如何合成石墨烯? 石墨烯的合成有兩種形態(tài),一種是長成石墨烯大面積的薄膜,碳在上面組成一個薄膜,原材料往往是一種碳?xì)錃怏w,比如說甲烷。這張

如何合成石墨烯?

石墨烯的合成有兩種形態(tài),一種是長成石墨烯大面積的薄膜,碳在上面組成一個薄膜,原材料往往是一種碳?xì)錃怏w,比如說甲烷。這張圖里面可以看到,中間有一個藍(lán)顏色的代表一個碳原子,四周紅顏色的代表氫原子,一個碳帶四個氫。它落到了一個表面上以后,由于催化作用它會分解,這些氫氣就走掉了,留下碳在上面重組,就構(gòu)成了這樣一個石墨烯結(jié)構(gòu)。

我們把它放到一個爐子里面,在高溫條件下可以做成小單片,也可以通過卷對卷的方式長成大的石墨烯薄膜。

還有一種非常有用的石墨烯材料叫石墨烯粉體。既然石墨烯是石墨中的某一層,我們怎么把它單拿出來呢?

我們把石墨粉作為原材料,然后通過氧化石墨粉,或者是插層石墨粉,把層和層之間插進(jìn)其他的物質(zhì),然后把它們分開,這樣就得到了石墨烯的粉體。但是這個過程有一點(diǎn)問題,在插層和氧化的過程中會造成大量的缺陷,石墨烯的某些性質(zhì)就會下降。

在實(shí)驗(yàn)室我們做成了這樣一種東西,通過化學(xué)氣相沉積的方法,在高溫下銅的溶液中通入甲烷氣體,它就在這個里面形成了氣泡,然后在銅的表面形成石墨烯。在這些氣泡上升的過程中攜帶著這些石墨烯飛出來,然后氣泡破掉,我們就收集到了石墨烯。

石墨烯到底是不是“新材料之王”?

1、水處理

由于石墨烯可以做到高疏水性,就是我們在中間圖所看的,一滴水流在上面完全變成了水珠。

左邊是用這種性質(zhì)做成了一個水處理的機(jī)器,它可以把水、油及固體懸浮物三項(xiàng)分開。

在我們最左邊的這幅圖里面是一個水、油、懸浮物混合的溶液,然后它進(jìn)入這個機(jī)器以后分出來的中間的是純水或者處理后的比較干凈的水,右邊橘色的是油,另一個管道出現(xiàn)的是固態(tài)顆粒。右邊我們看到它可以做成一個整機(jī),就可以真正地去處理水了。

2、重防腐

橋梁工程也好,海洋工程也好,防腐是一個很重要的事情。石墨烯的防腐涂料是一種很好的重防腐的一個材料,因?yàn)樗诶锩鏄?gòu)建出了一個復(fù)雜的迷宮結(jié)構(gòu)。那些腐蝕性的離子想透過迷宮結(jié)構(gòu)要走的路更久,所以它腐蝕經(jīng)歷的時間也就越長。

3、吸附

我們知道霧霾是個大問題,它對我們的健康產(chǎn)生很大的影響?,F(xiàn)在最好的防霧霾的口罩,除了石墨烯的以外就是市面上的這種口罩。它是用靜電來吸引小粒子的,但是只能保持一小時的功效,因?yàn)槲覀兒粑乃魵庠谶M(jìn)出的過程中,靜電就被中和掉了,這樣的話它就失去了效果。

石墨烯的口罩是靠大比表面積讓氣體在里面迂回地走,由于大的比表面積,它會吸附那些顆粒,可以長時間使用而不失效,最長可以達(dá)到200個小時?,F(xiàn)在這種石墨烯口罩市場上已經(jīng)有賣的了。

4、生物示蹤

隨著人民生活水平的提高,對健康也會越來越關(guān)注,癌癥是我們非常關(guān)注的疾病。癌癥從一個癌細(xì)胞被激活到長成一個腫瘤可能只需要幾周的時間,為了治療,我們需要監(jiān)控它,我們需要看見它,看見腫瘤是怎么分裂的。

用石墨烯做的示蹤原子非常好,我們看左邊這個圖,用石墨烯看到的癌細(xì)胞是綠的,它不染色這個正常的細(xì)胞,我們就看到癌細(xì)胞是怎么變化的。

我們可以看到視頻中的癌細(xì)胞是怎么分化的,這個就是實(shí)時的十秒鐘癌細(xì)胞是怎么分裂的。這兩個細(xì)胞它們在一起的時候很快地就變成了四個細(xì)胞。

有很多種不同的生物示蹤的材料,但是石墨烯的好在哪里呢?石墨烯的發(fā)光壽命非常長,普通的示蹤材料大概從兩個小時到一天它就不再發(fā)足夠強(qiáng)的光了,我們也就看不到那些癌細(xì)胞是怎么演變的。

而石墨烯是一種超穩(wěn)定結(jié)構(gòu),它的鍵很短,化學(xué)性質(zhì)比較惰性,它可以保持兩周到一個月的示蹤長度,大大方便于我們對疾病的診斷和跟蹤。

5、紅外成像

石墨烯由于有比較均衡的紅外的吸收的譜,很少的材料才能達(dá)到這樣一個功效。中紅外和中遠(yuǎn)紅外同時成像都可以。

我們可以看到兩張黑白的圖,這里面一個人拿著一個電烙鐵,電烙鐵發(fā)出的光溫度很高,大概三四百度。這是一個中紅外的波段,人體發(fā)出的是遠(yuǎn)紅外的波段。

這種石墨烯的紅外的成像可以讓兩個波段同時呈現(xiàn),也可以只讓一個波段出現(xiàn),上面就是只看電烙鐵,下面就是人和電烙鐵都看到。我們就可以同時對人和發(fā)動機(jī)做監(jiān)控。

還有熱管理,熱管理在我們的實(shí)際生活中已經(jīng)開始應(yīng)用了,加熱的地板,加熱的服裝等等。

下面我想談一些思考,石墨烯有這么多美妙的性質(zhì),它能不能稱作“新材料之王”呢?

我覺得為時還早。因?yàn)橹阅芊Q王,它必須在這個時代有掌控力、有支配力的,它必須是一個對我們的生活影響最大的材料。

在人類的歷史上實(shí)際上這種材料并不是很多,第一個是石頭,因?yàn)樗艘粋€時代——石器時代,它是我們最早使用的一個工具,然后到了青銅時代,再往后就是鋼鐵,再往后塑料、硅、黃金。因?yàn)辄S金奠定了各國的貨幣基礎(chǔ),使大家做生意成為可能。

我想只有這些材料目前才能稱為“王”,但石墨烯目前還不能稱“王”。它未來會不會成為“王”呢?我覺得還是有可能的,這要看這個行業(yè)會發(fā)展到哪一個方向去,現(xiàn)在我們暫且可以把石墨烯叫“王儲”。

當(dāng)下石墨烯在中國經(jīng)過了一個熱潮,現(xiàn)在到了哪一個階段,我們看新技術(shù)的成長規(guī)律,它是一個從起始到高期待,然后往下走。

它必然要往下走,這是一個基本規(guī)律,然后到了一個低點(diǎn)以后開始穩(wěn)步向上升,然后達(dá)到了一個平臺。那個時候才能真正進(jìn)入我們的生活。

石墨烯究竟走到哪個階段,不同的人是有不同的觀點(diǎn)的,有的人說它正在往下走,有的人說它已經(jīng)到了低谷,有人說它已經(jīng)開始回升了。

我覺得石墨烯是值得我們期待的,它未來一定有很大的作為,因?yàn)槭┑哪切┬再|(zhì)是實(shí)實(shí)在在的;那些數(shù)據(jù)是實(shí)實(shí)在在的數(shù)據(jù);它有著很高的力學(xué)性能、電學(xué)性能、各種化學(xué)性能在里面。所以石墨烯的未來是一個可期的未來。(本文整理于于慶凱研究員在造就的演講)注釋

1、范德華力:

Van der Waals force,在化學(xué)中指分子之間非定向的、無飽和性的、較弱的相互作用力,根據(jù)荷蘭物理學(xué)家約翰內(nèi)斯·范德瓦耳斯命名。范德華力是一種電性引力,但它比化學(xué)鍵或氫鍵弱得多,通常其能量小于5kJ/mol。范德華力的大小和分子的大小成正比。

2、富勒烯:

一種完全由碳組成的中空分子,形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。富勒烯在結(jié)構(gòu)上與石墨很相似,石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成,而富勒烯不僅含有六元環(huán),還有五元環(huán),偶爾還有七元環(huán)。

3、芳香族:

芳香族化合物(aromatic compounds )是一類具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物,它們結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不易分解,且毒性很強(qiáng),會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,對人體危害極大。芳香族化合物均具有“芳香性”。

4、能帶:

能帶理論(Energy band theory)是用量子力學(xué)的方法研究固體內(nèi)部電子運(yùn)動的理論,于20世紀(jì)初期,在量子力學(xué)確立以后發(fā)展起來的一種近似理論。它曾經(jīng)定性地闡明了晶體中電子運(yùn)動的普遍特點(diǎn),并進(jìn)而說明了導(dǎo)體與絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)別所在,解釋了晶體中電子的平均自由程問題。

[責(zé)任編輯:陳語]

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