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石墨烯:新材料打開新世界大門

發布時間:2016.02.06

 

第一期:石墨烯:新材料打開新世界大門

  石墨烯——一種只有一個原子厚的二維碳膜——的確是種令人驚訝的材料。雖然名字里帶有石墨二字,但它既不依賴石墨儲量也完全不是石墨的特性:石墨烯導電性強、可彎折、機械強度好,看起來頗有未來神奇材料的風范。如果再把它的潛在用途開個清單——保護涂層,透明可彎折電子元件,超大容量電容器,等等——那簡直是改變世界的發明。連2010年諾貝爾物理學獎都授予了它呢!

  想想,透明的手機、充電時間按秒算的電池、薄膜防彈衣,這簡直是要拍鋼鐵俠!太帥了。

  石墨烯制作的透明手機的…概念圖

 

  等等,小編掐指一算,石墨烯誕生至今都十多年了,這些好東西在哪呢?

  其實就在2012年,因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)和他的同事曾經在《自然》上發表文章討論石墨烯的未來,兩年來的發展也基本證明了他們的預測。他認為作為一種材料,石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”,雖然將來它也許能發揮重大作用,但是在克服幾個重大困難之前,這一場景還不會到來。更重要的是,考慮到產業更新的巨大成本,石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現有的設備——它的真正前景,或許在于為它的獨到特性量身定做的全新應用場合。

 

  石墨烯到底是什么?

掃描電鏡下的石墨烯,顯示出其碳原子組成的六邊形結構。圖片來源:Lawrence Berkley 

 

  說的再白話一點,石墨是一類層狀的材料,也是人們發現的第一種由單層原子構成的材料。石墨烯每層都是多個六邊形碳環的蜂巢式排列,鉛筆里用的石墨就相當于無數層石墨烯疊在一起。但由于層間作用力較弱,因此石墨層間容易互相剝離(所以咱脆弱的鉛筆芯老斷- -#),剝離后形成薄的石墨片(于是在紙上留下痕跡)。但是,這樣的剝離存在一個很小的極限,那就是單層的剝離,即形成厚度只有一個碳原子的單層石墨,這就是石墨烯。而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

 

 

  作為當下最熱的新材料,石墨烯的潛力是相當強大的。先說說它神奇的一個特性,由于碳原子之間化學鍵的特性,石墨烯很頑強:可以彎曲到很大角度而不斷裂,還能抵抗很高的壓力。如果只有保鮮膜厚度的石墨烯薄層,覆蓋在一只杯子上,然后試圖用一支鉛筆戳穿它,你猜要多大力?那么需要一頭大象站在鉛筆上,才能戳穿。因為只有一層原子,電子的運動被限制在一個平面上,為它帶來了全新的電學屬性,使得快速充電的電池、容量超高的電容、 能檢測單個污染物分子的污染探測器、 能用于量子計算機的特殊元件等成為可能。總的來說就是特殊材料成就高科技。另外石墨烯在可見光下透明,但不透氣。這些特征使得它非常適合作為保護層和透明電子產品的原料。

  但是適合歸適合,真的做出來還沒那么快。

  問題來了:制備方式。

  許多項研究向我們展示了石墨烯的驚人特征,但有一個陷阱。這些美妙的特性對樣品質量要求非常高。要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品,需要最費時費力費錢的手段:機械剝離法——用膠帶粘到石墨上,手工把石墨烯剝下來。

 

  利用膠帶,采用機械剝離法得到單層石墨烯。圖片來源:sknust.de

  嚴肅,別笑,2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。

這張圖片是諾沃肖洛夫團隊捐贈給斯德哥爾摩的石墨、石墨烯和膠帶。膠帶上的簽名“Andre Geim”就是和諾沃肖洛夫一同獲得諾貝爾獎的人。圖片來源:wikipedia

  雖然所需的設備和技術含量看起來都很低,但問題是成功率更低,弄點兒樣品做研究還可以,工業化生產?開玩笑。要論產業化,這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦,一天又能剝下來幾片……

  當然現在我們有了很多其他方法,能增加產量、降低成本——麻煩是這些辦法的產品質量又掉下去了。我們有液相剝離法:把石墨或者類似的含碳材料放進表面張力超高的液體里,然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學氣相沉積法:讓含碳的氣體在銅表面上冷凝,形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法,在兩層硅中間直接設法長出一層石墨烯來。還有化學氧化還原法,靠氧原子的插入把石墨片層分離,如此等等。方法有很多,也各自有各自的適用范圍,但是迄今為止還沒有真的能適合工業化大規模推廣生產的技術。

  這些辦法為什么做不出高質量的石墨烯?舉個例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環,但在邊緣部分往往會被打亂,成為五元或七元環。這看起來沒啥大不了的,但是化學氣相沉積法產生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點上生長出來的一片。它其實是多個點同時生長產生的“多晶”,而沒有辦法能保證這多個點長出來的小片都能完整對齊。于是,這些畸形環不但分布在邊緣,還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內部,成為結構弱點、容易斷裂。更糟糕的是,石墨烯的這種斷裂點不像多晶金屬那樣會自我愈合,而很可能要一直延伸下去。結果是整個石墨烯的強度要減半。材料是個麻煩的領域,想魚與熊掌兼得不是不可能,但肯定沒有那么快。

顯微鏡下的一塊石墨烯,偽色標記。每一“色塊”代表一片石墨烯“單晶”。圖片來源:Cornell.edu

  小伙伴們不禁要著急啦,哎呀這么好的東西,不能用,怎么辦,急急急,在線等。

  別擔心,天下無難事,只怕有心人,惡龍再難馴,也自有棋高一籌的馴龍高手。現在小編就來向大家介紹的這家天使投資企業,立志要馴服石墨烯這個有能耐又不聽話的小家伙,它就是:合肥微晶材料科技有限公司

  微晶公司成立于2013年01月,公司坐標就在咱們高新區,是由中科大和工大4名在校博士和碩士領銜創辦的以專業從事石墨烯、碳納米管等其它新型材料的研發、生產與銷售為一體的企業。

  微晶是安徽省唯一一家石墨烯生產企業,自成立以來受到了省市各級領導的高度重視。省委書記張寶順等領導在五四青年節當天親臨考察并予以高度評價。公司研發團隊實力雄厚,由中國科學技術大學博士生導師擔任技術顧問,多名博士和碩士組成研發團隊成員,均有從事石墨烯研究近5年的經歷,在石墨烯產品研發生產、石墨烯生產設備研發、制備以及相關技術服務方面擁有豐富的技術背景。目前公司已累計申請發明專利13項,并于2013年底通過了合肥市高新技術企業認證。2014年實現石墨烯粉體的宏量制備。2015年上半年噸級石墨烯粉體制備產線建成。2015年下半年通過國家高新技術企業認證。

  小伙伴們又要問了,不是說把石墨烯薄膜剝出來很難的嗎?微晶怎么這么厲害,成噸成噸的生產呀?他們得買多少寬膠布啊?

  那是因為,咱們技術領先嘛!在石墨烯薄膜的制備上,微晶公司采用現在主流的化學氣相沉積法,但是由于研發人員積累了豐富的操作經驗可以在石墨烯生長薄膜過程提高純度、減少雜質。這種氣相沉積法制成的石墨烯,其應用領域主要集中在觸摸屏和太陽能電池等領域。微晶公司將石墨烯薄膜量產作為研發重點,目前已初步擬定了2個方案,若在今后滿足無塵、高溫、高壓等試驗條件并最終實現后,還會帶來新一輪的技術及公司業績的突破。對于公司的另一大拳頭產品:石墨烯粉末,現在市場現存的可實現量產的石墨烯生產廠家無一例外采用的都是“自上而下”的化學剝離法。微晶采用的已經在生產工藝和生產路徑方面領先了一大步,制備技術國際領先。另外市場上現存的石墨烯廠家生產的石墨烯粉末產品特征單一,沒有實際考察到客戶對石墨烯的精細需求(不同微粒直徑應用不同),微晶材料公司可實現對微粒直徑的精確控制。

  目前的技術發展來看,最有可能實現工業化使用石墨烯的下游行業是復合材料領域和顯示技術領域。將石墨烯添加到塑料、橡膠、涂料等基體中,“調”出來的產品在性能上會更強。微晶材料對三種形貌的石墨烯均有較深的研究,市場上其他石墨烯公司只擅長其中一種;且微晶粉末量產最先實現,薄膜和泡沫工藝也有較厚的技術儲備,且低價量產的設備已經設計完成。微晶材料的石墨烯薄膜產品較國內產品來說,純度較高,單層率高,方塊電阻水平處于領先水平;石墨烯粉末產品較國內產品來說,可以精確定位微粒直徑,純度高,可較低成本實現量產。

  怎么樣,是不是覺得這家企業棒棒的,大有可為啊!希望這篇文字讓你在輕松閱讀的同時,能大概了解石墨烯這個“高精尖”的小家伙。感興趣的話,可以掃描下方二維碼添加“微晶公司”微信,了解更多關于石墨烯的科技前沿知識。

 

  天使愛科技,帶你飛向科技最前沿。

  春節快樂,我們猴年見。

 

                                    (本文科技說明部分援引自《果殼》)

 

 

 

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