三維石墨烯：決定未來科技發展趨勢的新材料之王 | 造就Talk·畢輝_風聞

畢輝

中科院上海硅酸鹽研究所 研究員

大家好，我是來自中科院上海硅酸鹽研究所的畢輝。

材料如何決定未來

新材料在我們的日常生活中無處不在，大到航空航天，小到我們的日常生活起居，包括智能家居、電子產品……新材料實實在在地改變着我們的生活方式。

新材料在我們的日常生活中無處不在

縱觀人類利用材料的歷史，我們可以清楚地看到，每一種重要新材料的發現和應用，都會給社會生產力和人類生活帶來巨大變革，把人類的物質文明推向更高水平。

18世紀的工業革命，就是因為新材料鋼鐵的發展為蒸汽機的發明和應用奠定了物質基礎；20世紀中葉，單晶硅新材料對電子技術的發明和應用起到了重要作用。

可以説，新材料決定了未來科技的發展趨勢。

我國已將新材料產業列為國家新型戰略性產業之一。下面列出了十大未來最有潛力的新材料：石墨烯、碳納米管、氣凝膠、富勤烯、非晶合金、超導材料、超材料、離子液體、3D打印材料和泡沫金屬。我們今天講的**三維石墨烯材料****，**同時涉及石墨烯和氣凝膠兩大新材料。

有人會問，什麼是氣凝膠材料？氣凝膠是一種固體物質形態，常見的氣凝膠是硅氣凝膠，主要成分是二氧化硅，材料密度是3mg/cm³，比泡沫塑料還要輕100倍。一般來説，氣凝膠中80%以上是空氣，隔熱效果非常好，把氣凝膠放在動物和火焰之間，小動物絲毫察覺不到熱。

氣凝膠

熱硅氣凝膠最大的問題是脆性結構，彈性、韌性不足，限制了後續應用。所以現在我們對採用石墨烯材料構築的氣凝膠給予了厚望。

石墨烯材料由碳元素組成，是典型的二維材料，厚度不到1納米，是所有SP2結構碳材料的最基本單元，可以圍成零維結構的C60材料，也可捲曲成一維結構的碳納米管，還可以通過規整的AB方式堆垛成石墨材料。2018年，年輕的中國科學家曹原採用兩片石墨烯，通過扭曲一定角度獲得了魔角石墨烯，首次發現了石墨烯的超導特性。（傳送門：24歲，手握4篇Nature的“石墨烯駕馭者”，或許是中國最接近諾貝爾物理學獎的人）

石墨烯：碳元素的同素異形體

如何製備三維石墨烯？

我們現在希望構築一個三維****結構的石墨烯，使其兼具**超輕****、超彈、**超高強度和高導電的特性。該怎麼做？

首先要生長高質量的二維石墨烯材料，儘可能減少缺陷，提升層數均勻性。其次考慮結構單元匹配是採用片狀結構、管狀結構還是棒狀結構，還要考慮結構單元的連接方式，優化連接強度以及連接數。最後要根據實際應用情況考慮引入適合的孔徑結構。

目前主要的製備方法包括以下三種：濕化學技術、3D打印技術、CVD製備技術。

製備三維石墨烯的三種方法

濕****化學制備技術是採用硫酸和高錳酸鉀等氧化劑，將石墨氧化插層，剝離出氧化石墨烯，然後將氧化石墨烯自組裝，實現石墨烯的連接。製備的塊體材料在冷凍過程形成冰晶，進行造孔，通過冷凍乾燥製備出三維石墨烯。

這種方法制備的三維石墨烯很輕，彈性很好，可以規模化製備，但製備方法較為單一，微結構調控有限，由於採用的氧化過的石墨烯缺陷較多，製備出的三維石墨烯力學強度和導電性較差。

濕化學技術製備三維石墨烯

第二種方法是3D打印技術，將氧化石墨烯製備出穩定分散的石墨烯漿料，採用3D打印設備，根據程序設計打印出結構可控的塊體材料，進一步去除模板和雜質等。然後通過冷凍乾燥，製備出結構規整的三維石墨烯材料。

這種方法制備的三維石墨烯很輕，彈性較好，微結構調控較為靈活，可以實現規模化製備，但力學強度和導電性還有很大提升空間。

3D打印技術製備三維石墨烯

為了進一步提升三維石墨烯的力學強度和導電性，研究人員採用化學氣相沉積技術製備三維石墨烯，在高温條件下直接在多孔模板表面生長石墨烯，去除模板後冷凍乾燥，製備出三維石墨烯。這種方法制備出的石墨烯具有超輕、超彈的特性，微結構調控靈活，可規模化製備，力學和電學性能非常優異。

化學氣相沉積技術製備三維石墨烯

三維石墨烯有什麼用？

三維石墨烯具有哪些神奇性能？

首先是超輕特性，這是浙江大學研製的一種超輕三維石墨烯氣凝膠，是迄今為止世界上最輕的材料，刷新了世界上最輕材料的吉尼斯紀錄。它的密度僅為0.16mg/cm³，孔隙率非常高，99.99%的部分都是空氣。

浙江大學研製的超輕三維石墨烯氣凝膠

其次，這種材料具有超高彈性，可以被壓縮成其原始大小的5%甚至更低，循環1000次以後仍然能夠恢復原來的形狀。另外，該材料具有高強度，壓縮模量可達100兆帕以上，材料強度比同重量的鋼材要大200倍，力學強度優於所有氣凝膠材料，同時還具有良好的機械穩定性。三維石墨烯還是良好的導體，是所有碳基氣凝膠電導率中最高的，與LED燈連接，利用壓縮可以靈活調節LED燈的亮度。

三維石墨烯具有豐富的微納結構，顯示出優異的超疏水特性，小水滴可以在其表面自由地滾動而不會進入其內部。這種特性使三維石墨烯具備自清潔功能，可以使水下油滴進行定向運輸和收集，實現油水分離。

海上船隻屢有發生原油泄漏事故，給很多國家造成經濟損失和嚴重的環境污染問題。三維石墨烯具有大的孔隙率以及超疏水特性，對包括原油等數十種有機污染物有很強的吸附性，最高吸附量可以達到自身重量的1000倍以上，並且可重複利用多次循環，吸附量可無明顯衰減。因此採用三維石墨烯可以快速吸收水中油污，處理海上漏油，通過外力擠壓的方式實現原油的回收利用，也可以通過燃燒的方式實現三維石墨烯的重複使用。

我們國家是一個淡水資源相對匱乏的國家，海水淡化是我們追求的夢想，如何實現低成本零污染的海水淡化，是擺在我們面前迫切需要解決的問題。三維石墨烯獨特的微納結構，可以製備出超黑材料（注：超黑材料，也叫“看不見”材料，一種新出現的“最黑”材料，僅僅反射0.035%的光，達到了肉眼根本無法分辨的程度，黑得就像出現了一個黑洞），高效吸收太陽光，提高蒸發效率，通過將海水加熱蒸發並冷凝，實現海水淡化。

 三維石墨烯淡化海水

今年發生了嚴重的新冠肺炎疫情，口罩成為保護醫護人員的第一道防線，一度成為稀缺資源。三維石墨烯具有大比表面積和強靜電吸附特性，可以作為關鍵過濾材料，提升過濾效率。如今，我們可以在市面上買到石墨烯口罩，它在抗疫中發揮了重要作用。

三維石墨烯可過濾和淨化空氣

此外，三維石墨烯還可以作為結構材料、隔音材料和絕熱材料。首先，它的超輕超強結構可降低未來航天器40%的重量，實現節能減排。此外，三維石墨烯具有超大的孔隙率，極低的熱導率和導熱係數，可用於各種形式的保温材料。三維石墨烯還具有低聲速特性，可作為一種理想的聲學延遲和高温隔音材料，因此，三維石墨烯可用於航空、航天、航海等領域。

 

三維石墨烯還可以作為結構材料、隔音材料和絕熱材料

通過上面的介紹，我們瞭解到石墨烯和三維石墨烯均具備了其他材料沒有的極限性能，在儲能環境、結構材料等領域都具有很好的應用效果。石墨烯被譽為材料之王、萬金油，我們姑且不提這種説法是否恰當，但也從側面反映出石墨烯材料得到了人們很高的期待。

然而有些新聞媒體對石墨烯材料過度解讀，給出了誇大的報道，比如石墨烯電池、石墨烯手機等報道，短時間看可以起到博眼球的新聞效果，但這對石墨烯的長遠發展是極其不利的。對於實際應用，我們還要綜合評估，首先要對標現有商用產品的技術效果，還要經得起市場的競爭，保障產品效果優異的同時還要有成本優勢。

最後，我想説的是，對於石墨烯材料也好，其他新材料也好，我們都需要有一定的時間進行材料技術的沉澱和積累，尋找殺手鐧級的應用，體現出新材料的不可替代性。

我也希望三維石墨烯能夠成為這樣的新型材料，肩負起它的責任，在眾多新材料中殺出重圍，率先實現產業應用，使我們的未來生活更加美好。謝謝大家！