去年，華為掌門人任正非曾表示，未來10-20年，將迎來石墨烯顛覆硅的時代。隨后，有西方媒體報道，西班牙研發(fā)出石墨烯電池，充電8分鐘可續(xù)航1000公里。近年來，石墨烯似乎已成為無所不能的新材料之王。

中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所（以下簡稱長春應(yīng)化所）研究員牛利等人近日在石墨烯材料的制備及應(yīng)用研究方面取得重要進(jìn)展，該成果獲得2015年吉林省自然科學(xué)獎一等獎。

牛利在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示：“雖然石墨烯材料具有相當(dāng)特殊的物理及化學(xué)屬性，但距離真正的實際應(yīng)用還有很長的路要走?！?/p>

超級材料

石墨烯存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。

2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。

他們不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。

據(jù)牛利介紹，石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，具有極好的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)性能。

常溫下，石墨烯電阻率比銅或銀更低，是世界上電阻率最小的材料。石墨烯因電阻率低、電子遷移的速度快，有望用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

石墨烯既是最薄的材料，也是最韌的材料。曾有實驗證實，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，卻可以承受一只一千克的貓。

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）也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。

石墨烯的特殊性能使其迅速成為國際先進(jìn)材料研發(fā)的新熱點，引發(fā)了國內(nèi)外科研人員的跟蹤研究，牛利團(tuán)隊就是其中之一。

性能改良

這些年，牛利帶領(lǐng)長春應(yīng)化所現(xiàn)代分析技術(shù)工程實驗室材料電化學(xué)課題組，密切關(guān)注國際石墨烯材料研發(fā)發(fā)展的最新趨勢，圍繞二維石墨烯材料理論設(shè)計、制備合成、性質(zhì)表征以及其在電分析化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開展了系列研究工作。

由于石墨烯片層之間具有強(qiáng)烈的相互作用，使其非常難以剝離。牛利告訴記者：“傳統(tǒng)的氧化剝離方法是通過強(qiáng)氧化劑，讓石墨烯邊緣發(fā)生氧化作用，出現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)扭曲。這種方法由于使用大量的強(qiáng)氧化劑，如高錳酸鉀、濃硫酸等試劑，制備的石墨烯材料結(jié)構(gòu)可控性差，缺陷多，產(chǎn)率也較低?！贝送?，該方法直接產(chǎn)生的是石墨烯氧化物，還需要進(jìn)一步的還原處理才能得到最終的石墨烯材料。