“石墨烯之父”仍然埋头实验室 发现惊人

　　石墨烯发现者之一、英国曼彻斯特大学教授安德烈˙海姆不久前在2016中国国际石墨烯创新大会上，向公众讲述自己获得2010年诺贝尔物理学奖之后，仍投入90%的时间在实验室做基础研究的情况。他演讲所迸发的创新思维，令人耳目一新、脑洞大开。

　　开启二维材料新世界

　　长期以来，人们对二维结构的晶体了解不多。二维晶体以平面形式存在，犹如将三维晶体减薄至一个原子层厚。传统理论认为，准二维晶体结构因其热力学不稳定性在自然界中根本不可能找到。直到2004年，安德烈˙海姆与其同事康斯坦丁˙诺沃肖洛夫首次从高定向热解石墨上成功分离出单层石墨片——石墨烯，用事实证明二维材料可在常温常压下稳定存在。

　　可以说，石墨烯的发现开启了二维材料的世界之门。海姆指出“石墨烯并非独一无二的二维材料，还有很多二维材料具有特殊性能，可能在某一些应用中表现更好。除石墨烯外，还有很多同石墨烯相似的材料值得探究。”

　　例如，磷烯是一种从黑磷剥离出来的有序磷原子构成的单片材料。它的一些特性可被应用于多个领域。而且，黑磷的非线性光学特性已被多家机构证实可用于产生超快激光。预计不久的将来，它将成为“第二个石墨烯”。

　　硅烯是一种只有单层原子厚，同时可在银表面生长的材料，拥有一些和石墨烯类似的材料属性，但同时还有一些更加优秀的特征，包括更低的对称性组、更强的自旋—轨道耦合。研究人员正在探究，它也许更适合与硅基电子器件集成，成为石墨烯的竞争对手。

　　原子层上做乐高拼接

　　对石墨烯而言，研究人员可在其原子层上做各种拼接，仿佛儿童在玩乐高积木。如将石墨烯以堆垛方式一层一层叠加，生成三维石墨;把石墨烯卷曲成圆筒状，变成一维碳纳米管;将石墨烯制成球状或椭球状，得到零维的富勒烯。由此，石墨烯可作为组成其他碳材料的结构基础。

　　海姆指出“把石墨烯与其他材料进行人为整合，花费几周时间将原子搭配设计出一个复杂的结构，会让石墨烯更加有‘魔力’，并在此基础上对这些物质的不同特性展开深入研究。这类研究成果可称为石墨烯3.0。”

　　例如，以石墨烯为基体制备纳米复合物材料的研究拓展了石墨烯的应用。目前对于石墨烯的复合方法主要有三种一是进行表面修饰或元素掺杂，使其能在不同的溶剂中形成稳定分散体系;二是让其负载金属或金属氧化物等无机纳米颗粒，这类复合材料在催化、生物传感、电池、超级电容器等方面将有着广泛应用;石墨烯与高聚物复合可在机械性能、光伏电池、超级电容器等方面展现出较为优异的性能。

　　当然，目前石墨烯复合材料的研究还面临许多问题和挑战，如石墨烯与无机纳米颗粒的相互作用机理、与高聚物的相容性、复合材料应用的拓展与深入等，仍亟待进一步深入研究。

　　丢弃物中的惊人发现

　　在制备石墨烯时，人们往往把注意力集中在石墨烯上，而海姆团队却不放过研究剥离单层石墨烯后通常被丢弃的材料。

　　海姆说“放大剩下的石墨块晶体是一个二维真空区，里面有许多像超细毛细管的结构形状，约有15纳米。当我们对其做水的运输测试时惊奇地发现，水流通过这种超窄毛细管时，几乎无障碍和没有摩擦，达到1米/秒的流速，而且管壁非常平滑，水的滑移距离比较长。”

　　海姆团队解释说，这是一种全新的纳米尺度系统，其毛细管道的精密度无法想像。更重要的是，这些超微毛细管可制备多种材料，不仅可以控制毛细管尺寸，还可调变毛细管壁的性能。这些材料未来有望用于新型过滤、海水淡化和气体分离技术等领域。

　　海姆补充道“在石墨烯基础研究中很多的科学发现让人吃惊，而让新发现的材料变得有用是非常酷的，其中将有无数个研究和开发的可能性有待探索。这样的研究深深地影响到我们。”

　　无疑，石墨烯的发现为研究者提供了一个充满魅力和想像空间的研究对象，而跟着“石墨烯之父”学习如何做基础研究，可谓不断刷新着创新视野。相信不久的将来，“多面手”的石墨烯定会在很多领域带来颠覆性的变革。