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石墨烯泡沫——新的研究和应用领域

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点击次数:1463 更新时间:2016年09月12日10:17:20 打印此页 关闭

        石墨烯是由单层碳原子构成的二维材料,并且具有优异的导电导热性、透光性、柔韧性。石墨烯独一无二的性能使他可以广泛的应用在最前沿领域,如用于柔性显示的透明电极。

  由来自纽伦堡大学的AndreasHirsch博士领导的研发团队的研究近期在有机化学领域有了重大实质性突破。他们研究发现在添加苯甲腈后可以直接从溶液中分离没有缺陷的石墨烯。他们利用新方法合成的石墨烯有着更高的质量,并且不会对石墨烯造成损害,还可以通过特定的电子属性来设定通过电荷载体的数量。另外他们的这种制备石墨烯技术还具有低成本和高效率。

  一般传统的合成石墨烯是利用化学剥离石墨来实现。在这个过程中,金属离子被嵌入到由碳组成的石墨中,这就是我们所指的层间复合物。之后可以利用溶剂将每层的碳与石墨烯进行脱除分离。然后稳定的石墨烯从溶液中分离和再次氧化。然而,每个碳层够有各自的缺陷,如在合成过程中出现的晶格中碳原子的水和和氧化现象。

  纽伦堡大学的研究者已经发现了一种解决这个问题的溶液。通过添加苯甲腈溶液使得石墨烯在没有任何官能团形成前(没有产生缺陷)被分理出。Hirsch教授认为:“这个研究发现对于国际上还原石墨烯合成领域是一项重大突破。基于这一发现我们可以看到在湿化学剥离法合成石墨烯的生产应用上的主要进步。将石墨烯叠加在二维基质氮化硼上可以提高石墨烯的电学性质。两种材料之间强大的凝聚力会自动形成一个几乎没有杂质的干净界面。两层中间的任何污染物会被石墨烯和基底之间的范德华力挤压出去,并形成亚微米级的“泡沫”。 这一过程类似于在给手机屏幕贴膜时,尘埃粒子会在屏幕和贴膜之间产生气泡,这些气泡常被人们忽略,但它却非常令人讨厌。

  然而,曼彻斯特大学的研究团队决定仔细观察这些泡沫,他们发现这些泡沫在高压力的情况下可能会是有用的。研究人员发现纳米气泡的形状和尺寸提供了关于石墨烯的弹性强度及其与底层的基质相互作用的直观信息。并且这样的气泡也可以通过其他二维晶体(如:一层二硫化钼或氮化硼)创建出来。通过原子力显微镜,研究人员可以直接测量石墨烯施加在泡沫上的压力,反之亦然。

       这个力可以衡量闭合石墨烯泡沫。研究人员发现,泡沫越小,它可以承受更高的压力。微米大小的泡沫可以承受约200帕斯卡,而泡沫小于10纳米可以承受1吉帕斯卡的压力。较小的泡沫更有可能是圆的,较大的泡沫是金字塔形或三角形。

   (a-c)不同形状石墨烯泡沫的原子力显微镜图像比例尺:500nm(a)100nm(b)500nm(c)右侧竖直的比例表明的是泡沫的高度。 

        因石墨烯研究而获得诺贝尔奖的安德烈·海姆先生表示:这些气泡是无处不在。科学家们现在可以开始思考通过人为产生泡沫来改变封闭材料或研究自动薄膜在高应变和压力下的性能。石墨烯泡沫是一个仍在探索中新的研究和应用领域。曼彻斯特大学的另一个团队正在进行实验,观察怎样的气泡曲率才能用在眼镜制造上。一名博士生Ekaterina Khestanova通过实验认为高压泡沫可以用来防止液体冻结。她表示这种压力足以修改泡沫中材料的性质,例如,可以使液体的结晶远高于正常的凝固温度。

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