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然石墨烯这么好,那么它离我们还有多远呢?我们什么时候能感受到它带来的便利呢?谁也没法给出一个准确的答复,这一切都要靠科学家们的探索和研就,有时还需要一些机缘,可能碰巧看到了某样东西,然后联想到了解决办法,但更多的还是认真的思考,仔细的观察。在科学家们的不懈努力下,已经有了许多制备石墨烯的方法,大体可分为物理方法和化学方法,虽然还不能大规模应用生产,但还是在不断靠近。
物理方法
物理方法包括微机械分离法、取向附生法。微机械分离法是最初的、最普通的方法,2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯(也就是获得诺贝尔奖的),但缺点是费时费力,难以精确控制,重复性较差,难以大规模制备。取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在 1150 ℃下渗入钌,然后冷却,冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面,镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面,最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖80 %后,第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用,而第二层后就几乎与钌完全分离,只剩下弱电耦合,得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀,且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。而且使用的基质是稀有金属钌,成本高。
化学方法
化学方法有SiC热解法、气相沉积法、氧化-分散-还原法等。SiC热解法是先将样品经过氧化或H2刻蚀表面处理,然后在超高真空下(1× 10^- 10 Torr)经电子轰击加热到1 000℃ ,除去氧化物,并用俄歇电子能谱(AES)监测,当氧化物完全去除后,加热样品至1 250—1 450℃ ,这时将形成石墨烯层。这种方法可得到单层和双层石墨烯,但其缺点在于:难以大面积制备,成膜不均匀;条件苛刻,高温> 1 100℃ ,超高真空10^- 10Torr(成本高)。化学气相沉积法是反应物质在相当高的温度、气态条件下发生化学反应,生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而制得固体材料的方法。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。Dato等报道了一种新型等离子体增强化学气相沉积法,乙醇液滴作为碳源,利用Ar等离子体合成石墨烯,极大地缩短了反应时间。该方法优点在于可以满足石墨烯规模化生产需求,但缺点在于受制于基片材料单晶镍的价格制约,工业化难度加大。氧化-分散-还原法是目前应用最广泛的合成方法。它是将石墨氧化得到溶液中分散(借助超声、高速离心)的石墨烯前体,再用还原剂还原得到单层或多层石墨烯。常见的氧化方法有Brodie方法、Hummer方法以及Staudenmaier方法。 该方法优点在于可以有效解决石墨烯在溶剂中难分散等问题,但不足之处在于工艺过程中产生的污染物难以处理。
不论是物理方法还是化学方法,石墨烯的生产技术已日渐成熟,在科研工作者的不断努力下,预计五年之内我们就能使用到石墨烯产品。石墨烯会给我们的生活带来怎样的改变,然我们拭目以待。
展开想象
爱因斯坦说过:“想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。严肃地说,想象力是科学研究中的实在因素。”石墨烯的发展也需要想象,这种想象不一定要来自专门从事石墨烯研究的人,因为他们的知识虽然足够专业,但他们的想象力也被固定的知识限制住了。因此,展开我们的想象,或许也能为科学的发展贡献一份力。比如在石墨烯的制备方面,能不能通过加聚反应来制备呢。我们知道,萘蒽菲都是六元环的多环芳香化合物,其中的碳原子就是以以正六边形的方式排列的平面结构,这与石墨烯的结构十分相似。而且萘蒽菲三种化合物的稳定性随环的增加而增强,所以如果能够合成出更多的化合物,那么该化合物也肯定能稳定存在。另一方面,随着环的增加,碳氢比越来越高,其组成越来越接近石墨烯。受限的是,多环芳香化合物的来源都是石油化工的分馏产品,因为其利用价值太低,关于多环芳烃合成的研究很少,理论还不成熟。虽然合成比较困难,但也不失为一种方法。
仰望星空,脚踏实地;展开想象,细心研究,相信石墨烯很快就能走进我们的生活。