Kun grafeenikerrokset pinotaan päällekkäin, ne muodostavat grafiittia. Yksi millimetri grafiittia sisältää noin 3 miljoonaa kerrosta grafeenia. Kevyt kynän veto paperille jättää jälkiä, jotka voivat olla vain muutama kerros tai jopa yksi kerros grafeenia. Täydellisen kaksiulotteisen-rakenteensa ansiosta se toimii toiminnallisena lisäaineena monissa innovatiivisissa tuotteissa.
Kun puhutaan grafeenista, tunnetuin maininta on epäilemättä vuoden 2010 fysiikan Nobel-palkinto, jonka kaksi tutkijaa jakoivat uraauurtavasta grafeenitutkimuksestaan. Fudanin yliopisto ilmoitti äskettäin, että sen tutkijat ovat yhteistyössä Singaporen kansallisen yliopiston tutkijoiden kanssa kehittäneet upo-uuden, tehokkaan-grafeenin valmistusmenetelmän, jonka ydinteknologiaa voidaan helposti laajentaa teolliseen tuotantoon.
Huomionarvoista on, että tutkimusryhmä omaksui täysin päinvastaisen lähestymistavan kuin perinteinen tapa julkaista paperit ensin ja sitten tehdä yhteistyötä yritysten kanssa. He saavuttivat innovatiivisia tuloksia vuonna 2013, hakivat patentin vuonna 2014, siirsivät patentin kotimaiselle yritykselle vuonna 2015 ja julkaisivat havaintojaan verkossa vastaLuontoviestintä8. tammikuuta. Lu Hongbin, yksi tiimin johtajista Fudanin yliopiston makromolekyylitieteen laitokselta ja State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymersista, sanoi hymyillen: "Hyvät asiat ovat odottamisen arvoisia; usein ne muuttuvat paremmiksi jonkin ajan kuluttua kypsymisestä."
Atomiresoluutioinen transmissioelektronimikroskooppikuva (a), Raman-spektri (b), röntgenfotoelektronispektroskopiaspektri (c) ja suuren mittakaavan atomivoimamikroskopiakuva (d) valmistetusta grafeenista; grafeenin paksuusjakauman (e) ja sivuttaisten kokotilastojen (f) käyrät.
Kuva: Dong Lei
Harvat ihmiset ymmärtävät, että grafeeni ei ole vain nimi Nobel-palkintolistalla -, se on jo integroitu kiinteästi jokapäiväiseen elämään. Sitä esiintyy luonnossa maailmassa, vaikka yksikerroksisen-grafeenin eristäminen ei ole helppoa. Pinottu kerros kerrokselta, grafeeni muodostaa grafiittia, jossa 1 millimetri grafiittia sisältää noin 3 miljoonaa grafeenikerrosta. Kynämerkki paperilla voi olla useita tai jopa vain yksi kerros grafeenia. Ihanteellisen 2D-rakenteensa ansiosta se toimii toiminnallisena lisäaineena erilaisissa innovatiivisissa tuotteissa:
· Lisättynä erityisiin polymeeripinnoitteisiin se pidentää käyttöikää erinomaisten sulkuominaisuuksien ansiosta;
· Käytetään johtavana aineena akuissa, sen 2D-rakenne helpottaa nopeampaa elektronien kuljetusta, mikä lisää huomattavasti latausnopeutta;
· Kuituihin ja sähkölämmityslaitteisiin sisällytettynä sen poikkeuksellinen sähkö- ja lämmönjohtavuus parantaa tuotteen suorituskykyä merkittävästi.
Valtavan arvonsa vuoksi paremmista valmistautumismenetelmistä on tullut kilpailutavoite sekä korkeakouluille että teollisuudelle. Kaksi Manchesterin yliopiston tiedemiestä - Andre Geim ja Konstantin Novoselov - löysivät hämmästyttävän yksinkertaisen tavan saada yhä ohuempia grafiittihiutaleita. He kuorivat hiutaleita erittäin orientoidusta pyrolyyttisestä grafiitista, kiinnittivät molemmat puolet erityiseen teippiin ja halkaisivat hiutaleet repimällä teippiä. Tämän prosessin toistaminen tuotti ohuempia ja ohuempia levyjä, mikä johti lopulta hiutaleisiin, jotka koostuivat vain yhdestä hiiliatomikerroksesta: grafeenista. Sen jälkeen on ilmaantunut lukuisia uusia valmistusmenetelmiä, ja viiden vuoden kehitystyön jälkeen grafeenin teollinen -mittakaavatuotanto on tullut ulottuvillesi.
Professori Lu Hongbin antoi grafeenille kolme "maailman parhaan" titteliä:
· Ohuin tunnettu materiaali, paksuus vain 0,335 nanometriä;
· Vahvin materiaali, 100 kertaa vahvempi kuin teräs;
·Paras lämmönjohdin, yli 10 kertaa korkeampi kuin hopea.
Lisäksi grafeenilla on erittäin korkea elektronien liikkuvuus, kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin piillä. Tärkeänä strategisena nousevana materiaalina tällä uudella 2D-materiaalilla on valtava sovelluspotentiaali älykkäissä laitteissa, ilmailussa, energian varastoinnissa, ympäristön kunnostamisessa ja monilla muilla aloilla.
Korkealaatuisen-laadukkaan grafeenin laajamittaisen tuotannon saavuttaminen on kuitenkin pitkään ollut keskeinen pullonkaula, joka rajoittaa sen laajaa käyttöä.
Grafeenia on luonnossa, ja ihanteellinen valmistusstrategia on kuoria luonnollinen hiutalegrafiitti grafeeniksi tietyssä nestemäisessä liuottimessa. Toisin sanoen, koska grafeeni on hydrofobista, nesteeseen on lisättävä suuria määriä pinta-aktiivisia aineita kuorinnan aikana, muuten erottaminen on lähes mahdotonta. Perinteiset menetelmät vaativat tyypillisesti 3 tonnia hapettimia, kuten kaliumpermanganaattia, tuottamaan 1 tonnin grafeenia, joka muuntaa sen grafeenioksidiksi ennen kuorintaa ja pelkistystä. Tämä prosessi tuottaa suuria määriä jätevettä hapettumisen, pelkistyksen ja puhdistuksen seurauksena ja samalla heikentää joitakin grafeenin ainutlaatuisia ominaisuuksia.
Kuinka tutkimusryhmä selvisi näistä haasteista? He omaksuivat epävakaan hajontastrategian tuomalla erittäin pienen määrän ionisoituvaa happea, joka sisältää funktionaalisia ryhmiä-grafeenipinnoille, mikä mahdollisti nopean, -saantoisen kuorinnan ultrakorkeilla pitoisuuksilla. Yli 90 % kuoritusta tuotteesta on yksikerroksista grafeenia, jossa on vain vähän ristikkovirheitä, mikä ratkaisee tehokkaasti varastointi- ja kuljetusongelmat suurissa{6}}sovelluksissa. Lisäksi tällä menetelmällä valmistetulla vesipitoisella grafeenilietteellä on suotuisat reologiset ominaisuudet, ja sitä voidaan käyttää suoraan erimuotoisten grafeeniaerogeelien 3D-tulostamiseen-, mikä avaa uusia mahdollisuuksia grafeenisovelluksille energian varastoinnissa, ympäristönkäsittelyssä, monitoimikomposiiteissa ja muualla.
