近年來，石墨烯似乎已成為無所不能的新材料之王。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。

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。”

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。

諾沃肖洛夫團(tuán)隊捐贈給斯德哥爾摩的石墨、石墨烯和膠帶

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。”此外，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。

牛利團(tuán)隊利用微波能量輔助，同時輔以有機(jī)小分子插層劑，在石墨片層間通過微波逐漸滲透插層劑，使石墨烯片層逐漸剝離。“這項技術(shù)方法無需經(jīng)過石墨烯氧化階段，不僅可以直接制得高度還原性的石墨烯材料，還可以低成本、大批量制備高品質(zhì)的石墨烯材料。”

當(dāng)前，國際上制備石墨烯薄膜多采用昂貴的CVD（化學(xué)氣相沉積）方法，牛利團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這種方法很難控制薄膜的厚度，特別是難以進(jìn)行復(fù)雜的圖案化設(shè)計。另外，化學(xué)還原劑無論是液態(tài)還是氣相的，都會導(dǎo)致二次化學(xué)試劑的使用。

“我們采用電化學(xué)技術(shù)，僅僅通過界面的電子轉(zhuǎn)移過程，就可以控制石墨烯氧化物在界面的電化學(xué)還原沉積程度，這種方法技術(shù)簡單、成本低廉、綠色環(huán)保，同時結(jié)構(gòu)厚度、性狀可控。”牛利說。

牛利團(tuán)隊還探索了新型石墨烯及其雜化材料在電極界面修飾、分析傳感及其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

顯微鏡下的石墨烯“單晶”

目標(biāo)驅(qū)動

他們設(shè)計制備了石墨烯片層、薄膜和石墨烯雜化材料，并進(jìn)一步探索了石墨烯及其雜化材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征和反應(yīng)機(jī)理，將石墨烯及其雜化材料應(yīng)用在傳感分析、復(fù)合材料以及能源環(huán)境領(lǐng)域。

“作為工業(yè)技術(shù)，石墨烯要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍有許多未能克服的困難。”牛利指出，盡管國際上已經(jīng)發(fā)布一些研究結(jié)果，將石墨烯用于電池電極材料、電容器器件構(gòu)造、力學(xué)增強(qiáng)材料、導(dǎo)熱薄膜等應(yīng)用領(lǐng)域中，但這些領(lǐng)域的研究還有諸多的科學(xué)及工程技術(shù)問題亟待解決。

因為石墨烯的制備方式目前在技術(shù)上還存在缺陷，通過實驗室內(nèi)研制的石墨烯成本居高不下。曾有研究人員計算出目前的石墨烯價格高達(dá)5000元/克，比黃金還貴十幾倍。

圍繞化學(xué)制備石墨烯材料，低成本、大批量制備高品質(zhì)石墨烯是個值得關(guān)注的技術(shù)問題。圍繞微電子學(xué)及器件領(lǐng)域，科研人員還?要解決如何降低器件材料的制備成本、提高器件結(jié)構(gòu)的均一性，如何將微觀操作及納米構(gòu)造技術(shù)用于石墨烯器件中等問題。

目前在石墨烯材料的一些應(yīng)用領(lǐng)域，如儲能器件、導(dǎo)熱材料、透明薄膜等方面，雖然已經(jīng)有圍繞需求的、具有應(yīng)用前景的研究工作報道，但由于缺乏明顯的直接應(yīng)用領(lǐng)域及工程技術(shù)方法的結(jié)合應(yīng)用，導(dǎo)致研究工作與應(yīng)用需求還存在一定的距離。

牛利說：“將基礎(chǔ)研究與工程技術(shù)方法有機(jī)結(jié)合，特別是與應(yīng)用目標(biāo)驅(qū)動結(jié)合，將會使石墨烯材料研究成果更好地投入到實際應(yīng)用中。”