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搅拌器——量产石墨烯的希望之星

别在家里这么干。说真的,别这么干:基本上可以肯定你不会成功的,并且食物搅拌器以后也没法用了。不过,在今天(4月20日)出版的一篇研究文章所附的补充信息中,介绍了一种在家中大量制作清洁的石墨烯片的方法。

石墨烯是世界上最薄、强度最大的材料;可导电性并且质地柔软;石墨烯的出现掀起了从触摸屏到水处理几乎所有领域的一场变革。很多研究者都在寻找一种方法,可以量产高品质的石墨烯片,这些人中就包括了来自都柏林大学三一学院(Trinity College Dublin)的乔纳森·科尔曼(Jonathan Coleman)。

在一篇发表于《自然材料》(Nature Materials, 2012年影响因子35.749)的文章中,科尔曼带领的科研团队向人们描述了,他们是如何使用一个大功率(400W)的食物搅拌器,将半升水,10~25毫升洗洁剂以及20~50克石墨烯粉末(这些粉末是从铅笔芯中提取的)一起运转了10~30分钟后,产生了大量的、悬浮在水中的毫米级石墨烯片。这项研究得到了英国托马仕雯(Thomas Swan)公司的赞助。

不过科尔曼又赶紧说道,这个方法还包括了表面活性剂(指代前文中的洗涤剂)与石墨烯的精妙配比,而他尚未公开这一配比。(正因如此我才没有自己动手在家里试一试;他打算在下一篇文章中公布这一方法的详细信息)为了分离石墨烯并对结果进行检测,实验中要用到离心机、电子显微镜和色谱。事实上,使用食物搅拌机这种方法是被当做噱头后来才加到研究中的——主要的工作是使用工业用搅拌器进行的。

不过,科尔曼称,搅拌器这个例子说明了使用这一新方法来量产石墨烯是非常简便的。托马仕雯(Thomas Swan)的商务总监安迪·古德温(Andy Goodwin)称他们已经对这项受专利保护的过程进行了中试,该公司希望能在今年年底达到日产量1kg,产品以干燥粉末或者液体分散物的形式销售,买家可将产品喷涂在其他材料表面上。

“这是向低成本、大规模制造石墨烯迈出的重要一步,”英国剑桥大学(University of Cambridge)的一位石墨烯领域的专家,安德亚·费拉里(AndreaFerrari)说道。“这种方法制出的石墨烯,在品质上接近已报道的最好的石墨烯,并且生产效率比之前提高了好几百倍。”

这种方法制出的石墨烯片的品质还无法和安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)制出的相提并论,这两位来自曼彻斯特大学的学者、同时也是2010年诺贝尔物理学奖得主,使用透明胶带从石墨中剥离出了石墨烯。在大小方面,与目前企业中使用气相沉积法一个原子一个原子长出来的几米见方的石墨烯片相比也相形见绌。不过,除了用于高端电子设备,比较小的石墨烯片就足够了——真正的难点在于如何量产。

尽管目前石墨烯的年产量有几百吨——你可以很容易的在网上买到——但是质量参差不齐。很多石墨烯片存在大量结构缺陷,或者表面被厚厚的化学物质所覆盖。这些都会影响石墨烯的导电性和其它性质,并且这些石墨烯片有好几百层厚。“我觉得很多公司的产品甚至都不能称作是石墨烯,”科尔曼说道。

这个搅拌器工艺生产出的石墨烯比较小,平均4~5层厚,不过没有结构缺陷——这就意味着其导电性很好。科尔曼认为搅拌器在液体中产生的剪切力足够将石墨烯从石墨块儿中分离出来。(“就像打扑克的时候滑牌一样,”科尔曼解释道。)

使用食物搅拌器并不是生产高品质石墨烯唯一的方法。费拉里还认为,在某些情况下,使用超声分离石墨可以生成质量更好的石墨烯。位于德国美因茨市的马克思·普朗克高分子研究所(Max Planck Institute for Polymer Research)的冯新亮称,他最近在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society, 化学领域著名期刊,2012年影响因子9.907)发文介绍了一种电化学方法,可以更快地制出品质更好、更薄的石墨烯。(科尔曼指出,托马仕雯公司掌握的技术远远不止文献中报道的那些。)

至于石墨烯的用途,“石墨烯虽然不是万金油”,科尔曼说道,不过曾有报道,有研究人员对石墨烯用作太阳能电池和普通化学电池中的电极材料进行了测试。科尔曼建议,石墨烯片还能用作填充材料加到塑料饮水瓶里——加入后可增加瓶子的强度,减小塑料的使用量,而石墨烯防止氧气、二氧化碳等气体逸出的能力还可以延长饮料的保质期。

另一项应用则是,在橡胶中加入少量石墨烯,生成的橡胶棒的电导率会随着其拉伸而变化——换句话说,这就是一个压敏传感器。托马仕雯的商务总监安迪·古德温提到了将其用于制作柔性、低成本的显示屏;还有人建议将石墨烯片用于脱盐罐,甚至避孕套中。

不过在这些例子中,使用石墨烯的效果是否比其他材料好还没有被证实——不过发明了这些量产石墨烯的方法意味着我们很快就能去验证了。尽管目前不同的公司竞争的是不同的商机,但科尔曼预测生产石墨烯的企业数目会减少,最终只有少数生产技术会统治市场。“目前生产和销售石墨烯的企业有很多:不过在未来5年内,企业的数目会大幅下降。”科尔曼说道。

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