如何合成石墨烯？
石墨烯的合成有兩種形態(tài)，一種是長(zhǎng)成石墨烯大面積的薄膜，碳在上面組成一個(gè)薄膜，原材料往往是一種碳?xì)錃怏w，比如說(shuō)甲烷。這張圖里面可以看到，中間有一個(gè)藍(lán)顏色的代表一個(gè)碳原子，四周紅顏色的代表氫原子，一個(gè)碳帶四個(gè)氫。它落到了一個(gè)表面上以后，由于催化作用它會(huì)分解，這些氫氣就走掉了，留下碳在上面重組，就構(gòu)成了這樣一個(gè)石墨烯結(jié)構(gòu)。
我們把它放到一個(gè)爐子里面，在高溫條件下可以做成小單片，也可以通過(guò)卷對(duì)卷的方式長(zhǎng)成大的石墨烯薄膜。
還有一種非常有用的石墨烯材料叫石墨烯粉體。既然石墨烯是石墨中的某一層，我們?cè)趺窗阉鼏文贸鰜?lái)呢？
我們把石墨粉作為原材料，然后通過(guò)氧化石墨粉，或者是插層石墨粉，把層和層之間插進(jìn)其他的物質(zhì)，然后把它們分開，這樣就得到了石墨烯的粉體。但是這個(gè)過(guò)程有一點(diǎn)問題，在插層和氧化的過(guò)程中會(huì)造成大量的缺陷，石墨烯的某些性質(zhì)就會(huì)下降。
在實(shí)驗(yàn)室我們做成了這樣一種東西，通過(guò)化學(xué)氣相沉積的方法，在高溫下銅的溶液中通入甲烷氣體，它就在這個(gè)里面形成了氣泡，然后在銅的表面形成石墨烯。在這些氣泡上升的過(guò)程中攜帶著這些石墨烯飛出來(lái)，然后氣泡破掉，我們就收集到了石墨烯。
石墨烯到底是不是“新材料之王”？
1、水處理
由于石墨烯可以做到高疏水性，就是我們?cè)谥虚g圖所看的，一滴水流在上面完全變成了水珠。
左邊是用這種性質(zhì)做成了一個(gè)水處理的機(jī)器，它可以把水、油及固體懸浮物三項(xiàng)分開。
在我們最左邊的這幅圖里面是一個(gè)水、油、懸浮物混合的溶液，然后它進(jìn)入這個(gè)機(jī)器以后分出來(lái)的中間的是純水或者處理后的比較干凈的水，右邊橘色的是油，另一個(gè)管道出現(xiàn)的是固態(tài)顆粒。右邊我們看到它可以做成一個(gè)整機(jī)，就可以真正地去處理水了。
2、重防腐
橋梁工程也好，海洋工程也好，防腐是一個(gè)很重要的事情。石墨烯的防腐涂料是一種很好的重防腐的一個(gè)材料，因?yàn)樗诶锩鏄?gòu)建出了一個(gè)復(fù)雜的迷宮結(jié)構(gòu)。那些腐蝕性的離子想透過(guò)迷宮結(jié)構(gòu)要走的路更久，所以它腐蝕經(jīng)歷的時(shí)間也就越長(zhǎng)。
3、吸附
我們知道霧霾是個(gè)大問題，它對(duì)我們的健康產(chǎn)生很大的影響。現(xiàn)在最好的防霧霾的口罩，除了石墨烯的以外就是市面上的這種口罩。它是用靜電來(lái)吸引小粒子的，但是只能保持一小時(shí)的功效，因?yàn)槲覀兒粑乃魵庠谶M(jìn)出的過(guò)程中，靜電就被中和掉了，這樣的話它就失去了效果。
石墨烯的口罩是靠大比表面積讓氣體在里面迂回地走，由于大的比表面積，它會(huì)吸附那些顆粒，可以長(zhǎng)時(shí)間使用而不失效，最長(zhǎng)可以達(dá)到200個(gè)小時(shí)。現(xiàn)在這種石墨烯口罩市場(chǎng)上已經(jīng)有賣的了。
4、生物示蹤
隨著人民生活水平的提高，對(duì)健康也會(huì)越來(lái)越關(guān)注，癌癥是我們非常關(guān)注的疾病。癌癥從一個(gè)癌細(xì)胞被激活到長(zhǎng)成一個(gè)腫瘤可能只需要幾周的時(shí)間，為了治療，我們需要監(jiān)控它，我們需要看見它，看見腫瘤是怎么分裂的。
用石墨烯做的示蹤原子非常好，我們看左邊這個(gè)圖，用石墨烯看到的癌細(xì)胞是綠的，它不染色這個(gè)正常的細(xì)胞，我們就看到癌細(xì)胞是怎么變化的。
我們可以看到視頻中的癌細(xì)胞是怎么分化的，這個(gè)就是實(shí)時(shí)的十秒鐘癌細(xì)胞是怎么分裂的。這兩個(gè)細(xì)胞它們?cè)谝黄鸬臅r(shí)候很快地就變成了四個(gè)細(xì)胞。
有很多種不同的生物示蹤的材料，但是石墨烯的好在哪里呢？石墨烯的發(fā)光壽命非常長(zhǎng)，普通的示蹤材料大概從兩個(gè)小時(shí)到一天它就不再發(fā)足夠強(qiáng)的光了，我們也就看不到那些癌細(xì)胞是怎么演變的。
而石墨烯是一種超穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它的鍵很短，化學(xué)性質(zhì)比較惰性，它可以保持兩周到一個(gè)月的示蹤長(zhǎng)度，大大方便于我們對(duì)疾病的診斷和跟蹤。
5、紅外成像
石墨烯由于有比較均衡的紅外的吸收的譜，很少的材料才能達(dá)到這樣一個(gè)功效。中紅外和中遠(yuǎn)紅外同時(shí)成像都可以。
我們可以看到兩張黑白的圖，這里面一個(gè)人拿著一個(gè)電烙鐵，電烙鐵發(fā)出的光溫度很高，大概三四百度。這是一個(gè)中紅外的波段，人體發(fā)出的是遠(yuǎn)紅外的波段。
這種石墨烯的紅外的成像可以讓兩個(gè)波段同時(shí)呈現(xiàn)，也可以只讓一個(gè)波段出現(xiàn)，上面就是只看電烙鐵，下面就是人和電烙鐵都看到。我們就可以同時(shí)對(duì)人和發(fā)動(dòng)機(jī)做監(jiān)控。
還有熱管理，熱管理在我們的實(shí)際生活中已經(jīng)開始應(yīng)用了，加熱的地板，加熱的服裝等等。
下面我想談一些思考，石墨烯有這么多美妙的性質(zhì)，它能不能稱作“新材料之王”呢？
我覺得為時(shí)還早。因?yàn)橹阅芊Q王，它必須在這個(gè)時(shí)代有掌控力、有支配力的，它必須是一個(gè)對(duì)我們的生活影響最大的材料。
在人類的歷史上實(shí)際上這種材料并不是很多，第一個(gè)是石頭，因?yàn)樗艘粋€(gè)時(shí)代——石器時(shí)代，它是我們最早使用的一個(gè)工具，然后到了青銅時(shí)代，再往后就是鋼鐵，再往后塑料、硅、黃金。因?yàn)辄S金奠定了各國(guó)的貨幣基礎(chǔ)，使大家做生意成為可能。
我想只有這些材料目前才能稱為“王”，但石墨烯目前還不能稱“王”。它未來(lái)會(huì)不會(huì)成為“王”呢？我覺得還是有可能的，這要看這個(gè)行業(yè)會(huì)發(fā)展到哪一個(gè)方向去，現(xiàn)在我們暫且可以把石墨烯叫“王儲(chǔ)”。
當(dāng)下石墨烯在中國(guó)經(jīng)過(guò)了一個(gè)熱潮，現(xiàn)在到了哪一個(gè)階段，我們看新技術(shù)的成長(zhǎng)規(guī)律，它是一個(gè)從起始到高期待，然后往下走。
它必然要往下走，這是一個(gè)基本規(guī)律，然后到了一個(gè)低點(diǎn)以后開始穩(wěn)步向上升，然后達(dá)到了一個(gè)平臺(tái)。那個(gè)時(shí)候才能真正進(jìn)入我們的生活。
石墨烯究竟走到哪個(gè)階段，不同的人是有不同的觀點(diǎn)的，有的人說(shuō)它正在往下走，有的人說(shuō)它已經(jīng)到了低谷，有人說(shuō)它已經(jīng)開始回升了。
我覺得石墨烯是值得我們期待的，它未來(lái)一定有很大的作為，因?yàn)槭┑哪切┬再|(zhì)是實(shí)實(shí)在在的；那些數(shù)據(jù)是實(shí)實(shí)在在的數(shù)據(jù)；它有著很高的力學(xué)性能、電學(xué)性能、各種化學(xué)性能在里面。所以石墨烯的未來(lái)是一個(gè)可期的未來(lái)。（本文整理于于慶凱研究員在造就的演講）注釋
1、范德華力：
Van der Waals force，在化學(xué)中指分子之間非定向的、無(wú)飽和性的、較弱的相互作用力，根據(jù)荷蘭物理學(xué)家約翰內(nèi)斯·范德瓦耳斯命名。范德華力是一種電性引力，但它比化學(xué)鍵或氫鍵弱得多，通常其能量小于5kJ/mol。范德華力的大小和分子的大小成正比。
2、富勒烯：
一種完全由碳組成的中空分子，形狀呈球型、橢球型、柱型或管狀。富勒烯在結(jié)構(gòu)上與石墨很相似，石墨是由六元環(huán)組成的石墨烯層堆積而成，而富勒烯不僅含有六元環(huán)，還有五元環(huán)，偶爾還有七元環(huán)。
3、芳香族：
芳香族化合物（aromatic compounds ）是一類具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物，它們結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易分解，且毒性很強(qiáng)，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，對(duì)人體危害極大。芳香族化合物均具有“芳香性”。
4、能帶：
能帶理論（Energy band theory）是用量子力學(xué)的方法研究固體內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的理論，于20世紀(jì)初期，在量子力學(xué)確立以后發(fā)展起來(lái)的一種近似理論。它曾經(jīng)定性地闡明了晶體中電子運(yùn)動(dòng)的普遍特點(diǎn)，并進(jìn)而說(shuō)明了導(dǎo)體與絕緣體、半導(dǎo)體的區(qū)別所在，解釋了晶體中電子的平均自由程問題。
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