首次建立了石墨烯通过自组装大量制备一维石墨

2019-11-09 21:55栏目:国际学校
TAG:

3月30日晚7点,教育部长江学者钟建新教授作客岳麓讲坛,讲述石墨烯物理建立的过程和创新要素。

>

必威,文章来源:北京科普之窗

必威 1

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,为了让同学们更好的理解其构造,钟建新以石墨和金刚石这两种材料为例,说明碳有很多种同素异形体,碳原子排列方式的不同造就了物质之间的差异。而石墨烯就是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,是只有一个碳原子厚度的二维材料。

石墨烯是最近一两年非常火热的概念,它已经逐渐取代“纳米材料”,成了商家热炒、媒体报道、老百姓不知所云的又一种高科技。有关石墨烯手机、石墨烯电池之类的报道层出不穷,普通人常常被“充电十分钟能跑1000公里”、“中东油霸要完“之类的标题所吸引,但是读罢依然不知道石墨烯到底是个什么鬼。

普通铅笔芯比剑还有威力?

石墨烯因具有优异的力学、热学、电学、超大比表面积等优异性质, 在电子器件、传感器、电池/超级电容器、催化剂载体以及基于石墨烯的复合材料等领域具有广阔的应用。石墨烯的低成本宏量制备是其广泛应用的前提和关键,因此,基于石墨高效剥离规模化制备石墨烯至今是科研人员致力解决的难题。近日,上海交通大学赵亚平教授课题组运用所建立的基于超临界二氧化碳剥离技术高效制备石墨烯及其自组装构建一维石墨烯卷取得多项研究新成果,对石墨烯的规模化应用和一维石墨烯卷的研究具有重要实际应用价值和学术意义。

为追溯石墨烯的由来,钟教授给大家讲了一个故事。2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现,他们能用一种非常简单的方法得到石墨薄片:从石墨中剥离出石墨片,然后把薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。看似简单的方法,却是长久以来诸多科学家苦苦求索的成果。石墨烯的发现经历了漫长的过程。1985年,C60的问世为石墨烯的到来拉开序幕,1991年碳纳米管纳米结构的发展更为其研究提供了更多的经验,直到后来许许多多的科学运用各种各样的方法来提取单片的石墨。同时,钟教授向大家展示了分子束外延反应器、气相沉积系统等大型专业的设备,这些设备都是运用高温、气压等技术将碳原子分离,然后再拼成一片单层结构。不过2004年两位科学家用胶布从整体剥下单片石墨,这一过程显然是打破了以往的惯性思维,可见创新在科学发展中的重要作用。石墨烯良好的导电性,优异的热传导能力,被期待用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。在谈到石墨烯研究的拓展时,钟教授十分欣慰地讲到由于自旋的首次发现——轨道耦合带来的奇特拓扑边缘态,可以用来做拓扑绝缘体。责任编辑:郑梅珍

要了解石墨烯,就要从石墨烯被发现的过程说起。

首次建立了石墨烯通过自组装大量制备一维石墨烯纳米卷的新方法,接着科学家又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上。法国皇帝拿破仑曾经说过:“笔比剑更有威力”,然而他在200年前说这话的时候绝对不会想到,人类使用的普通铅笔中竟然包含着地球上强度最高的物质———石墨烯。

图1:超临界二氧化碳中,超声波与剪切搅拌协同剥离石墨制备石墨烯的原理示意图

石墨烯的发现:撕胶带撕出诺贝尔奖

人们熟悉的铅笔是由石墨制成的,而石墨则是由无数只有碳原子厚度的“石墨烯”薄片压叠形成。石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料,是碳的二维结构。自从2004年石墨烯被发现以来,有关的科学研究就从未间断过。然而直到最近,美国科学家才首次证实了人们长久以来的怀疑,石墨烯竟是目前世界上已知强度最高的材料!它比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。

该团队建立的超临界CO2中超声耦合剪切高效剥离制备石墨烯工作以Highly efficient production of graphene by an ultrasound coupled with a shear mixer in supercritical CO2为题在化工三大主流期刊之一“Industrial Engineering Chemistry Research” 作为期刊封面文章发表。超声在石墨颗粒上产生活性边缘,同时从活性边缘剪切剥离石墨,该过程极大提高了石墨烯的剥离效率。

2004年,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。他们的制备方法听起来非常不可思议,没有用到什么高大上的精密仪器,而是撕胶带撕出来的。

据《科学》和《纽约邮报》报道,这一惊人的科学发现是由美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁最近一起研究得出的,而李成古研究“石墨烯”强度的主要工具之一,竟是普通的透明胶带。李成古向记者解释他们的“低科技”研究方法说:“为了了解石墨烯的强度,我们首先必须从石墨上剥离出一些石墨烯薄片,于是我们想到了透明胶带。”科学家先将胶带粘在一块石墨上,然后再撕下来,接着科学家又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上,然后再将胶带从硅片上撕下来,这时数千小片石墨都粘到了硅片上,而硅片上有数千个肉眼看不见的小孔。

图2:石墨烯自组装形成石墨烯纳米卷过程示意图

这两位科学家将石墨薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。重复N次之后,薄片越来越薄,最终撕剩下的是仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。当然,个中过程显然没有我们说得那么轻松,要知道1毫米厚的石墨片大约包含300万层石墨烯。撕胶带撕出一个诺贝尔奖,这两位科学家可真太会玩了,跟他们比起来,撕名牌撕兄弟什么的全都弱爆了。

科学家发现了一些只有1/100头发丝宽度的石墨烯薄片后,他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺,从而测试它们的强度。

该团队以所剥离的石墨烯为原料,首次建立了石墨烯通过自组装大量制备一维石墨烯纳米卷的新方法。石墨烯卷是由二维石墨烯片经螺旋卷曲的方式形成的具有类似多壁碳纳米管结构的新型碳材料,具有端口和边缘开口的未封闭特殊拓扑结构一维管状纳米结构碳材料。石墨烯卷不仅继承了石墨烯和碳管优良的化学、物理和电学性质,而且还具有与二者不一样的特殊性能,成为近来研究的热点。该团队建立的方法简单、自组装效率高,为批量生产石墨烯纳米卷及其应用提供了基础。该工作以A facile and universal approach for quantity production of high-quality nanoscrolls with high-yield from two-dimensional nanosheets为题发表在《Scientific Reports》。

从石墨烯被发现的过程里,我们可以了解到石墨烯最突出的一个特点,仅由一层碳原子组成。也就是说,石墨烯是一种网状的二维材料,而且这张网的厚度仅仅相当于一个碳原子的直径。同时,这张网上的每一个网格都是正六边形,正六边形的每一个角上都是一个碳原子。石墨烯的结构并不复杂,不过科学家告诉我们,得益于这些特点,石墨烯是目前世上最薄却也是最坚硬的材料,几乎完全透明。同时它的导电性和导热性极强,是目前世上电阻率最小的材料。

美国机械工程师杰弗雷•基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度:如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上,然后试图用一支铅笔戳穿它,那么需要一头大象站在铅笔上,才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。

图3:石墨烯与石墨烯纳米卷可逆转换示意图

据科学家称,地球上很容易找到石墨原料,而它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣,甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。美国研究人员称,“太空电梯”的最大障碍之一,就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线,美国科学家证实,地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线。

该团队进一步研究发现,在一定条件下,所形成的石墨烯一维纳米卷可以重新可逆展开成为石墨烯,实现了二维石墨烯与一维石墨烯纳米卷之间的相互可逆转化。该成果为从二维材料构建一维材料提供了新思路,为石墨烯的稳定储存和定向应用以及一维石墨烯卷的理论研究和实际应用打下了基础。该工作以Reversible conversion between graphene nanosheets and graphene nanoscrolls at room temperature为题发表在《RSC Advances》期刊

不过,尽管石墨在大自然中非常普遍,并且石墨烯是人类已知强度最高的物质,但科学家可能仍然需要花费数年甚至几十年时间,才能找到一种将石墨转变成大片高质量石墨烯“薄膜”的方法,从而可以用它们来为人类制造各种有用的物质。

以上工作主要由赵亚平教授团队的王武聪和盖艳喆博士生完成。

关于石墨烯:

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。 英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法。 2018年3月31日,中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动,该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池,破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。

石墨烯研究历史:

实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷。2009年,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯能够在实验中被制备出来。

2018年3月31日,中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动,该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池,破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。

2018年6月27日,中国石墨烯产业技术创新战略联盟发布新制订的团体标准《含有石墨烯材料的产品命名指南》。这项标准规定了石墨烯材料相关新产品的命名方法。

版权声明:本文由必威发布于国际学校,转载请注明出处:首次建立了石墨烯通过自组装大量制备一维石墨