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英俊的! “黑金”石墨烯秒变“白菜价”,博士电子交大的同学们做到了!

时间:2023-03-30 20:00:56 点击:226次

很多人可能不熟悉石墨烯,它是一种二维晶体,​​由石墨材料剥离而成,由只有一个原子长度的碳原子组成。 如果要提到石墨烯在我们生活中的作用,可以这样解释:

石墨烯是目前自然界中最薄、强度最高的材料,其断裂硬度比最好的钢高200倍。 同时具有良好的弹性,拉伸幅度可达自身规格的20%。 如果用一块面积为1平方米的石墨烯做一个秋千,它的重量不到1微克,可以承受一只1公斤重的猫。

石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,制造未来的超级计算机。 通过用石墨烯代替硅,计算机处理器的运行速度可以提高数百倍。 此外,石墨烯几乎是完全透明的,仅吸收 2.3% 的光。 另一方面,它的密度如此之大,以至于即使是最小的二氧化碳原子(氦原子)也无法穿透。 这一特性使其特别适合作为透明电子产品的原材料,如透明触摸屏显示器、发光板和太阳能电池板。

石墨烯等二维碳材料因其特性和用途被称为“黑金”。 然而,电子科学与技术学院的一名博士生却让石墨烯的制备变得非常简单。

“铜液中产生气泡,将二氧化碳引出熔体,二氧化碳在气泡表面分解成碳原子,碳原子在气泡表面聚集成石墨烯,然后跟随气泡熔化的铜表面飞入收集器中。气泡不断形成,优质石墨烯不断生长。”

没错,石墨烯的制备就是这么简单:从装置的一端通入普通廉价的天然气,在装置的另一端就会源源不断地形成优质的“黑金”石墨烯。 这是因为清凯院士提出的制备石墨烯的新思路,电子科学与技术学院基础与前沿研究所2013级博士生唐永良实现了这一思路。

2017年底,唐永亮与于庆凯院士、祖晓涛院士在材料与物理科学领域的顶级期刊《材料物理》发表论文,系统地探讨了该方法。 该刊审稿人认为,“该工作填补了传统物理液相沉积法(CVD法)与氧化还原法之间的空白,将极大促进石墨烯的实际应用,有望进一步应用于其他大规模制备高质量的二维材料。” 也就是说,这种新方法不仅会让石墨烯成为“白菜价”,还会为更多二维材料的量产开辟新途径。

石墨板镀层_石墨板_等静压石墨板

于庆凯是石墨烯生长领域的开拓者之一。 他首先提出并实践了采用液相沉积法在铜表面生长石墨烯,在镍箔上生长石墨烯的工作也得到广泛应用。 而且,余庆凯当时哪里有全套液态金属相关的实验设备。 在实验室里,唐永良通过这些方法,可以用非常简单的大型设备在一小时内生产出9克石墨烯。 如果工业化,用小型设备生产,产量会更大。 无疑,这为石墨烯的广泛应用突破了一个困境。

传统制备方法无法兼顾

自从发现石墨烯以来,人们一直在研究和发现它在热学、热力学、力学等方面的各种神奇性质和巨大的应用前景,并尝试以各种方式制备和生产它。 但目前流行的制备方法各有利弊,不可兼得:液相沉积法质量好但产值低,氧化还原法产值高但质量差。

于庆凯院士和唐永良博士在开始研究的时候就定下了一个目标,就是要找到产值和质量兼顾的方法。

大创新源于小改变

为了突破液相沉积法,唐永良在英国留学了一年半。 在于庆凯的指导下,唐永亮采用了在金属液中“吹泡泡”的方法。 这种史无前例的做法,让唐永亮成为“第一个吃龙虾的人”。

实验的疗效正如他所料,“当金属液发生反应时,气泡会不断形成,新的气泡会产生新的没有石墨烯的表面,气泡会不断形成,石墨烯将不断形成。进而增加石墨烯的产值”。

等静压石墨板_石墨板_石墨板镀层

为了找到一种催化效果最好的金属,唐永亮像爱迪生寻找灯丝一样,在多种金属材料中进行筛选。 最后发现铜的疗效最好,收率最高。 “石墨烯向下生长后,就像一张悬浮在海面上的油纸,漂浮在液态铜的表面。”

蜂拥而至的困境是如何收集悬浮的石墨烯? 最容易想到的方法就是机械地捞出来。 但这些方法似乎既麻烦又低效。 疑惑之际,他偶尔和余庆凯院长交流,余庆凯说:“你怎么不吹下来?”

“这是重要提示!” 唐永良说,“石墨烯和液态铜的润湿性很差,不会粘在一起。如果吹入二氧化碳,悬浮在液态铜表面的石墨烯就会飞起来,我们只需要设置安装结束时收集一个罐子。”

唐永良说,“用我的方法,石墨烯的生产成本和氧化还原法差不多,每克只要几块钱,而且质量比氧化还原法高很多。”

推动石墨烯走向工业应用

经过一年半的研究,唐永良在2016年下半年摸索出一种相对成熟的石墨烯制备方法,他和余庆凯院长很快写了一篇论文,对方法进行了梳理和总结。 因为这些技术是前所未有的,所以他们对这篇突破性论文的成功发表充满信心。

2016 年,他们将论文提交给了《科学》和《自然》。 但没想到,论文都被拒了。 《自然》编辑高度肯定了这种创新的制备方法,同时也尖锐地强调了这些方法的不足——与传统的液相沉积法相比,气泡液相法生产的石墨烯仍然更厚。

等静压石墨板_石墨板镀层_石墨板

尽管经历了磨难,但这一最初的成就并非没有缺陷。 此后,唐永亮和于庆凯对研究进行了优化,投稿至《材料物理》杂志,成果顺利发表。 现在,唐永良正在努力解决如何通过“破泡”和“调整二氧化碳含量”来进一步优化这项技术的产量和质量,希望在不久的将来再次进入《科学》和《自然》未来 。

作为新材料中的“黑金”,石墨烯在电子、导电涂料、防腐涂料、储能设备、航空航天等领域有着巨大的潜在市场有待挖掘。

“用不了多久,石墨烯就会广泛进入我们的生活,改变世界!” 唐永亮说。

在科研的道路上,电子科学与技术学院科研人员从未停下脚步。 他们“求真求实,满腔热情”,锐意创新,报效国家、报效社会,期待他们取得更好的科研成果!

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(注:素材来源于电子技术研究所官网)