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丢弃物中的惊人发现:开启二维材料新世界

丢弃物中的惊人发现:开启二维材料新世界

石墨烯富有可塑性,可卷曲成圆筒状,变成一维碳纳米管;也可制成球状或椭球状,得到零维的富勒烯。

■中外石墨烯动态

石墨烯发现者之一、英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆不久前在2016中国国际石墨烯创新大会上,向公众讲述自己获得2010年诺贝尔物理学奖之后,仍投入90%的时间在实验室做基础研究的情况。他演讲所迸发的创新思维,令人耳目一新、脑洞大开。

开启二维材料新世界

长期以来,人们对二维结构的晶体了解不多。二维晶体以平面形式存在,犹如将三维晶体减薄至一个原子层厚。传统理论认为,准二维晶体结构因其热力学不稳定性在自然界中根本不可能找到。直到2004年,安德烈·海姆与其同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫首次从高定向热解石墨上成功分离出单层石墨片——石墨烯,用事实证明二维材料可在常温常压下稳定存在。

可以说,石墨烯的发现开启了二维材料的世界之门。海姆指出:“石墨烯并非独一无二的二维材料,还有很多二维材料具有特殊性能,可能在某一些应用中表现更好。除石墨烯外,还有很多同石墨烯相似的材料值得探究。”

例如,磷烯是一种从黑磷剥离出来的有序磷原子构成的单片材料。它的一些特性可被应用于多个领域。而且,黑磷的非线性光学特性已被多家机构证实可用于产生超快激光。预计不久的将来,它将成为“第二个石墨烯”。

硅烯是一种只有单层原子厚,同时可在银表面生长的材料,拥有一些和石墨烯类似的材料属性,但同时还有一些更加优秀的特征,包括更低的对称性组、更强的自旋—轨道耦合。研究人员正在探究,它也许更适合与硅基电子器件集成,成为石墨烯的竞争对手。

原子层上做乐高拼接

对石墨烯而言,研究人员可在其原子层上做各种拼接,仿佛儿童在玩乐高积木。如将石墨烯以堆垛方式一层一层叠加,生成三维石墨;把石墨烯卷曲成圆筒状,变成一维碳纳米管;将石墨烯制成球状或椭球状,得到零维的富勒烯。由此,石墨烯可作为组成其他碳材料的结构基础。

海姆指出:“把石墨烯与其他材料进行人为整合,花费几周时间将原子搭配设计出一个复杂的结构,会让石墨烯更加有‘魔力’,并在此基础上对这些物质的不同特性展开深入研究。这类研究成果可称为石墨烯3.0。”

例如,以石墨烯为基体制备纳米复合物材料的研究拓展了石墨烯的应用。目前对于石墨烯的复合方法主要有三种:一是进行表面修饰或元素掺杂,使其能在不同的溶剂中形成稳定分散体系;二是让其负载金属或金属氧化物等无机纳米颗粒,这类复合材料在催化、生物传感、电池、超级电容器等方面将有着广泛应用;石墨烯与高聚物复合可在机械性能、光伏电池、超级电容器等方面展现出较为优异的性能。

当然,目前石墨烯复合材料的研究还面临许多问题和挑战,如石墨烯与无机纳米颗粒的相互作用机理、与高聚物的相容性、复合材料应用的拓展与深入等,仍亟待进一步深入研究。

丢弃物中的惊人发现

在制备石墨烯时,人们往往把注意力集中在石墨烯上,而海姆团队却不放过研究剥离单层石墨烯后通常被丢弃的材料。

海姆说:“放大剩下的石墨块晶体是一个二维真空区,里面有许多像超细毛细管的结构形状,约有15纳米。当我们对其做水的运输测试时惊奇地发现,水流通过这种超窄毛细管时,几乎无障碍和没有摩擦,达到1米/秒的流速,而且管壁非常平滑,水的滑移距离比较长。”

海姆团队解释说,这是一种全新的纳米尺度系统,其毛细管道的精密度无法想像。更重要的是,这些超微毛细管可制备多种材料,不仅可以控制毛细管尺寸,还可调变毛细管壁的性能。这些材料未来有望用于新型过滤、海水淡化和气体分离技术等领域。

海姆补充道:“在石墨烯基础研究中很多的科学发现让人吃惊,而让新发现的材料变得有用是非常酷的,其中将有无数个研究和开发的可能性有待探索。这样的研究深深地影响到我们。”

无疑,石墨烯的发现为研究者提供了一个充满魅力和想像空间的研究对象,而跟着“石墨烯之父”学习如何做基础研究,可谓不断刷新着创新视野。相信不久的将来,“多面手”的石墨烯定会在很多领域带来颠覆性的变革。

文  科技日报社-中国科技网

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