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2014 第 18 周新闻速递

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周日 (2014-04-27)

搅拌器加肥皂,厨房自制石墨烯

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石墨烯是一种由碳原子构成的六角型蜂巢状薄膜,是一种只有一个碳原子厚的二维材料。它的结构稳定,几乎完全透明,电阻率比铜或银都低,是目前世界上电阻率最小的材料。石墨的另一种重要特性就是能够在常温下观测到量子霍尔效应。因其独特的性质,石墨烯的潜在应用非常广泛,比如石墨烯晶体管、透明电极、超级电容器、太阳能电池、感光元件等等。遗憾的是,石墨烯原先的制备方法导致它成为世界上最贵的材料之一。以前常见的制备方法是机械分离法、在碳化硅表面外延生长、在金属表面生长、切割碳纳米管等等。好消息:现在,你在自家厨房里就可以制作石墨烯了,很简单,把石墨粉、肥皂和水倒在搅拌器里搅拌即可。

石墨可以视为由石墨烯多层叠加起来的,就好像一叠扑克牌一样,每一张牌都是一层石墨烯。很自然地,可以用恰当的方式从石墨中分离出石墨烯。但是,高质量的石墨烯的工业量产很困难,用最好的实验室技术每小时才生产不到半克。《自然》材料子刊上月登出了一篇论文 (10.1038/nmat3944),爱尔兰都柏林三一学院的 Jonatham Coleman 及其团队发现了一种生产石墨烯的好方法,有望大大提高石墨烯的产量。Coleman 团队利用石墨粉和一种类似于洗涤液的溶剂混合搅拌,通过电子显微镜的分析证实,他们可以达到每小时五克的生产率。他们尝试了不同类型的马达和溶剂,结果证实,英国厨房中常见的搅拌器和洗碗用的洗涤液也可以做同样的事情。该团队通过计算表明,如果扩大到工业生产的规模,如果马达选择得当,一万升的大桶每小时可生产 100 克石墨烯。当然,你在家生产石墨烯仍然不现实:首先,洗涤液的量受石墨粉的性质的影响,比如其中石墨细粒的分布尺寸及掺杂情况;其次,这种方法不会把所有的石墨都变成石墨烯,如何把产生的石墨烯分离出来,仍需要专门的技术。

石墨烯一直被认为是不存在的,直到 2004 年才由两名英国科学家从实验室中分离出来,这也让他们荣获了 2010 年的诺贝尔物理学奖。然而其生产难度阻碍了它的大规模应用。如果我们能够仅用厨房的设备就可以量产石墨烯,这意味着材料科学又将会大大改观我们的生活。

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