“诺贝尔奖离我们有多远？”这是一个严肃而发人深省的问题 。那么究竟有多远呢？文具盒离你有多远，诺奖就离你有多远 。来自英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈•海姆（Andre Geim）和康斯坦丁•诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）乐成证实晰这一点 。2004年，这2位科学家通过一直重复撕拉粘附有铅笔芯主要因素——“石墨”的透明胶带，获得了只有一个碳原子厚度（0.335 nm）的单层质料石墨烯（Graphene） 。2010年，2人依附这项“在二维石墨烯质料的开创性实验”获得了诺贝尔物理学奖 。
而在此之前，早在1947年，菲利普•华莱士（Philip Wallace）就最先研究石墨烯的电子结构，石墨烯的理论研究已有近70年的历史 。时代，有许多科学家实验了许多要领始终没能制备出石墨烯，因此石墨烯一直被以为是假设性的结构，无法单独稳固保存 。事实上，石墨烯普遍保存于碳质料中，并能够以特定的方法转化为其他形式的碳质料 。例如：三维的石墨可看作由层层群集的石墨烯组成；一维的碳纳米管则由石墨烯卷曲后形成；而零维的富勒烯可看作由特定形状的石墨烯片层扭曲毗连而成 。
石墨烯的降生创立了一个事业，而科学家们的起劲正使石墨烯演变为一个传说 。作为由单层碳原子细密群集成的具有二维蜂窝状晶格结构的碳质质料，石墨烯奇异的二维结构和优异的晶体学参数，使其具有优异的电学、热学和力学性能 。别的，研究职员还开发出大宗基于石墨烯的衍生物（如氧化石墨烯、石墨烯纳米带、磁性石墨烯等），用以突出或强化石墨烯的某些性能 。这些性能使石墨烯成为多学科、多领域科研职员关注的焦点和竞相追逐的热门 。随着近几年对石墨烯探索的一直深入，石墨烯以其神奇的特征一直给予人们惊喜和期待 。
石墨烯有望成为高速晶体管、高迅速度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的焦点质料，使人类社会步入“后硅时代” 。正如纽约时报谈论所述“石墨烯的泛起使现代物理越发富厚了” 。
石墨烯的性能
“量变引起质变”准确地形貌了石墨烯那些特殊性子的由来 。石墨烯集多种优异特征于一身，已远非石墨可比，如高比外貌积、高导电性、高机械强度等，同时石墨烯还具有易修饰及可大规模生产等特点 。正是由于石墨烯具有许多令现有质料瞠乎其后的特征，以是其应用领域很是普遍，应用远景很是辽阔，详细如表1所示 。
石墨烯宏观组装质料
石墨烯很是优异的物理化学性子已经引起各领域科学家的普遍关注，然而怎样将石墨烯的性能转化到宏观质料上并为人所用，仍然是一个急需解决的问题 。石墨烯的物理特征导致其无法举行熔融加工，只能接纳溶液加工的方法将微观的石墨烯片转化成石墨烯宏观质料，因此石墨烯质料在溶液中的疏散性需要抵达一定的要求才华制备出宏观质料 。
石墨烯质料的制备要领凭证实验原理可分为2种，物理要领和化学要领 。物理要领是将具有规整晶格结构的石墨或者其他类似质料通过剥离或疏散制取石墨烯，主要包括：机械摩擦法、取向附生法、碳化硅（SiC）外延生长法等；化学要领是通过小分子合成或试剂插层石墨的要领获取石墨烯，主要包括：氧化还原法、化学气相沉积（CVD）法等 。物理法制备的石墨烯具有更为完整的共轭结构，可应用于制作性能优异的器件，可是其制备本钱较高，难以获得大批量的单层石墨烯，难以工业化生产 。另外，获得的石墨烯在溶液中也很难疏散，倒运于制备宏观质料 。CVD法是目今石墨烯制备领域受关注度较高的制备要领，其最大的优点在于可制备大面积石墨烯 。现在，使用这种要领已乐成制备出面积达平方厘米级的单层石墨烯或多层石墨烯 。可是该要领必需在高温条件下完成，并且很难实现工业化大批量制备，获得的石墨烯在溶液中较难疏散 。
氧化还原法主要包括Hummers、Brodie和Staudenmaier三种要领 。其中，Hummers法更为清静、可靠，应用也最为普遍 。该要领是以石墨粉为质料，使用强酸和强氧化物举行插层制备氧化石墨，然后举行超声疏散制备出单层的氧化石墨(氧化石墨烯)，再通过加入还原剂或高温等要领去除氧化石墨外貌的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基等，恢复单层石墨的导电性，获得石墨烯 。该要领的优点在于制备历程简朴、本钱低、可大规模生产，同时还能够制备出石墨烯衍生物，拓宽了石墨烯的应用规模 。更主要的是，该要领所得氧化石墨烯中心物在极性溶剂中具有优异的疏散性，可通过溶液加工的要领制备出种种石墨烯宏观组装质料，从而将微观石墨烯片的优异性能表达出来 。本文将从石墨烯薄膜、石墨烯纤维和石墨烯气凝胶3个维度来先容石墨烯宏观组装质料的生长现状，特殊重点先容笔者团队的相关事情 。
石墨烯薄膜
石墨烯片自己的二维平面结构对其形成宏观二维质料有着固有的结构优势，因此对石墨烯薄膜的研究率先开展起来 。微观的石墨烯片具有优异的力学性能和导电性，宏观的石墨烯薄膜也响应成为一种力学性能优异的多功效质料 。Dikin等通过对氧化石墨烯的胶状悬浮液举行真空辅助抽滤，在水流的作用下实现石墨烯片的定向组装，获得了自支持的氧化石墨烯薄膜质料 。在微观标准上，氧化石墨烯片泛起出细密群集的规整层状结构，为宏观质料的力学性能提供了机构基础 。拉伸试验证实石墨烯薄膜具有较高的杨氏模量（32GPa）和断裂强度（120MPa），性能与用类似要领制备的碳纳米管布基纸相当 。Li等使用水合肼先将氧化石墨烯还原，再抽滤成自支持膜，经由200℃热处置惩罚后石墨烯薄膜的拉伸强度提高到300MPa，杨氏模量提高到42GPa，同时还获得了优异的导电性能（4×10^4S/m） 。另外，通过界面自组装和涂膜的方法也可以获得石墨烯薄膜质料 。
单层石墨烯片具有优异的透明性，当石墨烯薄膜很薄的时间，也泛起出优异的透明性，可用来做柔性透明电极 。Watcharotone等就接纳旋涂的要领在差别的基体上制备了氧化石墨烯薄膜，再经由化学还原和热处置惩罚获得了还原石墨烯薄膜，证实了它是一种优良的透明电极质料 。Gao等（笔者团队）则使用石墨烯片超薄的特征，通过真空抽滤的要领获得超薄的氧化石墨烯薄膜（22～53nm），如图1所示 。薄膜内部氧化石墨烯片叠在一起形陋习整的纳米级通道，其中疏水的碳通道为纳滤膜提供了高的水通量 。由于机械阻力和静电吸引作用，超薄纳滤膜在截留有机染料，尤其是带电染料方面体现出优异的性能 。这种薄膜可以用在污水处置惩罚、盐水淡化和油水疏散等领域 。另外，这种纳滤膜很是节能，50mg的氧化石墨烯即可获得平方米级的纳滤膜，为其工业化应用涤讪了基础 。
三维石墨烯水凝胶/气凝胶
石墨烯还可以作为修建单位用来获得三维的宏观质料，主要包括石墨烯水凝胶和石墨烯气凝胶 。石墨烯水凝胶主要是从氧化石墨烯水溶液最先，或通过水热法将氧化石墨烯还原，增大片间π-π相互作用；或加入高价金属离子，通过电荷屏障作用镌汰氧化石墨烯片间相互倾轧作用，同时增添氢键作用；或加入聚合物，使其与氧化石墨烯片间形成氢键网络，最终获得稳固的三维网络结构 。
石墨烯气凝胶主要可通过2种要领获得 。一种是模板CVD法，将模板去除后即可获得三维的石墨烯气凝胶，Cheng等就是用具有规整孔结构的泡沫镍作为模板，用CVD的步伐在其外貌生长石墨烯，再将模板去除，获得石墨烯气凝胶 。另一种要领也是从氧化石墨烯水溶液最先，可以先获得水凝胶，再通过冷冻干燥或临界冷冻干燥去除溶剂就可以获得三维气凝胶 �；箍梢灾苯咏趸├涠掣稍镏票钙�，其原理是冷冻干燥历程中水会结晶成冰，与此同时氧化石墨烯片也就以冰为模板形成网络，干燥的历程将冰升华，模板去除，从而获得气凝胶，因此，这种要领也被成为“冰模板法” 。
“冰模板法”具有轻盈、易操作、环保、可大宗制备等优点，因此被普遍应用 。Wang和他的相助者首次接纳冰模板法获得了氧化石墨烯气凝胶 。Estevez等通过控制冷冻干燥历程中差别参数如氧化石墨烯溶液的冷冻速率等获得了有序的石墨烯-聚合物复合气凝胶，以及石墨烯-铂纳米粒子复合气凝胶 。Qiu等也用冷冻干燥的步伐获得石墨烯气凝胶 。
Gao等将二维的石墨烯片和一维的碳纳米管团结起来，先将氧化石墨烯水溶液与碳纳米管混淆，再用冷冻干燥的步伐获得碳气凝胶，化学法还原后获得超轻、导电并且富有弹性的碳海绵 。这种碳海绵具有比空气还低的密度（0.16mg/cm^3），是天下上最轻的固体质料，并具有规整的三维网络结构，如图2所示 。由于石墨烯和碳管的协同作用，这种具有三维稳固网络结构的碳海绵无论是在低温的液氮中（-196℃）照旧在300℃的高温下都具有优异的弹性（图3） 。另外，由于石墨烯亲油疏水的特征，这种碳海绵可以超快吸油（图4），并且可以循环吸收300倍质量的原油，或者750倍质量的四氯化碳，这种特征为其提供了辽阔的应用空间 。碳海绵还可能成为理想的相变储能保温质料、催化剂载体以及高效复合质料 。
一维石墨烯纤维
Gao等在2011年发明了氧化石墨烯在水溶液中会自觉排列形成液晶，随浓度转变可由向列相转变为层状相 。这一发明不但富厚了液晶家族，为二维粒子形成液晶提供了先例，并且为长程有序石墨烯组装质料的生长涤讪了坚实的基础 。同年Gao等使用工业可用的湿纺手艺，首次乐成将氧化石墨烯水溶液纺成数米结构规整的纤维（图5），该纤维不但具有较高的强度（102MPa），并且具有优异的柔韧性，可打成很细密的结，所得纤维的打结照片入选为Nature年度图片 。用氢碘酸还原之后，石墨烯纤维强度提高至140MPa，还原后的石墨烯纤维具有优异的导电性（2.5×10^4S/m），使其在导电织物等方面具有辽阔的应用远景 。2012年，通过增大氧化石墨烯尺寸和刷新纺丝工艺，笔者团队获得了高强度的石墨烯导电纤维（500 MPa），与文献报道的数据相比，这种纤维具有更高的拉伸强度和更好的韧性（图6） 。
石墨烯纤维还可通过加入金属纳米粒子来增添其导电性，Gao等就在石墨烯纤维中加入导电的银纳米线，获得的石墨烯复合纤维导电率为9.3×104S/m，是石墨烯纤维的3倍多，同时还坚持了优异的机械性能，这种石墨烯复合纤维可用于可舒展的电路等领域 。
Qu等用毛细管灌注的步伐也获得了氧化石墨烯纤维，通过高温处置惩罚获得导电的高强石墨烯纤维，他们还将磁性的四氧化三铁（Fe3O4）纳米粒子引入石墨烯纤维，获得具有磁性的纤维；使用同轴纺丝的手艺及模板法获得空心纤维和石墨烯微管 。
另外，干法纺丝也可以用来制备石墨烯纤维 。Gao等从氧化石墨烯液晶出发通过“冷冻干纺”的要领制备了有序多孔石墨烯气凝胶纤维以及三维块体质料 。质料内部石墨烯有序的多孔结构同时实现了高比外貌积、高强度、高导电的3个特征，扩展了其在储能、催化等领域的应用 。
氧化石墨烯具有富厚的官能团，为其功效化和制备石墨烯复合物提供了基础 。在石墨烯复合纤维方面，Gao等使用线性的聚乙烯醇和超支化的聚缩水甘油醚划分与石墨烯举行复合，然后使用聚合物功效化的石墨烯举行湿法纺丝，获得数十米、上千米的石墨烯复合纤维 。该种纤维具有与贝壳珍珠层相似的“砖-灰”结构（图7），层与层之间由自顺应性的氢键网络毗连，使其同时拥有高强度、优异的柔韧性和导电性等优点 。值得一提的是，石墨烯与超支化聚缩水甘油醚的复合纤维通过戊二醛交联之后，拉伸强度抵达650MPa，比纯的石墨烯纤维还要横跨150MPa, 充分体现了其仿生结构的优越性 。与自然的贝壳质料及其它仿贝壳质料相比（图8），笔者研究团队的仿生纤维不但具有更高的断裂强度、更高的断裂能，并且能够一连化，为其工业化生产提供了条件 。
结语
石墨烯优异的力学、电学和热学性子为石墨烯宏观质料的设计和制备提供了动力 �？蒲Ъ颐峭ü种指餮囊旖⒐鄣氖┢谱鞒芍种治鹊氖┖旯圩樽爸柿�，包括一维的石墨烯纤维、二维的石墨烯薄膜和三维的石墨烯气凝胶 。
石墨烯薄膜可应用于导热质料、海水淡化、污水处置惩罚等领域 。现在制备结构规整的石墨烯薄膜均需要借助其他的基质，怎样在没有基质辅助的情形下获得石墨烯薄膜是实现其工业化生产的瓶颈 。石墨烯气凝胶在相变储能、催化、吸油、超等电容器等领域有普遍的应用 。气凝胶可通过直接冻干的步伐获得，因此其尺寸巨细可以通过容器来控制，为其工业化生产铺平了蹊径 。
一连的石墨烯纤维可由工业可用的湿纺手艺获得，较容易实现工业化生产 。现在所得石墨烯纤维具有与碳纤维T300靠近的断裂能，抗拉强度在500MPa的量级，但与石墨烯单片拉伸强度130GPa相比，仍然有很大的上升空间 。若是能将石墨烯纤维的强度进一步提高，有可能逾越碳纤维，在轻质高强壳体（机身、机翼等）、发念头耐烧蚀喷管、舰船耐侵蚀腔体质料、轻质电磁屏障隐形质料、超轻石墨烯纤维石墨炸弹、汽车轻量化等领域展现其独当一面的性能 。
原文载于《新质料工业》杂志2013年9期