指尖上的石墨烯

14638a38780神奇的材料

许多材料科学家、化学家、工程师和未来学家对于这项新技术感到异常兴奋,这项新技术始于石墨烯——碳同素异形体石墨的单原子形式的发现。我只想说,石墨烯是一个破纪录的、超强的、有着物理化学和光电性能的神奇材料,它可能会产生下一代的适应性结构复合材料、能量转换催化薄膜等更多样的材料。

此外,它还是计算机时代硅的天然接班人。石墨烯的故事将发生在未来的几十年里,我们也将看到它带给我们的希望。而这基于器件和工具的希望也将从实验科学转移到工业公司和制造工厂。然而,在那之前,仍需处理一些小问题,使这种材料更加有效。

早在1947年,理论物理学家菲利普·拉塞尔·华莱士已经讨论了假象的只有一个单原子层厚度类似网状结构的石墨的性质。1961年化学家汉斯彼得·波姆和他的同事首先分离、辨认、定义了石墨烯。虽然有些让人古怪,但是2010年的诺贝尔奖授予了英国曼彻斯特大学的两位物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,因为他们用胶带把石墨剥离成石墨烯这一工作。

今天,外延生长的化学气相沉积是被认为最有可能大面积生长石墨烯的方法,确如其名,碳原子从气相中有序地沉积到合适的基底上。然而至少以前这是一个好方法,直到德国科学家把用他们的手指创造了一个新奇的想法。

石墨烯的合成

德国萨尔布吕肯的萨尔州大学的Frank Müller、Samuel Grandthyll、Karin Jacobs和奥格斯堡大学的Stefan Gsell、Michael Weinl、Matthias Schreck引用了Ruan等人的研究。该研究证实了对于化学气相沉积几乎所有的东西都可以充当有机碳源——糖、饼干、面包甚至是巧克力。分子束外延的过程可以从这些不寻常的源材料中释放碳源。然而,化学气相沉积是一种昂贵的应用并不太广泛的方法。和气体相比,液体更容易控制,它们可以沉积到金属表面,这恰是众多生长石墨烯方法中的一个前决条件。

德国团队现在已经发现,并非从气体中沉积原子,石墨烯单层的外延生长也可以用人类的指纹作为液相前驱体。人们自然会想,像由油、水、蛋白质、盐和其他物质组成的多种混合物可能不会提供充足的均匀的前驱体。然而,令人奇怪的是,研究人员已经证实用指纹这种混合液体作为前驱体可以沉积在过渡金属表面,并长成很好的有序的石墨烯层。他们的测试表明这种石墨烯的纯度和均匀性可以和用单一化合物比如丙酮和乙醛作为前驱体合成出来的石墨烯一样高。

Müller和他的同事们指出,几乎所有我们需要知道的关于石墨烯的物理和化学性质已经确定,正如Nature杂志上的报道,我们现在处于探索阶段,特别是鉴于瑞典哥德堡的欧盟委员会的石墨烯旗舰计划来开发石墨烯合成和应用。

团队承认,“没有人会认真考虑这一合成路线在技术生产步骤中的应用”。然而,当前实验证实了LPD合成的可靠性,因为用指纹合成的石墨烯尽管开始于一种不可控方法来沉积碳原子,但是取得了和用纯的前驱体一样的结果。

应用?

石墨烯专家Walt de Heer领导了美国乔治亚州的乔治亚理工学院实验室。他提醒我们,尽管诺贝尔版本的石墨烯故事简单神秘,但正如之前提到的那样,这种材料的外延生长那样已有50年的历史。事实上数以百计的论文专门致力于它的研究。

他告诉ChemistryViews.org,“对于用指纹作为前驱体,我最近在MRS上听到了一个邀请报告,一个来自索尼的男子在没有碳前驱体的情况下直接在铜上长石墨烯”。他补充说道,“碳源显而易见,碳溶解在铜里。为生产廉价的石墨烯而做的努力其实被误导了。石墨烯是一种有着简单绝妙应用的神奇材料。对于它寄予厚望,它也一直如我们所愿”。

原文:Graphene at Your Fingertips

翻译:许凯