碳族新秀——复合材料领域的“洗牌者”

 

　　 “土办法”制出新材料

 

　　 科学家近日公开了一份赋予用户“超强视觉”的隐形眼镜制造计划，来自美国密歇根大学的研究团队说，这种隐形眼镜内嵌入石墨烯，感光功能极佳，能够侦测到可见光与不可见光，如红外线一般，具有夜视功能。这一消息使石墨烯再次罩上神奇光环。

 

　　 第一片单层的石墨烯的诞生并无多少“技术含量”。安德烈·盖姆用透明胶带在石墨上粘一下，这样就会有石墨层被粘在胶带上。然后把胶带对折后，粘一下再拉开，这样，胶带两端都有石墨层，石墨层又变薄了。如此反复，胶带上的石墨层薄到只有一个碳原子的厚度时，石墨层也就变成了石墨烯。 

 

　　 科学家们在定义石墨烯的时候显得有些为难。中科院半导体研究所研究员谭平恒告诉记者，盖姆教授在2007年发表的石墨烯论文综述中，对到底具有多少层碳原子的二维晶体结构才能称为石墨烯进行了明确的界定：“单层、双层、多层（3层至10层）材料由于仍然保持二维晶体特性，可称为石墨烯。”

 

　　 中国石墨烯产业技术创新战略联盟2013年就石墨烯材料的定义给出标准，认为石墨烯是该标准定义的单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯（3层至10层）的统称。谭平恒认为，如何鉴别广义石墨烯层数是目前石墨烯研究和产业化发展亟需解决的问题。

 

　　 尽管“名”还不正，但各国已表现出足够热情。2013年1月，欧盟将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，计划10年提供10亿欧元资助；英国在2012年底宣布将追加投资2150万英镑资助石墨烯商业化进程，并建立一个国家级研究机构；美国、韩国、日本则分别在石墨烯制造电脑芯片和晶体管领域、柔性触摸屏和柔性有机电致发光器件领域、透明导电膜和散热膜领域走在世界前列。

 

　　 据不完全统计，当前世界上做石墨烯规模制备的公司有50多家，其中我国就有十几家，不少研究成果已居世界前沿。

 

　　 挑战各种“不可能”

 

　　 凭借其特殊的物理结构和特质，石墨烯可以在多个领域带来颠覆性的变革。

 

　　 如果将其成功用于超级电容器或锂离子电池的电极材料，套用当下比较流行的话，“妈妈再也不用担心我的电池了”。据中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛博士介绍，储能材料有两个关键指标，一是导电性，石墨烯是目前世界上电阻率最小的材料，电子在石墨烯二维平面上自由迁移，就好比汽车开上高速公路一般畅通无阻；二是比表面积，这直接影响储能材料的比容量，也就是电池的续航能力。所有组成石墨烯的碳原子都在表面，对于储能都是有效的，一点都不浪费。“只用5分钟手机就可以完成充电，而且可以用3天甚至更长。”陈成猛介绍说，这一应用可能会为电动车动力电池开启新的窗口，在节能环保方面有望突破。

 

　　 手机、电脑等电子产品用久了会发热，这是因为持续的工作产生的热量无法通过散热片及时与外界交换。随着高功率电子产品的更新换代，对散热的要求越来越高，而这恰恰是石墨烯的机会。

 

　　 据陈成猛提供的资料，室温下石墨烯的理论导热系数高达5300瓦/米·开尔文，美国在实验室已测到单片石墨烯热导率超过4000瓦/米·开尔文，这超越了碳纳米管、金刚石和高定向石墨，并远远高于导热性能最好的金属铜达一个数量级。“但这些性能都是基于一个非常微观的纳米尺度，看不见、摸不着，真正应用于实际就比较困难。”陈成猛说，依据石墨烯高导热的性能，他们研究所已成功将石墨烯和碳纤维复合成新的薄膜，导热率能超过1100瓦/米·开尔文。

 

　　 氧化石墨烯算是石墨烯的“近亲”，利用它制成的薄膜具有多种优异性能。2012年，中国科技大学工程科学学院近代力学系吴恒安教授与安德烈·盖姆教授课题组合作，利用氧化石墨烯制作出一种新型隔气透水薄膜材料。他们做了一项有趣的实验，用这种薄膜封好一瓶伏特加酒，结果随着水分蒸发，酒的味道越来越浓。吴恒安说：“水与石墨烯表面特殊的相互作用，加速了水分子通过纳米宽道的速度”。

 

　　 2014年，这个合作研究组进一步制作出具有超强离子筛选功能的氧化石墨烯薄膜。据吴恒安介绍，水环境中的氧化石墨烯薄膜在水的作用下，可以阻止水中半径大于0.45纳米的离子或分子通过。这些发现在海水淡化与净化、传感技术以及能源转换等领域具有广阔的应用前景。

 

　　 碳族新秀太“贵族”

 

　　 有着碳族众多优良基因的石墨烯，走向市场还要假以时日。陈成猛告诉记者，目前绝大多数石墨烯厂家还处于从实验室到中试，或中试向产业化的过渡阶段。

 

　　 “事实上，石墨烯产业发展中，面临的核心问题是，下游应用没有打开，石墨烯无法产品化，生产工艺也就无法定型和固化。”陈成猛说。当前石墨烯“有价无市”，价格过高。根据不同的品味，石墨烯价格在每克1000元到8000元价格不等，高昂的价格抑制了市场需求，现有需求仅限于研究机构、科研院所。

 

　　 而制备技术不成熟也阻碍了石墨烯的大规模应用。陈成猛介绍，制备石墨烯目前比较成熟的方式有物理法和化学法，其中物理法的典型代表是用胶带粘贴的方式从石墨晶体上获得，这种方法能拿到结构非常完美的石墨烯晶体，比较适用于开发电子器件或物理研究，但无法量产。

 

　　 量产主要依赖化学法，一种被学界称为“自下而上”法，也就是从小分子或碳原子通过化学气相沉积、外延生长或有机合成等途径组装成石墨烯片。这种方法规模相对容易做大一些，所获石墨烯的晶体结构相对完整，更适合去做触摸屏或太阳能电池的透明导电薄膜。另一种方式就是“自上而下”法，有时也叫化学剥离法，就是把三维的石墨晶体层层拆解开来，剥成单层或少数几层的石墨烯产品。

 

　　 “各厂家的工艺路线和所用插层剂是有差别的。有的用盐插层然后液相剥离，这种方法制备的石墨烯含氧量低，导电性能好，但剥离程度相对低一点，比表面积不太大，更适于做导电剂；有的先氧化插层然后剥离，这种方法剥离程度高，比表面积大，但做出的石墨烯缺陷比较多，含氧量大，表面活性强，更适合去做催化、储能等应用。”陈成猛说。面向石墨烯材料的先进工艺开发、装备制造和过程控制仍然是个大课题。

 

　　 从目前的技术发展来看，最有可能实现工业化使用石墨烯的下游行业是复合材料领域和显示技术领域。将石墨烯添加到塑料(10825, -60.00, -0.55%)、橡胶(15725, 10.00, 0.06%)、涂料等基体中，“调”出来的产品在性能上会更强。而对于气相沉积法制成的石墨烯，陈成猛认为其应用领域主要集中在触摸屏和太阳能电池等领域。