Når grafenlag stables oven på hinanden, danner de grafit. En millimeter grafit indeholder cirka 3 millioner lag grafen. Et let blyantstrøg på papir efterlader spor, der kan være et par lag eller endda et enkelt lag grafen. Takket være dens perfekte to-struktur fungerer den som et funktionelt additiv i mange innovative produkter.
Når man taler om grafen, er den mest berømte omtale uden tvivl Nobelprisen i fysik i 2010, som deles af to videnskabsmænd for deres banebrydende forskning i grafen. For nylig annoncerede Fudan University, at dets forskere i samarbejde med dem fra National University of Singapore har udviklet en helt-ny, høj-fremstillingsmetode for grafen, hvis kerneteknologi let kan skaleres op til industriel produktion.
Navnlig tog forskerholdet en helt modsat tilgang til den traditionelle vej med først at udgive artikler og derefter samarbejde med virksomheder. De opnåede innovative resultater i 2013, indgav patent i 2014, overførte patentet til en indenlandsk virksomhed i 2015 og offentliggjorde kun deres resultater online iNaturkommunikationden 8. januar Lu Hongbin, en af teamlederne fra Institut for Makromolekylær Videnskab og State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers ved Fudan University, sagde med et smil: "Gode ting er værd at vente på; de viser sig ofte bedre efter nogen tid at modnes."
Atomopløsningstransmissionselektronmikroskopibillede (a), Ramanspektrum (b), røntgenfotoelektronspektroskopispektrum (c) og storskala atomkraftmikroskopibillede (d) af grafenen, som er fremstillet; plot af grafentykkelsesfordeling (e) og lateral størrelsesstatistik (f).
Foto af Dong Lei
Få mennesker er klar over, at grafen ikke bare er et navn på Nobelprislisten - det er allerede tæt integreret i dagligdagen. Det findes naturligt i verden, selvom det ikke er nogen let opgave at isolere enkeltlagsgrafen.- Stablet lag for lag danner grafen grafit, med 1 millimeter grafit indeholdende omkring 3 millioner grafenlag. Et blyantmærke på papir kan være flere eller endda kun et lag grafen. På grund af sin ideelle 2D-struktur fungerer den som et funktionelt additiv i forskellige innovative produkter:
· Tilføjet til specielle polymerbelægninger forlænger det levetiden gennem fremragende barriereegenskaber;
· Brugt som et ledende middel i batterier, letter dens 2D-struktur hurtigere elektrontransport, hvilket øger opladningshastigheden kraftigt;
· Indbygget i fibre og elektriske varmeenheder opgraderer dens exceptionelle elektriske og termiske ledningsevne produktets ydeevne betydeligt.
På grund af dets enorme værdi er bedre forberedelsesmetoder blevet et konkurrencemål for både den akademiske verden og industrien. To videnskabsmænd ved University of Manchester - Andre Geim og Konstantin Novoselov - opdagede en bemærkelsesværdig enkel måde at opnå stadig tyndere grafitflager på. De skrællede flager fra højt orienteret pyrolytisk grafit, fastgjorde begge sider til speciel klæbende tape og flækkede flagerne ved at rive tapen af. Gentagelse af denne proces gav tyndere og tyndere ark, hvilket i sidste ende resulterede i flager bestående af kun et lag af kulstofatomer: grafen. Siden da er der dukket adskillige nye tilberedningsmetoder op, og efter fem års udvikling er produktionen af grafen i industriel-skala trukket inden for rækkevidde.
Professor Lu Hongbin gav grafen tre "verdens bedste" titler:
· Det tyndeste kendte materiale, kun 0,335 nanometer tykt;
· Det stærkeste materiale, 100 gange stærkere end stål;
·Den bedste termiske leder, mere end 10 gange højere end sølv.
Derudover har grafen ekstrem høj elektronmobilitet, to størrelsesordener højere end silicium. Som et vigtigt strategisk spirende materiale har dette nye 2D-materiale et enormt anvendelsespotentiale inden for smart udstyr, rumfart, energilagring, miljøsanering og mange andre områder.
Men opnåelse af effektiv,-storskalaproduktion af-kvalitetsgrafen har længe været en vigtig flaskehals, der begrænser dens udbredte anvendelse.
Grafen findes naturligt, og den ideelle forberedelsesstrategi er at eksfoliere naturlig flagegrafit til grafen i et specifikt flydende opløsningsmiddel. Med andre ord, da grafen er hydrofobt, skal store mængder overfladeaktive stoffer tilsættes væsken under eksfoliering, ellers er adskillelse næsten umulig. Konventionelle metoder kræver typisk 3 tons oxidanter såsom kaliumpermanganat for at producere 1 ton grafen, der omdanner det til grafenoxid før eksfoliering og reduktion. Denne proces genererer store mængder spildevand fra oxidation, reduktion og rensning, mens den også nedbryder nogle unikke egenskaber ved grafen.
Hvordan overvandt forskerholdet disse udfordringer? De indførte en ustabil spredningsstrategi ved at introducere en ekstremt lille mængde ioniserbar oxygen-indeholdende funktionelle grupper på grafenoverflader, hvilket muliggjorde hurtig eksfoliering med høj-udbytte ved ultra-høje koncentrationer. Over 90 % af det eksfolierede produkt er enkeltlags-grafen med minimale gitterdefekter, hvilket effektivt løser problemer med opbevaring og transport til store-applikationer. Ydermere udviser den vandige grafenopslæmning, der fremstilles ved denne metode, gunstige rheologiske egenskaber og kan direkte bruges til at 3D-printe grafenaerogeler af forskellige former, hvilket åbner nye veje for grafenanvendelser inden for energilagring, miljøbehandling, multifunktionelle kompositter og mere.
