美石墨烯晶界硬度性能最新研究进展

　　近日，美国哥伦比亚工程研究人员发现，即使由许多石墨烯小晶粒拼凑而成，石墨烯的硬度性能依然卓越。这一发现解决了之前理论模拟与实验之间存在的一些矛盾;之前的理论称石墨烯的晶界硬度是较强的，而试验预测小晶粒石墨烯的硬度要远远弱于完整的石墨烯晶格。该研究近期发表在Science杂志上。

　　石墨烯是由碳的单原子层组成，呈蜂窝晶格状排列。项目的主持者、机械工程师James Hone称，他们的一期科研于2008年就测试了在没有缺陷的情况下石墨烯所能达到的硬度，即石墨烯本身的坚硬性能;但无缺陷的纯净石墨烯只有在极少数条件下才存在。而另一方面，由大量石墨烯小晶粒组成的晶界质材又广泛应用于各种设备中。晶界的硬度又如何，这是之前所未知的。鉴于此，二期科研就利用化学气相沉积法来研究石墨烯薄膜的硬度。结果显示，石墨烯‘给力’回归，坚硬性能较以前更胜一筹。

　　实验证明，常用的CVD生长石墨烯后处理法往往会导致晶界的硬度弱化。哥伦比亚科研团队发明了一种新的加工方法，防止了生成的石墨烯在迁移过程中收到任何影响和破坏。Gwan-Hyoung Lee 称，“我们替换了其中的一种腐蚀剂，并在不影响石墨烯的前提下找到了试验样例。实验很清楚地纠正了之前的错误认识---石墨烯的晶界硬度是很弱的。”这一结论意义非同寻常，它为基础学科的研究和工业应用提供了更多的机会。

　　在完整晶体形态下，石墨烯(一个单原子厚的碳层)是目前为止世界上最为坚硬的物质。在实验第一阶段，研究团队通过机械剥离的方法从石墨晶体上获取到小的、结构完整的石墨烯薄片。但机械剥离是一个非常耗时的过程，远远不能满足石墨烯应用的规模化工业生产。

　　而现在，科学家们能够利用化学气相沉积法，在高温熔炉内的铜衬底上生长出单层石墨烯片。石墨烯的首批应用之一就是时下正流行的柔性显示器的传导层。

　　由于CVD石墨烯是由许多小晶粒凑合到晶界表面的，就像缝被子一样拼凑在一起，这就致使晶界在原子结构方面存在一定缺陷;Kysar称，由石墨烯小晶粒组成的晶界如果比完整的石墨烯晶格更容易破碎，那么它会极大地限制大面积石墨烯质材的强度。鉴于此，了解并深入研究这些石墨烯小晶粒的强度究竟如何就很有必要。

　　哥伦比亚工程研究团队想弄清楚究竟是什么能够让CVD石墨烯的硬度弱化。在测试样例的制造加工过程中，工作人员发现，通常用来移除铜衬底的一些化学物质会对石墨烯造成影响，严重降低其硬度性能。

　　研究发现，大晶粒CVD石墨烯和机械剥离得到的石墨烯相比，其硬度相当，这说明CVD石墨烯的晶格是完好的。而更令人惊讶的是，小晶粒CVD石墨烯，即便是在单个晶界上进行测试，其硬度依然高达90%。

　　“这对于未来石墨烯的应用是个可喜的发现。因为原子尺度的石墨烯小晶粒所拥有的异常硬度能够在各种样例中表现出优越的性能”，Hone称，“随着科学家们研制出新型的柔性电子设备和超硬复合材料，石墨烯小晶粒的硬度价值将更加卓越”。

　　强度大、面积大的石墨烯质材将广泛应用于柔性电子产品等各种设施中，并能潜在地加强其组件性能。诸如像海报一样能卷起来的柔性电视屏幕、能替代碳纤维的超硬复合材料;研究人员预测，亦或像太空升降舱一样，利用CVD石墨烯薄片将轨道卫星和地球连接在一起的科幻应用，将来也大有可能成为现实，因为只有石墨烯(包括它的类似制品诸如纳米碳管)才能胜任高强度的硬度性能要求。

　　对于石墨烯作为二维材料的研究和应用，研究团队也颇有兴趣。Kysar称，“关于二维材料的晶界，人们对其了解甚少;我们的研究显示，相对于三维材料，二维材料的晶界对于加工流程更加敏感，这是因为石墨烯原子本身就位居石墨烯表面，因此，加工造成的表面影响对于三维材料的硬度可能微乎其微，但却能极大地破坏并降低二维材料的硬度。当然，只要采取适当的加工处理方法，避免造成质材表面伤害，像石墨烯这样的二维材料的晶界，简直就是一种完美无憾的超硬材料”。

　　该研究得到美国空军科研办公室和美国国家科学基金的支持。