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石墨烯發(fā)現(xiàn)者之一、英國曼徹斯特大學(xué)教授安德烈˙海姆不久前在2016中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，向公眾講述自己獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎之后，仍投入90%的時間在實驗室做基礎(chǔ)研究的情況。他演講所迸發(fā)的創(chuàng)新思維，令人耳目一新、腦洞大開。
開啟二維材料新世界
長期以來，人們對二維結(jié)構(gòu)的晶體了解不多。二維晶體以平面形式存在，猶如將三維晶體減薄至一個原子層厚。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，準(zhǔn)二維晶體結(jié)構(gòu)因其熱力學(xué)不穩(wěn)定性在自然界中根本不可能找到。直到2004年，安德烈˙海姆與其同事康斯坦丁˙諾沃肖洛夫首次從高定向熱解石墨上成功分離出單層石墨片——石墨烯，用事實證明二維材料可在常溫常壓下穩(wěn)定存在。
可以說，石墨烯的發(fā)現(xiàn)開啟了二維材料的世界之門。海姆指出：“石墨烯并非獨一無二的二維材料，還有很多二維材料具有特殊性能，可能在某一些應(yīng)用中表現(xiàn)更好。除石墨烯外，還有很多同石墨烯相似的材料值得探究。”
例如，磷烯是一種從黑磷剝離出來的有序磷原子構(gòu)成的單片材料。它的一些特性可被應(yīng)用于多個領(lǐng)域。而且，黑磷的非線性光學(xué)特性已被多家機(jī)構(gòu)證實可用于產(chǎn)生超快激光。預(yù)計不久的將來，它將成為“第二個石墨烯”。
硅烯是一種只有單層原子厚，同時可在銀表面生長的材料，擁有一些和石墨烯類似的材料屬性，但同時還有一些更加優(yōu)秀的特征，包括更低的對稱性組、更強(qiáng)的自旋—軌道耦合。研究人員正在探究，它也許更適合與硅基電子器件集成，成為石墨烯的競爭對手。
原子層上做樂高拼接
對石墨烯而言，研究人員可在其原子層上做各種拼接，仿佛兒童在玩樂高積木。如將石墨烯以堆垛方式一層一層疊加，生成三維石墨;把石墨烯卷曲成圓筒狀，變成一維碳納米管;將石墨烯制成球狀或橢球狀，得到零維的富勒烯。由此，石墨烯可作為組成其他碳材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
海姆指出：“把石墨烯與其他材料進(jìn)行人為整合，花費幾周時間將原子搭配設(shè)計出一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，會讓石墨烯更加有‘魔力’，并在此基礎(chǔ)上對這些物質(zhì)的不同特性展開深入研究。這類研究成果可稱為石墨烯3.0。”
例如，以石墨烯為基體制備納米復(fù)合物材料的研究拓展了石墨烯的應(yīng)用。目前對于石墨烯的復(fù)合方法主要有三種：一是進(jìn)行表面修飾或元素?fù)诫s，使其能在不同的溶劑中形成穩(wěn)定分散體系;二是讓其負(fù)載金屬或金屬氧化物等無機(jī)納米顆粒，這類復(fù)合材料在催化、生物傳感、電池、超級電容器等方面將有著廣泛應(yīng)用;石墨烯與高聚物復(fù)合可在機(jī)械性能、光伏電池、超級電容器等方面展現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能。
當(dāng)然，目前石墨烯復(fù)合材料的研究還面臨許多問題和挑戰(zhàn)，如石墨烯與無機(jī)納米顆粒的相互作用機(jī)理、與高聚物的相容性、復(fù)合材料應(yīng)用的拓展與深入等，仍亟待進(jìn)一步深入研究。
丟棄物中的驚人發(fā)現(xiàn)
在制備石墨烯時，人們往往把注意力集中在石墨烯上，而海姆團(tuán)隊卻不放過研究剝離單層石墨烯后通常被丟棄的材料。
海姆說：“放大剩下的石墨塊晶體是一個二維真空區(qū)，里面有許多像超細(xì)毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)形狀，約有15納米。當(dāng)我們對其做水的運輸測試時驚奇地發(fā)現(xiàn)，水流通過這種超窄毛細(xì)管時，幾乎無障礙和沒有摩擦，達(dá)到1米/秒的流速，而且管壁非常平滑，水的滑移距離比較長。”
海姆團(tuán)隊解釋說，這是一種全新的納米尺度系統(tǒng)，其毛細(xì)管道的精密度無法想像。更重要的是，這些超微毛細(xì)管可制備多種材料，不僅可以控制毛細(xì)管尺寸，還可調(diào)變毛細(xì)管壁的性能。這些材料未來有望用于新型過濾、海水淡化和氣體分離技術(shù)等領(lǐng)域。
海姆補(bǔ)充道：“在石墨烯基礎(chǔ)研究中很多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)讓人吃驚，而讓新發(fā)現(xiàn)的材料變得有用是非常酷的，其中將有無數(shù)個研究和開發(fā)的可能性有待探索。這樣的研究深深地影響到我們。”
無疑，石墨烯的發(fā)現(xiàn)為研究者提供了一個充滿魅力和想像空間的研究對象，而跟著“石墨烯之父”學(xué)習(xí)如何做基礎(chǔ)研究，可謂不斷刷新著創(chuàng)新視野。相信不久的將來，“多面手”的石墨烯定會在很多領(lǐng)域帶來顛覆性的變革。
開啟二維材料新世界
長期以來，人們對二維結(jié)構(gòu)的晶體了解不多。二維晶體以平面形式存在，猶如將三維晶體減薄至一個原子層厚。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，準(zhǔn)二維晶體結(jié)構(gòu)因其熱力學(xué)不穩(wěn)定性在自然界中根本不可能找到。直到2004年，安德烈˙海姆與其同事康斯坦丁˙諾沃肖洛夫首次從高定向熱解石墨上成功分離出單層石墨片——石墨烯，用事實證明二維材料可在常溫常壓下穩(wěn)定存在。
可以說，石墨烯的發(fā)現(xiàn)開啟了二維材料的世界之門。海姆指出：“石墨烯并非獨一無二的二維材料，還有很多二維材料具有特殊性能，可能在某一些應(yīng)用中表現(xiàn)更好。除石墨烯外，還有很多同石墨烯相似的材料值得探究。”
例如，磷烯是一種從黑磷剝離出來的有序磷原子構(gòu)成的單片材料。它的一些特性可被應(yīng)用于多個領(lǐng)域。而且，黑磷的非線性光學(xué)特性已被多家機(jī)構(gòu)證實可用于產(chǎn)生超快激光。預(yù)計不久的將來，它將成為“第二個石墨烯”。
硅烯是一種只有單層原子厚，同時可在銀表面生長的材料，擁有一些和石墨烯類似的材料屬性，但同時還有一些更加優(yōu)秀的特征，包括更低的對稱性組、更強(qiáng)的自旋—軌道耦合。研究人員正在探究，它也許更適合與硅基電子器件集成，成為石墨烯的競爭對手。
原子層上做樂高拼接
對石墨烯而言，研究人員可在其原子層上做各種拼接，仿佛兒童在玩樂高積木。如將石墨烯以堆垛方式一層一層疊加，生成三維石墨;把石墨烯卷曲成圓筒狀，變成一維碳納米管;將石墨烯制成球狀或橢球狀，得到零維的富勒烯。由此，石墨烯可作為組成其他碳材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
海姆指出：“把石墨烯與其他材料進(jìn)行人為整合，花費幾周時間將原子搭配設(shè)計出一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，會讓石墨烯更加有‘魔力’，并在此基礎(chǔ)上對這些物質(zhì)的不同特性展開深入研究。這類研究成果可稱為石墨烯3.0。”
例如，以石墨烯為基體制備納米復(fù)合物材料的研究拓展了石墨烯的應(yīng)用。目前對于石墨烯的復(fù)合方法主要有三種：一是進(jìn)行表面修飾或元素?fù)诫s，使其能在不同的溶劑中形成穩(wěn)定分散體系;二是讓其負(fù)載金屬或金屬氧化物等無機(jī)納米顆粒，這類復(fù)合材料在催化、生物傳感、電池、超級電容器等方面將有著廣泛應(yīng)用;石墨烯與高聚物復(fù)合可在機(jī)械性能、光伏電池、超級電容器等方面展現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能。
當(dāng)然，目前石墨烯復(fù)合材料的研究還面臨許多問題和挑戰(zhàn)，如石墨烯與無機(jī)納米顆粒的相互作用機(jī)理、與高聚物的相容性、復(fù)合材料應(yīng)用的拓展與深入等，仍亟待進(jìn)一步深入研究。
丟棄物中的驚人發(fā)現(xiàn)
在制備石墨烯時，人們往往把注意力集中在石墨烯上，而海姆團(tuán)隊卻不放過研究剝離單層石墨烯后通常被丟棄的材料。
海姆說：“放大剩下的石墨塊晶體是一個二維真空區(qū)，里面有許多像超細(xì)毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)形狀，約有15納米。當(dāng)我們對其做水的運輸測試時驚奇地發(fā)現(xiàn)，水流通過這種超窄毛細(xì)管時，幾乎無障礙和沒有摩擦，達(dá)到1米/秒的流速，而且管壁非常平滑，水的滑移距離比較長。”
海姆團(tuán)隊解釋說，這是一種全新的納米尺度系統(tǒng)，其毛細(xì)管道的精密度無法想像。更重要的是，這些超微毛細(xì)管可制備多種材料，不僅可以控制毛細(xì)管尺寸，還可調(diào)變毛細(xì)管壁的性能。這些材料未來有望用于新型過濾、海水淡化和氣體分離技術(shù)等領(lǐng)域。
海姆補(bǔ)充道：“在石墨烯基礎(chǔ)研究中很多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)讓人吃驚，而讓新發(fā)現(xiàn)的材料變得有用是非常酷的，其中將有無數(shù)個研究和開發(fā)的可能性有待探索。這樣的研究深深地影響到我們。”
無疑，石墨烯的發(fā)現(xiàn)為研究者提供了一個充滿魅力和想像空間的研究對象，而跟著“石墨烯之父”學(xué)習(xí)如何做基礎(chǔ)研究，可謂不斷刷新著創(chuàng)新視野。相信不久的將來，“多面手”的石墨烯定會在很多領(lǐng)域帶來顛覆性的變革。
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