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用大豆油如何制造石墨烯?
2018年04月11日  访问量:

      发表在《自然·通讯》上的一篇研究论文称,能用大豆制造出性能优良的石墨烯。听起来,这技术好厉害,那么,研究人员究竟是如何用大豆油制造出石墨烯的呢?

  一.何为石墨烯?

  石墨烯是只有一个碳原子厚度的平面薄膜,于2004年才在实验室被发现,它的发现者们还因此获得了2010年的诺贝尔奖。石墨烯是目前世界上最薄也是最坚硬的纳米材料,其强度是钢的百倍,同时也是电阻率最小的材料,其电流传递速率比硅材料快百倍。所以能利用石墨烯生产出更快的计算机、能用作触摸屏、太阳能电池,卫星新材料等。但尽管石墨烯性能强大,应用广泛,但制作流程耗时耗力,故而价格是等质量黄金的15倍,素有“黑黄金”之称。

  二.制造流程

  目前为止,最简单粗暴的获取石墨烯的方法是——撕胶带。撕胶带?对,就是读者们理解的“撕胶带”,用胶带粘到石墨上,手工把石墨烯剥下来(图-1)。这种机械分离法可直接将石墨烯片从较大的晶体上裁剪下来。


  

用大豆油如何制造石墨烯?

  图:2010年石墨烯发明者捐赠给诺贝尔博物馆的物品:一块石墨,两片石墨烯晶体管,还有粘出石墨烯的胶带(图片来源:维基百科)

  除此以外,还可以在高真空下加热单晶碳化硅,得到石墨烯。或者用化学气相沉积法,让含碳的气体在铜表面上冷凝,再剥下形成的石墨烯薄层。而这些方法要么需要真空环境,要么需要特殊气体,都难以在工业上得到大规模使用,而用大豆制造石墨烯是怎样做的呢?

  大豆实验具体操作如下(图2):实验是在一个气相沉积熔炉中进行。熔炉的加热区域有两片氧化铝,一片上面放有大豆油,另一片上面放有作为生长基质的多晶镍薄膜。大豆油的作用很明显,就是制造原料,而镍薄膜作为生长基质,又是什么意思呢?简单理解就是一个附载体,神奇的石墨烯将在这里“长出来”。把原料各放各位后,接下来就是加热阶段,先是以每分钟30℃的速度加热到800℃,维持3分钟。而后再冷却,样品冷却的过程就会在镍薄膜上生成均匀的、源源不断的石墨烯。但事情到此并没有结束。虽然生成了石墨烯,但石墨烯还牢牢地拽着镍薄膜不分手。所以下一步就要转移,把石墨烯和镍薄膜这对鸳鸯生生分开,这就需要聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。PMMA也就是俗称的有机玻璃,是一种价格便宜的粘合剂,它可是“情场高手”,将与镍薄膜难舍难离的石墨烯“忽悠”得跟它走。研究人员将PMMA旋涂在黏在镍薄膜上的石墨烯上面,经过12小时的自然风干后,镍薄膜——石墨烯——PMMA三者相连,但在氯化铁溶液中,镍薄膜会溶解“不幸牺牲”,而PMMA则携带石墨烯,像一片膜一样漂浮在溶液表面,用去离子水反复冲洗这层膜,然后将它转移到玻璃片上。但可惜PMMA和石墨烯的“温存”没多长时间,研究人员又用丙酮洗去了PMMA。这样,大豆油高温变身石墨烯,再经两度分手,它终于获得“自由身”了。
  

用大豆油如何制造石墨烯?

  图:实验流程图(节选自研究论文,经作者汉化)

  三.个中机理

  看起来大豆油历经大难,终得真谛,如此圆满让人唏嘘不已!但等等,欸,大豆油是咋成石墨烯了呢?唐三藏取经成佛,我们还能接受,这大豆油和石墨烯看起来风格迥异,却是怎么联系在一起的呢?

  答案就在于碳。

  大家很熟悉大豆油,毕竟谁没吃过呢。它的主要成分是脂肪酸,即碳氢化合物,而石墨烯是什么?是一层碳原子薄膜。在熔炉加热过程中,大豆油中的物质断键形成乙基,甲基等短链碳氢化合物。实际上,在425℃时,大部分豆油都蒸发成了各种气体,如二氧化碳,丙烷等。而随着温度继续升高到800℃,这些气体分离成碳原子,并溶解在镍薄膜上。维持800℃达3分钟,是让碳原子与镍薄膜紧密结合。而在冷却阶段,碳原子从镍薄膜内分离出来,并在薄膜表面结晶,这就形成了石墨烯。所以说高温冷却这一过程中,大豆油是肉身涅槃,再塑“金身”,也一点都不为过。

  

用大豆油如何制造石墨烯?

  图:大豆油高温“涅槃”成石墨烯(网络图)

  而大豆油除了为石墨烯提供碳来源外,也起着保护镍薄膜的作用。在没有大豆油的处理组中,加热过后,镍薄膜内含有大量氧元素;而加入了大豆油后,加热过程中产生的小分子物质消耗了熔炉内的氧气,从而避免了镍薄膜的氧化。

  

用大豆油如何制造石墨烯?

  图:简单机理图(图片为作者手绘)

  整个实验的机理简单来说就是(图-3),大豆油受热后分解成甲基、乙基等小分子,这些物质同时消耗了熔炉内的氧气。随着温度升高,含碳物质继续分解,直至化为碳原子。而冷却后,碳原子则成了石墨烯。

  四.无限前景

  此机理说起来也是非常简单,但你知道科学家们尝试了多少次实验吗?为了得到最佳结果,他们不断地调控温度,改变反应物质,才得到如今如此简单的方法。除此以外,科学家发现用地沟油也能造出石墨烯。尽管该研究的科学家们没能用衣服造出石墨烯来,但也并非不可能呀!

  石墨烯的前景,一言以蔽之“极有可能会掀起一场席卷全球的颠覆性新技术、新产业革命”。而这个用大豆油造石墨烯的方法则可能将这场革命拉到了我们的眼前。