相比可通過大電流的電線等。
最近，據(jù)國外媒報道，石墨烯擁有極強的光吸收能力，并且還能把吸收的光波迅速轉(zhuǎn)化為波長更短、頻率更高的激光，持續(xù)時間為幾飛秒。科學(xué)家們表示，利用這個新發(fā)現(xiàn)，未來他們可以發(fā)明更耐高溫的激光發(fā)射器（石墨烯超耐高溫）。
當(dāng)然，這個發(fā)現(xiàn)目前僅存在于實驗室，如果科學(xué)家們建立出實體模型，將能夠增加激光發(fā)射器的使用壽命和發(fā)射功率。