很多人可能不熟悉石墨烯，它是一種二維晶體，??由石墨材料剝離而成，由只有一個原子長度的碳原子組成。 如果要提到石墨烯在(zai)我們生活中的作(zuo)用(yong)，可以這(zhe)樣解釋(shi)：

石(shi)墨(mo)烯是目前自然界(jie)中(zhong)最薄(bo)、強度(du)最高(gao)的材料，其斷裂硬度(du)比最好的鋼高(gao)200倍(bei)。 同時具有(you)良好的彈性，拉伸幅度(du)可達(da)自身(shen)規(gui)格的20%。 如果用一(yi)塊面積為1平方米的石(shi)墨(mo)烯做一(yi)個秋千，它的重量不到(dao)1微(wei)克，可以承受一(yi)只1公斤(jin)重的貓。

石(shi)墨(mo)烯(xi)目前最有潛(qian)力的(de)(de)應(ying)用(yong)是(shi)(shi)成為(wei)(wei)硅的(de)(de)替(ti)代品，制(zhi)(zhi)造超(chao)微(wei)型晶體(ti)管(guan)，制(zhi)(zhi)造未來的(de)(de)超(chao)級計算機(ji)。 通過用(yong)石(shi)墨(mo)烯(xi)代替(ti)硅，計算機(ji)處理(li)器的(de)(de)運行速度可(ke)以(yi)提高數(shu)百(bai)倍。 此外，石(shi)墨(mo)烯(xi)幾乎(hu)是(shi)(shi)完全透(tou)明(ming)的(de)(de)，僅吸收(shou) 2.3% 的(de)(de)光(guang)(guang)。 另(ling)一方(fang)面，它的(de)(de)密度如此之大，以(yi)至于即使(shi)是(shi)(shi)最小的(de)(de)二(er)氧化(hua)碳原子（氦(hai)原子）也無法穿透(tou)。 這一特性(xing)使(shi)其特別適(shi)合(he)作(zuo)為(wei)(wei)透(tou)明(ming)電子產(chan)品的(de)(de)原材料，如透(tou)明(ming)觸摸(mo)屏顯示器、發光(guang)(guang)板和太(tai)陽能電池板。

石(shi)墨(mo)烯等(deng)二維碳材料因(yin)其(qi)特(te)性(xing)和(he)用途被稱(cheng)為“黑金(jin)”。 然而，電(dian)子科學與技術學院的一(yi)名博士生卻讓石(shi)墨(mo)烯的制備變(bian)得非常簡單。

“銅液(ye)中(zhong)產生氣(qi)(qi)泡(pao)，將二氧(yang)化(hua)(hua)碳引出熔體，二氧(yang)化(hua)(hua)碳在氣(qi)(qi)泡(pao)表面分解(jie)成碳原子，碳原子在氣(qi)(qi)泡(pao)表面聚(ju)集成石墨烯，然后跟隨(sui)氣(qi)(qi)泡(pao)熔化(hua)(hua)的(de)銅表面飛入收集器(qi)中(zhong)。氣(qi)(qi)泡(pao)不斷形成，優質石墨烯不斷生長。”

沒錯，石墨烯的制(zhi)備就(jiu)是(shi)這么簡單：從裝置(zhi)的一(yi)端通(tong)入普(pu)通(tong)廉價的天然氣，在裝置(zhi)的另一(yi)端就(jiu)會源源不斷地(di)形成優質的“黑金(jin)”石墨烯。 這是(shi)因為(wei)清凱院士(shi)(shi)提(ti)出的制(zhi)備石墨烯的新思(si)路，電子科學(xue)與技術學(xue)院基礎與前(qian)沿研究所2013級博士(shi)(shi)生(sheng)唐(tang)永良實現了這一(yi)思(si)路。

2017年底，唐(tang)永(yong)亮與(yu)于(yu)慶凱院士、祖曉濤院士在材料(liao)與(yu)物(wu)(wu)理科學(xue)領域的頂級(ji)期刊《材料(liao)物(wu)(wu)理》發(fa)表論文，系(xi)統地探討了該(gai)方法(fa)(fa)。 該(gai)刊審稿人認為(wei)，“該(gai)工作(zuo)填補了傳(chuan)統物(wu)(wu)理液(ye)相沉積法(fa)(fa)（CVD法(fa)(fa)）與(yu)氧化還(huan)原(yuan)法(fa)(fa)之間的空白，將極大促進石(shi)墨烯的實際應用，有望進一步應用于(yu)其(qi)他大規模制備高(gao)質量的二維材料(liao)。” 也(ye)就是說，這種(zhong)新方法(fa)(fa)不僅會讓石(shi)墨烯成為(wei)“白菜價”，還(huan)會為(wei)更(geng)多二維材料(liao)的量產開辟新途徑。

于慶凱是石(shi)墨(mo)(mo)烯生(sheng)長領域的(de)(de)(de)開拓者之一。 他(ta)首先(xian)提出(chu)并實踐了采用(yong)液相沉積(ji)法(fa)在(zai)銅(tong)表面生(sheng)長石(shi)墨(mo)(mo)烯，在(zai)鎳箔上生(sheng)長石(shi)墨(mo)(mo)烯的(de)(de)(de)工作也得到廣泛(fan)應用(yong)。 而且，余慶凱當時哪里有全(quan)套液態金屬相關的(de)(de)(de)實驗(yan)(yan)設備(bei)。 在(zai)實驗(yan)(yan)室(shi)里，唐永(yong)良通過這些方法(fa)，可以(yi)用(yong)非常(chang)簡單(dan)的(de)(de)(de)大(da)(da)型設備(bei)在(zai)一小時內生(sheng)產(chan)出(chu)9克(ke)石(shi)墨(mo)(mo)烯。 如果工業化，用(yong)小型設備(bei)生(sheng)產(chan)，產(chan)量(liang)會(hui)更大(da)(da)。 無疑，這為(wei)石(shi)墨(mo)(mo)烯的(de)(de)(de)廣泛(fan)應用(yong)突破(po)了一個困境。

傳統制備(bei)方(fang)法(fa)(fa)無法(fa)(fa)兼顧

自(zi)從發現(xian)石墨烯以(yi)來，人(ren)們一直在(zai)(zai)研究和(he)(he)發現(xian)它在(zai)(zai)熱學、熱力學、力學等方面的(de)各種神(shen)奇性(xing)質(zhi)(zhi)和(he)(he)巨大的(de)應(ying)用前景，并嘗試(shi)以(yi)各種方式制(zhi)備和(he)(he)生(sheng)產它。 但(dan)目前流行的(de)制(zhi)備方法各有利弊(bi)，不可(ke)兼得(de)：液相沉積(ji)法質(zhi)(zhi)量(liang)好但(dan)產值低，氧化(hua)還(huan)原法產值高但(dan)質(zhi)(zhi)量(liang)差。

于慶凱院士(shi)和唐永良博士(shi)在(zai)開始研(yan)究的(de)時候(hou)就定下(xia)了一個目標，就是要找(zhao)到產值和質量兼顧的(de)方法。

大創新源于小改變

為(wei)了(le)突破(po)液(ye)相沉積法，唐永(yong)良在(zai)(zai)英國留學(xue)了(le)一年半(ban)。 在(zai)(zai)于慶凱的指導下，唐永(yong)亮(liang)采用了(le)在(zai)(zai)金屬液(ye)中(zhong)“吹(chui)泡(pao)泡(pao)”的方法。 這種史無前例的做(zuo)法，讓唐永(yong)亮(liang)成為(wei)“第一個吃龍蝦的人”。

實驗的(de)療效正如他所料，“當金屬液(ye)發生(sheng)反應時，氣泡(pao)會(hui)不(bu)斷(duan)形(xing)成(cheng)，新(xin)的(de)氣泡(pao)會(hui)產(chan)生(sheng)新(xin)的(de)沒有石墨(mo)(mo)烯(xi)的(de)表(biao)面，氣泡(pao)會(hui)不(bu)斷(duan)形(xing)成(cheng)，石墨(mo)(mo)烯(xi)將(jiang)不(bu)斷(duan)形(xing)成(cheng)。進而增加石墨(mo)(mo)烯(xi)的(de)產(chan)值”。

為(wei)了找(zhao)(zhao)到(dao)一種催(cui)化效(xiao)(xiao)果最好(hao)的(de)金屬，唐永亮像愛迪(di)生(sheng)尋(xun)找(zhao)(zhao)燈絲一樣，在(zai)多(duo)種金屬材(cai)料中進行篩選(xuan)。 最后發(fa)現銅的(de)療(liao)效(xiao)(xiao)最好(hao)，收率(lv)最高。 “石墨烯向(xiang)下生(sheng)長后，就(jiu)像一張懸浮在(zai)海面上的(de)油紙，漂浮在(zai)液(ye)態銅的(de)表面。”

蜂擁(yong)而至的困境是(shi)如何收集懸浮(fu)的石墨烯？ 最容易想到(dao)的方法(fa)就是(shi)機械地撈出(chu)來(lai)。 但這些方法(fa)似乎(hu)既(ji)麻煩又低效。 疑惑之際(ji)，他偶爾和余(yu)慶(qing)凱(kai)(kai)院(yuan)長交流，余(yu)慶(qing)凱(kai)(kai)說：“你怎么不吹下(xia)來(lai)？”

“這(zhe)是重要(yao)提示(shi)！” 唐(tang)永良說，“石(shi)墨烯(xi)和液態(tai)銅的潤濕性(xing)很差，不會粘在(zai)一起。如(ru)果吹入(ru)二氧化碳，懸(xuan)浮在(zai)液態(tai)銅表(biao)面的石(shi)墨烯(xi)就會飛起來，我們只需要(yao)設置安裝結束時收集一個罐子。”

唐(tang)永良說(shuo)，“用我的方法(fa)，石墨烯的生產(chan)成本和氧化還原(yuan)法(fa)差不多(duo)，每(mei)克(ke)只要幾(ji)塊錢，而(er)且質(zhi)量比氧化還原(yuan)法(fa)高很多(duo)。”

推動石墨烯走向工業應用(yong)

經過一(yi)年半的研究，唐永良(liang)在2016年下半年摸索出一(yi)種相對(dui)成(cheng)熟的石墨烯制備方法，他和余慶凱院長(chang)很快寫了一(yi)篇論文(wen)(wen)，對(dui)方法進行了梳理和總結。 因為(wei)這些技術是前所未有的，所以他們對(dui)這篇突破性論文(wen)(wen)的成(cheng)功發表充滿信心。

2016 年，他們(men)將論文提交給了《科學》和《自然》。 但沒想到，論文都被拒了。 《自然》編輯高度肯(ken)定(ding)了這(zhe)種創新的制備方法，同時也尖銳地強調了這(zhe)些方法的不足(zu)——與傳統(tong)的液(ye)相(xiang)沉積法相(xiang)比(bi)，氣(qi)泡液(ye)相(xiang)法生(sheng)產(chan)的石墨烯仍然更厚(hou)。

盡管經歷了磨難，但這(zhe)一最初的(de)成就并非沒(mei)有缺陷。 此后(hou)，唐永亮和(he)于(yu)慶凱對研究(jiu)進(jin)行了優(you)化，投稿至《材料(liao)物(wu)理》雜(za)志，成果順利(li)發表。 現(xian)在，唐永良正(zheng)在努力解決如何通過“破泡”和(he)“調整二氧化碳含(han)量”來(lai)(lai)進(jin)一步(bu)優(you)化這(zhe)項技術的(de)產量和(he)質量，希望(wang)在不久的(de)將(jiang)來(lai)(lai)再次進(jin)入(ru)《科學》和(he)《自然》未(wei)來(lai)(lai) 。

作為新材料中的(de)“黑金”，石(shi)墨(mo)烯在(zai)電子、導電涂(tu)料、防腐涂(tu)料、儲能設備、航空航天等領(ling)域有著巨大的(de)潛(qian)在(zai)市場有待挖(wa)掘。

“用不了多久，石墨烯就會廣泛進入我們的生活，改變世界！” 唐永亮說。

在(zai)科研的道路上(shang)，電子科學(xue)與技術學(xue)院科研人員從未(wei)停下腳步。 他們“求(qiu)真求(qiu)實，滿(man)腔熱情”，銳意創新(xin)，報效(xiao)國家、報效(xiao)社會，期待他們取得更好(hao)的科研成果！

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（注：素材來源于電(dian)子(zi)技術研(yan)究所官(guan)網）