科普專欄 / Information

石墨烯:完美材料與未來生活

長纖維:石墨烯找到用武之地

科學家們相信,欲利用好石墨烯的特性,可以将這些二維碳納米片有效地排列成宏觀材料——石墨烯纖維。

“在最近幾年裡,人們在石墨烯的基本性質研究方面取得了很大的進展。但在我們的研究之前,人們很難想象怎樣才能将不足一納米厚的石墨烯片變成宏觀的纖維材料。”高超說,“在這一領域,之前的研究都集中在制備石墨烯紙。然而,這一形式的材料尺寸上隻有數毫米至幾厘米,而無法像纖維一樣能夠連續制備得到人們想要的長度”。這意味着,此次做出的連續纖維在全世界尚屬首例。

微小的石墨烯片好比是一張紙,這張紙有強大的物理特性但無用武之地,假如将這種紙一張張縱向摞起來,組成一根非常長的大“繩子”,那麼這根“繩”就是上面提到的纖維了。纖維可以紡成線,線可以編成真正的繩子,線也可以織成布。有了繩子和布,石墨烯就有了廣闊的用武之地。隻是這種纖維并不一定具備石墨烯那樣的剛性,因為纖維的結實程度取決于其片與片之間的親合力。

高超介紹說,經過改性和複合,可以形成多系列、多用途的石墨烯纖維,作為一類高性能纖維的基本原料。用這種布料做的衣服可防輻射、抗靜電、抗細菌,乃至制成特種功能服裝如抗腐蝕服、防彈衣及柔性電子器件服裝;強度進一步提高後,這些纖維可制成建築支撐材料,代替鋼筋等金屬材料搭建輕型房子、帳篷等,也可用于汽車外殼、輕型飛機外殼等,當然還可以很容易做成輕質電纜電線、導電/抗靜電管路、柔性電容器、電池、傳感器等。

下一個目标:石墨烯纖維的力學強度

在實驗室裡,高超和許震制成了幾十米長的石墨烯纖維。“用石墨烯納米片紡成十米絲的難度,相當于用普通打印紙疊成一千公裡長繩子的難度。”

高超說:“石墨烯很難溶解,難以開展對其液相性質的深入研究。另外,由于溶解度低、缺少組裝方法,如何實現石墨烯有序排列的宏觀纖維是該領域的一大挑戰。”

他們使用了一種叫濕法紡絲的工業方法。通過氧化,他們先将石墨變成氧化石墨烯,這是一種易溶解的石墨烯衍生物。高濃度的純氧化石墨烯溶液看似半固體半液體的分散液,可以像黏稠的液體一樣流動,但是,其中的氧化石墨烯片卻自發地整齊排列。

要知道,紡絲時必須讓所有的石墨烯片沿纖維的軸向排列,否則,隻要有一片石墨烯“不聽話”而橫向排列,就會形成纖維的缺陷,極容易在此處斷裂而無法進行連續紡絲。高超解釋:“正是因為這種有序的内部結構,使得我們得到的液晶分散液可以很好地用于纖維的紡制。”然後,采用化學還原的方法将其處理,就得到了可以導電的石墨烯長纖維。

通過液晶紡絲,制得了石墨烯連續纖維,開辟了由天然石墨室溫制取純碳基纖維的新通道。纖維導電性好、強度高、韌性佳,可打結,也可編織成各種導電織物。這種石墨烯纖維在柔性器件及高性能複合材料等領域具有良好的應用前景。

雖然石墨烯并不是第一個用于連續制備纖維的碳材料(在這之前還有傳統的碳纖維和碳納米管纖維),但是石墨烯纖維有着自己獨特的優勢。高超介紹說:“碳纖維需要高溫處理(高于1000攝氏度)才可以得到,而我們的石墨烯纖維在室溫下用水溶液紡絲即可制得,其制備過程相當方便快捷、綠色環保”。

如何提高石墨烯纖維的力學強度是高超小組的下一個目标。他們初步制備的石墨烯纖維有着一些結構上的缺陷,從而降低了它的力學性能。“盡管現在石墨烯纖維的力學強度與碳纖維相比還有較大的差距(其韌性遠優于碳纖維),但我們相信其進一步提高的空間還很大”。

當然,如果主要利用的是石墨烯纖維的高導電性能,纖維的高強度并不是必須的。研究石墨烯合成的新加坡南洋理工大學張華教授認為:“這種纖維一定有它的用武之地,例如可能用于觸摸面闆、傳感器或者功能織物等”。

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