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? 在過去的幾十年里，我們聽到很多關(guān)于石墨烯的驚人益處。這種化學(xué)物質(zhì)的發(fā)明在許多行業(yè)中引起了轟動(dòng)，并為下一代創(chuàng)新解鎖了新的可能性。
石墨烯是一種由碳原子以六角形晶格排列組成的材料。此外，這種排列結(jié)果是一層原子厚。它來源于自然界中最豐富的物質(zhì)——石墨，而我們的鉛筆礦中就可以找到石墨。你知道嗎，一毫米的石墨包含三百五十萬層的石墨烯。
在利用過程中，石墨氧化物生成薄的石墨烯片，科學(xué)家可以根據(jù)其工業(yè)應(yīng)用進(jìn)一步修飾。隨著時(shí)間的推移，研究人員也設(shè)計(jì)了諸如銅箔上的石墨烯等方法，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）。在另一種方法中，他們使用石墨烯在PET基底上制造用于光電子學(xué)的柔性薄膜。
石墨烯是一種超輕材料，每平方米僅重0.77毫克。此外，它是一張二維薄片，具有所有材料中最高的表面積，可以進(jìn)一步定制和提高性能。此外，石墨烯片具有柔韌性，可以拉伸到其初始尺寸的20%而不用擔(dān)心破裂。它高度不透，甚至氦原子也無法通過。
石墨烯是歷史上最強(qiáng)的材料之一；它的強(qiáng)度是鋼的200倍。此外，單層的石墨烯材料在承受巨大壓力的同時(shí)還能保持柔韌性。此外，它的強(qiáng)度來自于晶格中的sp2碳-碳鍵。這種耐用且輕質(zhì)的材料即使拉伸像鋼一樣也不會(huì)斷裂。除了這種耐用性，其機(jī)械強(qiáng)度使其成為結(jié)構(gòu)加固的有用組件。
卓越的電子遷移率也使其在電子行業(yè)中具有很高的要求。電子可以在其中無障礙地移動(dòng)，這就是為什么它成為取代微處理器和晶體管中硅的最佳材料。此外，石墨烯材料導(dǎo)電性能比銅更好，并在半導(dǎo)體和電子領(lǐng)域開辟了先進(jìn)的機(jī)會(huì)。
石墨烯比大多數(shù)金屬更有效地散熱。已知其熱導(dǎo)率為3000-5000 W/m.K。為了有一個(gè)清晰的圖像，它是如何更有效地傳遞給其他人的？以下是幾種金屬的熱導(dǎo)率范圍。
銅：~400 W/m. K
鋁：~ 235 W/m. K
鐵：~ 80 瓦/米·開爾文
不銹鋼: ~ 15W/m. K
鉛：~35W/m. K
盡管不銹鋼被用于炊具并且銅被認(rèn)為是最佳的金屬傳熱體，但石墨烯的表現(xiàn)幾乎高出10倍。因此，專家們?cè)陔娮討?yīng)用中使用它來實(shí)現(xiàn)熱管理，即化學(xué)氣相沉積石墨烯（CVD石墨烯）。然而，必須從正品石墨氧化物供應(yīng)商處購買這些化學(xué)品。
石墨烯是一種超薄但可見的材料，它吸收大約2.3%的白光，這對(duì)于二維材料來說是一個(gè)更好的選擇。此外，透明度和導(dǎo)電性之間的獨(dú)特平衡對(duì)于太陽能電池、觸摸屏和傳感器的應(yīng)用至關(guān)重要。盡管吸收光線，它對(duì)人眼來說仍然相當(dāng)透明，這使其可以用于各種用途。
石墨烯可以通過化學(xué)方法進(jìn)行適配和轉(zhuǎn)化，以滿足特定應(yīng)用需求。通過化學(xué)可調(diào)性，科學(xué)家可以定制石墨烯的行為，將其從超級(jí)導(dǎo)體變成半導(dǎo)體。 例如，羧基石墨烯具有羧基官能團(tuán)，這增加了其與聚合物的相互作用，并提高了涂層的性能。結(jié)合化學(xué)改性，您甚至可以提高其生物相容性以用于醫(yī)療用途。
石墨烯合成方法及進(jìn)展
大規(guī)模高效生產(chǎn)石墨烯對(duì)于制造商來說是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此，通過多種合成方法，這個(gè)問題已經(jīng)得到解決。
自上而下方法：自上而下的方法以塊狀石墨開始，并將其分解成更小的層，直到獲得單層或幾層的石墨烯片。這個(gè)過程是石墨烯合成最古老的方法。
專家們用來展示石墨烯存在的自上而下方法的先驅(qū)是機(jī)械剝離法。在這個(gè)過程中，科學(xué)家們?cè)谀z帶的幫助下剝離了最薄的石墨層。該方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠生產(chǎn)高質(zhì)量且多孔的石墨烯。相比之下，它非常緩慢，但適合大規(guī)模生產(chǎn)。
在LPE過程中，石墨被混合到特殊液體中并暴露在超聲波下。這些超聲波使用高頻聲波。這些聲波產(chǎn)生微小的氣泡，氣泡破裂時(shí)釋放出強(qiáng)大的能量，從而輕輕震動(dòng)并分離石墨層。 因此，它從塊狀石墨烯中剝離出薄的石墨烯片。因此，LPE 是大規(guī)模生成石墨烯的最廣泛探索的方法。LPE 可以以相對(duì)較低的成本生成大量的石墨烯。因此，這種合成石墨烯的方法在商業(yè)應(yīng)用中具有吸引力，因?yàn)閿?shù)量比質(zhì)量更重要。有時(shí)，使用這種方法生產(chǎn)的石墨烯會(huì)由于強(qiáng)烈的機(jī)械力而出現(xiàn)不規(guī)則的厚度、缺陷和皺紋。
化學(xué)氧化和還原方法
生產(chǎn)大規(guī)模石墨烯的首選方法之一是通過化學(xué)還原氧化石墨烯。傳統(tǒng)上，使用像硼氫化鈉和肼這樣的有毒滴劑。然而，這些化學(xué)品顯示出嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。 在這方面，研究現(xiàn)在轉(zhuǎn)向環(huán)保的替代品以克服不良影響。維生素C（抗壞血酸）和葡萄提取物的使用已被成功應(yīng)用于低成本的還原劑。這些綠色方法不僅減少了這些產(chǎn)品的危害，還實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展且高質(zhì)量的溫室生產(chǎn)。這一轉(zhuǎn)變開啟了可能性和選擇，突顯綠色化學(xué)以塑造石墨烯制造的未來。與純凈的石墨烯相比，它可以降低電導(dǎo)率。
自下而上的方法：自下而上的技術(shù)專注于從碳基前體原子-by-原子地構(gòu)建石墨烯。這種方法使科學(xué)家能夠更好地控制高質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的石墨烯，以實(shí)現(xiàn)高性能。
化學(xué)氣相沉積 (CVD) 是一種自下而上的技術(shù)，專家通過碳基氣體在腔室內(nèi)高溫下避免破裂或剝落來生長(zhǎng)薄膜。它釋放出碳原子，然后沉積到催化劑基底上，在那里它們自組裝形成石墨烯晶格。在此過程中，金屬基底作為催化劑強(qiáng)烈影響石墨的質(zhì)量。在熱CVD石墨烯中最常用的基底是銅和鎳。如果合成目標(biāo)是單層并獲得無缺陷的石墨烯，銅是首選。另一方面，鎳允許生長(zhǎng)更厚的薄膜，但控制均勻性更為困難。有時(shí)，石墨烯薄膜常常會(huì)受到折疊和皺紋等缺陷的影響，這會(huì)降低其性能。因此，研究人員在Cu-Ni(111)上實(shí)現(xiàn)了單片無折疊的晶體石墨烯，這意味著銅鎳合金具有(111)表面取向。
一些研究表明，在柔性銅箔上大規(guī)模制備了具有優(yōu)異導(dǎo)電性（~125 Ω/sq）和高透明度（97.4%）的單層石墨烯。你可以在值得信賴的CVD石墨烯供應(yīng)商處獲得這種適用于光電子器件的石墨烯。
等離子體CVD是一種自下而上的方法，科學(xué)家使用等離子體，即離子化的氣體，將烴類氣體分解成響應(yīng)性的碳物種。這個(gè)過程不需要極端的高溫，因?yàn)榈入x子體提供了所需的能量。PCVD 在低溫下（低至317°C - 450°C）確保了石墨烯的生長(zhǎng)，同時(shí)保持良好的透明度（78% - 95%）。這個(gè)過程的主要挑戰(zhàn)是控制等離子體損傷，而不是將表面重塑為可擴(kuò)展且低成本的石墨烯電子設(shè)備。
在自下而上的方法范圍內(nèi)，另一個(gè)名字是碳化硅（SiC）的熱分解。這種方法也消除了生長(zhǎng)后轉(zhuǎn)移的需求。當(dāng)SiC被加熱（1100-1650 °C）時(shí)，硅原子由于其較高的蒸汽壓而蒸發(fā)，而剩余的碳原子自組裝成石墨層。研究者如Emtsev等人展示了在1650°C下生長(zhǎng)的大面積單層石墨烯，同時(shí)使用氬氣氣氛以增強(qiáng)表面光滑度。 除此之外，鎳-銅涂層的碳化硅允許在較低溫度（~1100 °C）下進(jìn)行水規(guī)模的石墨烯生長(zhǎng)，這使得該技術(shù)非常適合且高效于設(shè)備級(jí)應(yīng)用。
另一種生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法是分子組裝，這也是一種自下而上的方法，通過有機(jī)化學(xué)來構(gòu)建石墨烯片。該方法依賴于將較小的碳基分子組裝成石墨烯的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。
分子組裝方法使科學(xué)家能夠在原子水平上控制石墨烯片的形狀、大小和邊緣結(jié)構(gòu)。自上而下的方法不允許科學(xué)家控制這些特征。由于其可定制的特性，研究人員可以“編程”石墨烯以具有光學(xué)、電子和機(jī)械特性。
分子組裝過程實(shí)現(xiàn)了對(duì)涉及單個(gè)碳原子的精確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，這個(gè)過程定制了石墨烯，確保了在納米電子學(xué)或分子傳感器等非常特定的應(yīng)用中的精度。
石墨烯在工業(yè)中的應(yīng)用
瘋狂的化學(xué)性質(zhì)使這種化學(xué)品在多個(gè)領(lǐng)域成為必需且有益的。從電子產(chǎn)品到太陽能板，將有可能提高其效率并產(chǎn)生更多的能量。讓我們深入了解石墨烯的實(shí)際應(yīng)用。
用于安全標(biāo)簽的石墨烯
一個(gè)石墨烯應(yīng)用的初步例子是在安全標(biāo)簽上。很多時(shí)候，你可以在衣服和電子產(chǎn)品上看到閃亮、彩虹色的標(biāo)簽，如果顧客試圖在沒有安全斷開的情況下離開商店，基本上會(huì)觸發(fā)警報(bào)。
石墨烯墨水可以打印出微小的電路，這些電路便宜、靈活且?guī)缀鯃?jiān)不可摧。此外，標(biāo)簽可以彎曲、起皺和折疊，仍然可以完美地工作。這個(gè)例子展示了材料不僅限于“實(shí)驗(yàn)室研究”中的使用，而是通過它們的魔力改變我們的生活。
用于醫(yī)療傳感器的石墨烯
高性能石墨烯材料檢測(cè)物質(zhì)的最小量。石墨烯是一種超薄且敏感的材料，可以在大體積中檢測(cè)到單個(gè)分子。
基于葡萄藤的生物傳感器可以識(shí)別癌癥的生物標(biāo)志物，甚至是糖尿病患者的水平，即使?jié)舛容^低。早期診斷有更大的機(jī)會(huì)獲得順利的治愈和治療。以下是已經(jīng)證明了石墨烯好處的一些主要醫(yī)療領(lǐng)域。
基于石墨烯的電生物傳感器可能有助于早期檢測(cè)瘧疾寄生蟲。石墨烯“鼓”聽取細(xì)菌的納米運(yùn)動(dòng)，以揭示抗生素是否比傳統(tǒng)測(cè)試更快起作用。
它自然地愈合骨骼，3D石墨烯支架將干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞，為新一代骨骼再生打開了大門。
石墨烯涂層與抗菌劑結(jié)合，能夠阻止生物膜形成，為感染提供約96小時(shí)的無菌保護(hù)。
激光誘導(dǎo)石墨烯在口罩中僅需10分鐘就能殺死99.9998%的細(xì)菌，因此它有助于人們對(duì)抗流行病。
用于運(yùn)動(dòng)和帕德爾刀片
在體育領(lǐng)域，研究人員將石墨烯融入許多產(chǎn)品配方中，以提升其效率和性能。帕德爾·巴爾德斯（Padel Baldes）是專家們?cè)诘镀膬擅?、框架表面，甚至泡沫上都使用石墨烯的完美例子?/span>
這使得沖擊區(qū)域更難產(chǎn)生裂紋。此外，這里添加了石墨烯以提高穩(wěn)定性和剛度，這使玩家在強(qiáng)力射擊時(shí)對(duì)損壞有更多控制。許多公司在其設(shè)計(jì)中宣傳石墨烯，因?yàn)樗_保了耐用性。
電池和超級(jí)電容器
基于鋰的電池被認(rèn)為是能源儲(chǔ)存的主要候選者。然而，它顯示出一些挑戰(zhàn)，例如固體電解質(zhì)堆積和枝晶形成，這些都會(huì)降低其效率。
研究表明，通過激光誘導(dǎo)在多孔硅氧烷上形成凹槽，可以將庫侖效率提高到99.3%，相較于裸電極。同樣地，將石墨烯氧化膜和激光書寫石墨烯與3D結(jié)構(gòu)結(jié)合，減少了容量衰減，并在100次循環(huán)后實(shí)現(xiàn)了1160mAh/g的容量，保持率為80.4%。
盡管如此，由于其巨大的表面積（2630m2/g）和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，石墨烯超級(jí)電容器的性能優(yōu)于活性炭。此外，石墨烯金屬基有機(jī)混合設(shè)備確保了73Wh/kg的能源密度，并在10次循環(huán)后保留了88%的容量。
復(fù)合材料和涂層
通過向金屬、陶瓷和塑料中添加少量石墨烯，科學(xué)家們能夠提高其耐用性和質(zhì)量而不增加重量。因此，石墨烯在運(yùn)動(dòng)器材、汽車和航空航天等工業(yè)中是一種非常受歡迎的物質(zhì)。
在這些行業(yè)中，石墨烯可以提升涂層的質(zhì)量，并使其具有耐腐蝕性。除了確保耐腐蝕性，它還可以增強(qiáng)導(dǎo)電性，使其成為先進(jìn)制造的完美選擇。因此，從經(jīng)過認(rèn)證的石墨烯供應(yīng)商那里獲取這種石墨烯，以確保相同的供應(yīng)質(zhì)量。
將石墨烯與其他材料區(qū)分開來的特性
之后，這里的所有細(xì)節(jié)都是使圖形化成為各個(gè)行業(yè)最佳選擇之一的一些特征。
它雖然超薄，但具有其他金屬和化學(xué)品的出色強(qiáng)度。
透明但導(dǎo)電性高。
在不犧牲強(qiáng)度的情況下具有靈活性。
通過特定化學(xué)品和方法進(jìn)行化學(xué)調(diào)優(yōu)以滿足特定應(yīng)用需求。
所有這些品質(zhì)都表明，石墨烯在先進(jìn)制造業(yè)中的炒作是真實(shí)的。石墨烯的重要性不僅限于實(shí)驗(yàn)室工作和研究，它還讓我們的生活更加便利。ACS Material是最好的石墨烯產(chǎn)品供應(yīng)商之一，無論您需要任何形式的，例如CVD石墨烯或煤基石墨烯。
上面的討論對(duì)石墨烯進(jìn)行了清晰的解釋，包括它的性質(zhì)、合成、應(yīng)用和特性，這可以幫助您在將它納入您的作品中時(shí)做出明智的決定。高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、靈活性和強(qiáng)度增加了其在工業(yè)中的需求。
有許多行業(yè)，如醫(yī)療、航空航天、運(yùn)動(dòng)器材、電池和電子，都利用它們?yōu)槿祟悗黼y以置信的好處。此外，石墨烯真的是一個(gè)寶石材料，它為更未來的研究和可能性打開了大門。
常見問題
問：石墨烯的本質(zhì)是“導(dǎo)電性”還是“柔韌性”？
A. 石墨烯因其高導(dǎo)電性、靈活性、輕便和絕緣耐久性而成為熱門話題。因此，這兩個(gè)術(shù)語都被用來解釋石墨烯的性質(zhì)。
問：石墨烯的合成昂貴嗎？
A. 是的，目前單層石墨烯的合成成本很高，因?yàn)樾枰冗M(jìn)的工具和方法。
問：石墨烯可以替代電子產(chǎn)品中的硅膠嗎？
A. 盡管石墨烯具有高電子遷移率，但它并不是電子行業(yè)中硅的直接替代品。在哪些研究可以取得積極成果方面，它也存在一些局限性。
問：如何制造石墨烯？
A. 制備石墨烯的主要方法有自上而下和自下而上兩種。然而，自上而下的方法包括機(jī)械剝離、液相剝離和化學(xué)還原。相比之下，自下而上的方法包括熱化學(xué)氣相沉積(TCVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)、分子組裝和熱沉積碳化硅。
問：為什么石墨烯在當(dāng)今的行業(yè)中如此重要？
A. 高導(dǎo)電性、靈活性、超輕重量和增強(qiáng)耐用性等令人難以置信的特性在市場(chǎng)上引起了關(guān)于石墨烯的轟動(dòng)。
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