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(gè)原子長度的碳原子組成。 如果要提到石墨烯在我們生活中的作用，可以這樣解釋：

石墨烯是目前自然界中最薄、強(qiáng)度最高的材料，其斷裂硬度比最好的鋼高200倍。 同時(shí)具有良好的彈性，拉伸幅度可達(dá)自身規(guī)格的20%。 如果用一塊面積為1平方米的石墨烯做一個(gè)秋千，它的重量不到1微克，可以承受一只1公斤重的貓。

石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，制造未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。 通過用石墨烯代替硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度可以提高數(shù)百倍。 此外，石墨烯幾乎是完全透明的，僅吸收 2.3% 的光。 另一方面，它的密度如此之大，以至于即使是最小的二氧化碳原子（氦原子）也無法穿透。 這一特性使其特別適合作為透明電子產(chǎn)品的原材料，如透明觸摸屏顯示器、發(fā)光板和太陽能電池板。

石墨烯等二維碳材料因其特性和用途被稱為“黑金”。 然而，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的一名博士生卻讓石墨烯的制備變得非常簡單。

“銅液中產(chǎn)生氣泡，將二氧化碳引出熔體，二氧化碳在氣泡表面分解成碳原子，碳原子在氣泡表面聚集成石墨烯，然后跟隨氣泡熔化的銅表面飛入收集器中。氣泡不斷形成，優(yōu)質(zhì)石墨烯不斷生長?！?/p>

沒錯(cuò)，石墨烯的制備就是這么簡單：從裝置的一端通入普通廉價(jià)的天然氣，在裝置的另一端就會(huì)源源不斷地形成優(yōu)質(zhì)的“黑金”石墨烯。 這是因?yàn)榍鍎P院士提出的制備石墨烯的新思路，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)與前沿研究所2013級(jí)博士生唐永良實(shí)現(xiàn)了這一思路。

2017年底，唐永亮與于慶凱院士、祖曉濤院士在材料與物理科學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《材料物理》發(fā)表論文，系統(tǒng)地探討了該方法。 該刊審稿人認(rèn)為，“該工作填補(bǔ)了傳統(tǒng)物理液相沉積法（CVD法）與氧化還原法之間的空白，將極大促進(jìn)石墨烯的實(shí)際應(yīng)用，有望進(jìn)一步應(yīng)用于其他大規(guī)模制備高質(zhì)量的二維材料?！?也就是說，這種新方法不僅會(huì)讓石墨烯成為“白菜價(jià)”，還會(huì)為更多二維材料的量產(chǎn)開辟新途徑。

于慶凱是石墨烯生長領(lǐng)域的開拓者之一。 他首先提出并實(shí)踐了采用液相沉積法在銅表面生長石墨烯，在鎳箔上生長石墨烯的工作也得到廣泛應(yīng)用。 而且，余慶凱當(dāng)時(shí)哪里有全套液態(tài)金屬相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 在實(shí)驗(yàn)室里，唐永良通過這些方法，可以用非常簡單的大型設(shè)備在一小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)出9克石墨烯。 如果工業(yè)化，用小型設(shè)備生產(chǎn)，產(chǎn)量會(huì)更大。 無疑，這為石墨烯的廣泛應(yīng)用突破了一個(gè)困境。

傳統(tǒng)制備方法無法兼顧

自從發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，人們一直在研究和發(fā)現(xiàn)它在熱學(xué)、熱力學(xué)、力學(xué)等方面的各種神奇性質(zhì)和巨大的應(yīng)用前景，并嘗試以各種方式制備和生產(chǎn)它。 但目前流行的制備方法各有利弊，不可兼得：液相沉積法質(zhì)量好但產(chǎn)值低，氧化還原法產(chǎn)值高但質(zhì)量差。

于慶凱院士和唐永良博士在開始研究的時(shí)候就定下了一個(gè)目標(biāo)，就是要找到產(chǎn)值和質(zhì)量兼顧的方法。

大創(chuàng)新源于小改變

為了突破液相沉積法，唐永良在英國留學(xué)了一年半。 在于慶凱的指導(dǎo)下，唐永亮采用了在金屬液中“吹泡泡”的方法。 這種史無前例的做法，讓唐永亮成為“第一個(gè)吃龍蝦的人”。

實(shí)驗(yàn)的療效正如他所料，“當(dāng)金屬液發(fā)生反應(yīng)時(shí)，氣泡會(huì)不斷形成，新的氣泡會(huì)產(chǎn)生新的沒有石墨烯的表面，氣泡會(huì)不斷形成，石墨烯將不斷形成。進(jìn)而增加石墨烯的產(chǎn)值”。

為了找到一種催化效果最好的金屬，唐永亮像愛迪生尋找燈絲一樣，在多種金屬材料中進(jìn)行篩選。 最后發(fā)現(xiàn)銅的療效最好，收率最高。 “石墨烯向下生長后，就像一張懸浮在海面上的油紙，漂浮在液態(tài)銅的表面?！?/p>

蜂擁而至的困境是如何收集懸浮的石墨烯？ 最容易想到的方法就是機(jī)械地?fù)瞥鰜怼?但這些方法似乎既麻煩又低效。 疑惑之際，他偶爾和余慶凱院長交流，余慶凱說：“你怎么不吹下來？”

“這是重要提示！” 唐永良說，“石墨烯和液態(tài)銅的潤濕性很差，不會(huì)粘在一起。如果吹入二氧化碳，懸浮在液態(tài)銅表面的石墨烯就會(huì)飛起來，我們只需要設(shè)置安裝結(jié)束時(shí)收集一個(gè)罐子?！?/p>

唐永良說，“用我的方法，石墨烯的生產(chǎn)成本和氧化還原法差不多，每克只要幾塊錢，而且質(zhì)量比氧化還原法高很多?！?/p>

推動(dòng)石墨烯走向工業(yè)應(yīng)用

經(jīng)過一年半的研究，唐永良在2016年下半年摸索出一種相對(duì)成熟的石墨烯制備方法，他和余慶凱院長很快寫了一篇論文，對(duì)方法進(jìn)行了梳理和總結(jié)。 因?yàn)檫@些技術(shù)是前所未有的，所以他們對(duì)這篇突破性論文的成功發(fā)表充滿信心。

2016 年，他們將論文提交給了《科學(xué)》和《自然》。 但沒想到，論文都被拒了。 《自然》編輯高度肯定了這種創(chuàng)新的制備方法，同時(shí)也尖銳地強(qiáng)調(diào)了這些方法的不足——與傳統(tǒng)的液相沉積法相比，氣泡液相法生產(chǎn)的石墨烯仍然更厚。

盡管經(jīng)歷了磨難，但這一最初的成就并非沒有缺陷。 此后，唐永亮和于慶凱對(duì)研究進(jìn)行了優(yōu)化，投稿至《材料物理》雜志，成果順利發(fā)表。 現(xiàn)在，唐永良正在努力解決如何通過“破泡”和“調(diào)整二氧化碳含量”來進(jìn)一步優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)量和質(zhì)量，希望在不久的將來再次進(jìn)入《科學(xué)》和《自然》未來 。

作為新材料中的“黑金”，石墨烯在電子、導(dǎo)電涂料、防腐涂料、儲(chǔ)能設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域有著巨大的潛在市場有待挖掘。

“用不了多久，石墨烯就會(huì)廣泛進(jìn)入我們的生活，改變世界！” 唐永亮說。

在科研的道路上，電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院科研人員從未停下腳步。 他們“求真求實(shí)，滿腔熱情”，銳意創(chuàng)新，報(bào)效國家、報(bào)效社會(huì)，期待他們?nèi)〉酶玫目蒲谐晒?/p>

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（注：素材來源于電子技術(shù)研究所官網(wǎng)）