去石墨烯国王的路有多长

去石墨烯国王的路有多长  


去年，华为负责人任正非表示，未来10到20年将迎来颠覆石墨烯硅的时代。随后，西方媒体报道西班牙开发了石墨烯，可以持续1000公里8分钟。近年来，石墨烯似乎已成为所有强大新材料之王。

中国科学院长春应用化学研究所（以下简称长春应用化学研究所）研究员牛力最近在石墨烯材料的制备和应用方面取得了重要进展，荣获2015年吉林省自然科学奖一等奖。

牛力告诉《中国科学杂志》，尽管石墨烯材料具有相当特殊的物理和化学性质，但在实际应用之前，还有很长的路要走。

石墨烯存在于自然界中，但很难剥离出单层结构。厚度为1毫米的石墨含有大约300万层石墨烯。

2004年，曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃索洛夫将石墨片与高定向热分解石墨分离，然后将石墨片的两面粘在一条特殊的胶带上，撕开胶带，将石墨片分为两部分。

他们继续这样做，床单变得越来越薄。最后，他们得到了一块只有一层碳原子组成的薄片，那就是石墨烯，他们还获得了2010年诺贝尔物理学奖。

根据纽里的说法，石墨烯是一种二维蜂窝状结构的新型含碳材料，由碳原子紧密地填充。它具有优良的电气、机械、热学和光学性能。

在室温下，石墨烯的电阻率比铜或银低，是世界上最小的材料，由于石墨烯的电阻率低、电子迁移快，有望用于发展更薄、更快的导电生成或。

石墨烯是最薄最硬的材料，实验表明，如果吊床是由面积为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公斤猫的重量。

另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，即使是最小的气体原子（氦原子）也不能穿透，这些特性使它非常适合透明电子产品的原材料，如透明触摸屏、发光板和太阳能板。

石墨烯的特殊性质使其迅速成为国际先进材料研究和开发的新热点，引发了国内外研究人员的后续研究，其中牛力团队就是其中之一。

近年来，牛力在长春英华研究所现代分析技术工程实验室领导了材料电化学研究小组，密切关注了石墨烯材料国际研发的最新动向，开展了一系列理论设计、制备和研究工作。二维石墨烯材料在电分析化学领域的作用、合成、表征及应用。

由于石墨烯片层间的强相互作用，很难将其剥离。纽里告诉记者：传统的氧化剥离方法是通过强氧化剂，使石墨烯边缘氧化，存在扭曲的片层结构。由于使用了大量强氧化剂，如高锰酸钾等，浓硫酸等试剂制备的石墨烯材料可控性差，缺陷多，收率低，而且直接用该方法生产氧化石墨烯，需要进一步还原处理才能得到最终的石墨烯材料。

牛力的团队利用微波能量作为辅助，有机小分子插层剂通过微波逐渐渗透到石墨烯片之间的插层剂中，使石墨烯片逐渐剥离，这项技术不仅可以直接生产出高度可还原的石墨烯材料，而且不需要石墨烯氧化以低成本大量生产高质量石墨烯材料。

目前，昂贵的化学气相沉积方法在石墨烯薄膜制备中得到了广泛的应用。牛力团队发现，这种方法很难控制石墨烯薄膜的厚度，特别是对于复杂的图案设计。此外，化学还原剂，无论是液相还是气相，都会导致使用二级化学试剂。

我们采用电化学技术来控制氧化石墨烯在界面上的电化学还原沉积，只需通过电子转移过程。牛力说：这种方法简单、成本低、绿色环保、结构厚度和性能可控。

牛力的团队还探索了新型石墨烯及其混合材料在电极界面改性、分析传感等相关领域的应用。

设计并制备了石墨烯片层、薄膜和石墨烯杂化材料，进一步探讨了石墨烯及其杂化材料的化学结构特征和反应机理。石墨烯及其杂化材料应用于传感分析、复合材料和环境领域。

作为一种工业技术，要实现石墨烯的产业化还需要克服许多困难，牛力指出，尽管国际上已经发表了一些研究成果，石墨烯已应用于电池、器件结构、机械增强材料、导热膜和热释光材料等领域，但在实际应用中仍存在许多困难。在她的领域，这些领域仍有许多科学和工程问题需要解决。

由于石墨烯的制备方法还存在技术缺陷，实验室研制的石墨烯的成本仍然很高，研究人员计算出，目前石墨烯的价格高达每克5000元，是黄金的10倍多。

低成本、大批量制备高质量石墨烯是石墨烯材料化学制备中一个值得关注的技术问题，在显微镜和器件领域，研究人员还需要解决如何降低器件材料制备成本、提高器件结构均匀性等问题。以及如何将微操作和纳米结构技术应用于石墨烯器件。

目前，在储能器件、导热材料、透明薄膜等石墨烯材料的一些应用领域，尽管已有围绕需求和应用前景的研究工作报道，但由于缺乏明显的研究成果，研究工作与应用需求之间仍有一定的距离。直接应用领域与工程技术方法相结合。

牛力告诉记者：基础研究与工程技术的有机结合，特别是与应用目标的驱动，将使石墨烯材料的研究成果更好地投入实际应用。

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