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    下一個(gè)目標(biāo)：石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度

    在實(shí)驗(yàn)室里，高超和許震制成了幾十米長(zhǎng)的石墨烯纖維。“用石墨烯納米片紡成十米絲的難度，相當(dāng)于用普通打印紙疊成一千公里長(zhǎng)繩子的難度。”

    高超說(shuō)：“石墨烯很難溶解，難以開(kāi)展對(duì)其液相性質(zhì)的深入研究。另外，由于溶解度低、缺少組裝方法，如何實(shí)現(xiàn)石墨烯有序排列的宏觀纖維是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。”

    他們使用了一種叫濕法紡絲的工業(yè)方法。通過(guò)氧化，他們先將石墨變成氧化石墨烯，這是一種易溶解的石墨烯衍生物。高濃度的純氧化石墨烯溶液看似半固體半液體的分散液，可以像黏稠的液體一樣流動(dòng)，但是，其中的氧化石墨烯片卻自發(fā)地整齊排列。

    要知道，紡絲時(shí)必需讓所有的石墨烯片沿纖維的軸向排列，否則，只要有一片石墨烯“不聽(tīng)話(huà)”而橫向排列，就會(huì)形成纖維的缺陷，極容易在此處斷裂而無(wú)法進(jìn)行連續(xù)紡絲。高超解釋?zhuān)骸罢且驗(yàn)檫@種有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得我們得到的液晶分散液可以很好地用于纖維的紡制。”然后，采用化學(xué)還原的方法將其處理，就得到了可以導(dǎo)電的石墨烯長(zhǎng)纖維。

    通過(guò)液晶紡絲，制得了石墨烯連續(xù)纖維，開(kāi)辟了由天然石墨室溫制取純碳基纖維的新通道。纖維導(dǎo)電性好、強(qiáng)度高、韌性佳，可打結(jié)，也可編織成各種導(dǎo)電織物。這種石墨烯纖維在柔性器件及高性能復(fù)合材料等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

    雖然石墨烯并不是第一個(gè)用于連續(xù)制備纖維的碳材料(在這之前還有傳統(tǒng)的碳纖維和碳納米管纖維)，但是石墨烯纖維有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。高超介紹說(shuō)：“碳纖維需要高溫處理(高于1000攝氏度)才可以得到，而我們的石墨烯纖維在室溫下用水溶液紡絲即可制得，其制備過(guò)程相當(dāng)方便快捷、綠色環(huán)保”。

    如何提高石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度是高超小組的下一個(gè)目標(biāo)。他們初步制備的石墨烯纖維有著一些結(jié)構(gòu)上的缺陷，從而降低了它的力學(xué)性能。“盡管現(xiàn)在石墨烯纖維的力學(xué)強(qiáng)度與碳纖維相比還有較大的差距(其韌性遠(yuǎn)優(yōu)于碳纖維)，但我們相信其進(jìn)一步提高的空間還很大”。

    當(dāng)然，如果主要利用的是石墨烯纖維的高導(dǎo)電性能，纖維的高強(qiáng)度并不是必須的。研究石墨烯合成的新加坡南洋理工大學(xué)張華教授認(rèn)為：“這種纖維一定有它的用武之地，例如可能用于觸摸面板、傳感器或者功能織物等”。

    ■延伸閱讀

    為揭開(kāi)手性之謎鋪路

    “從學(xué)術(shù)上講，可以說(shuō)開(kāi)拓了二維納米材料手性液晶和宏觀組裝纖維這兩個(gè)新方向。”這項(xiàng)研究有兩個(gè)方面的重要影響。制成的石墨烯纖維是二維納米材料宏觀組裝纖維方向的成果，那么二維納米材料手性液晶指的是什么？

    通過(guò)與高超教授的交談，記者了解到，原來(lái)這是一篇文章中的兩項(xiàng)重要成果。簡(jiǎn)言之，如果獲得了石墨烯長(zhǎng)纖維是一種創(chuàng)造，那么前者就是一種發(fā)現(xiàn)。

    首先我們先要了解，什么是手性？這種情形像是鏡子里和鏡子外的物體那樣，看上去互為對(duì)應(yīng)。由于是三維結(jié)構(gòu)，它們不管怎樣旋轉(zhuǎn)都不會(huì)重合——如果你注意觀察過(guò)你的手，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的左手和右手看起來(lái)似乎一模一樣，但無(wú)論你怎樣放，它們?cè)诳臻g上卻無(wú)法完全重合。

    “宇宙大爆炸以后就形成了手性，只要有螺旋就有手性，常見(jiàn)物質(zhì)如基因、蛋白質(zhì)、氨基酸都是手性的。”高超解釋說(shuō)，但這些都是小分子或一維結(jié)構(gòu)的。迄今為止，二維粒子的手性液晶還未被發(fā)現(xiàn)。那么，二維粒子手性液晶相是否存在？又如何才能形成螺旋排列結(jié)構(gòu)？研究提出的“扭曲層狀塊模型”就解開(kāi)了二維膠粒如何形成連續(xù)螺旋結(jié)構(gòu)的謎題。“它能增加知識(shí)、擴(kuò)大認(rèn)識(shí)，使我們了解物質(zhì)的液相結(jié)構(gòu)規(guī)律，為最終揭開(kāi)手性的秘密鋪了一塊石級(jí)。”