近日，美國(guó)哥倫比亞工程研究人員發(fā)現(xiàn)，即使由許多石墨烯小晶粒拼湊而成，石墨烯的硬度性能依然卓越。這一發(fā)現(xiàn)解決了之前理論模擬與實(shí)驗(yàn)之間存在的一些矛盾；之前的理論稱石墨烯的晶界硬度是較強(qiáng)的，而試驗(yàn)預(yù)測(cè)小晶粒石墨烯的硬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于完整的石墨烯晶格。該研究近期發(fā)表在Science雜志上。

      石墨烯是由碳的單原子層組成，呈蜂窩晶格狀排列。項(xiàng)目的主持者、機(jī)械工程師James Hone稱，他們的一期科研于2008年就測(cè)試了在沒有缺陷的情況下石墨烯所能達(dá)到的硬度，即石墨烯本身的堅(jiān)硬性能；但無缺陷的純凈石墨烯只有在極少數(shù)條件下才存在。而另一方面，由大量石墨烯小晶粒組成的晶界質(zhì)材又廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備中。晶界的硬度又如何，這是之前所未知的。鑒于此，二期科研就利用化學(xué)氣相沉積法來研究石墨烯薄膜的硬度。結(jié)果顯示，石墨烯‘給力’回歸，堅(jiān)硬性能較以前更勝一籌。

      實(shí)驗(yàn)證明，常用的CVD生長(zhǎng)石墨烯后處理法往往會(huì)導(dǎo)致晶界的硬度弱化。哥倫比亞科研團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新的加工方法，防止了生成的石墨烯在遷移過程中收到任何影響和破壞。Gwan-Hyoung Lee 稱，“我們替換了其中的一種腐蝕劑，并在不影響石墨烯的前提下找到了試驗(yàn)樣例。實(shí)驗(yàn)很清楚地糾正了之前的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)---石墨烯的晶界硬度是很弱的。”這一結(jié)論意義非同尋常，它為基礎(chǔ)學(xué)科的研究和工業(yè)應(yīng)用提供了更多的機(jī)會(huì)。

      在完整晶體形態(tài)下，石墨烯（一個(gè)單原子厚的碳層）是目前為止世界上最為堅(jiān)硬的物質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)第一階段，研究團(tuán)隊(duì)通過機(jī)械剝離的方法從石墨晶體上獲取到小的、結(jié)構(gòu)完整的石墨烯薄片。但機(jī)械剝離是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足石墨烯應(yīng)用的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。

      而現(xiàn)在，科學(xué)家們能夠利用化學(xué)氣相沉積法，在高溫熔爐內(nèi)的銅襯底上生長(zhǎng)出單層石墨烯片。石墨烯的首批應(yīng)用之一就是時(shí)下正流行的柔性顯示器的傳導(dǎo)層。

      由于CVD石墨烯是由許多小晶粒湊合到晶界表面的，就像縫被子一樣拼湊在一起，這就致使晶界在原子結(jié)構(gòu)方面存在一定缺陷；Kysar稱，由石墨烯小晶粒組成的晶界如果比完整的石墨烯晶格更容易破碎，那么它會(huì)極大地限制大面積石墨烯質(zhì)材的強(qiáng)度。鑒于此，了解并深入研究這些石墨烯小晶粒的強(qiáng)度究竟如何就很有必要。

      哥倫比亞工程研究團(tuán)隊(duì)想弄清楚究竟是什么能夠讓CVD石墨烯的硬度弱化。在測(cè)試樣例的制造加工過程中，工作人員發(fā)現(xiàn)，通常用來移除銅襯底的一些化學(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)石墨烯造成影響，嚴(yán)重降低其硬度性能。

      研究發(fā)現(xiàn)，大晶粒CVD石墨烯和機(jī)械剝離得到的石墨烯相比，其硬度相當(dāng)，這說明CVD石墨烯的晶格是完好的。而更令人驚訝的是，小晶粒CVD石墨烯，即便是在單個(gè)晶界上進(jìn)行測(cè)試，其硬度依然高達(dá)90%。

       “這對(duì)于未來石墨烯的應(yīng)用是個(gè)可喜的發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樵映叨鹊氖┬【ЯＫ鶕碛械漠惓Ｓ捕饶軌蛟诟鞣N樣例中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能”，Hone稱，“隨著科學(xué)家們研制出新型的柔性電子設(shè)備和超硬復(fù)合材料，石墨烯小晶粒的硬度價(jià)值將更加卓越”。

       強(qiáng)度大、面積大的石墨烯質(zhì)材將廣泛應(yīng)用于柔性電子產(chǎn)品等各種設(shè)施中，并能潛在地加強(qiáng)其組件性能。諸如像海報(bào)一樣能卷起來的柔性電視屏幕、能替代碳纖維的超硬復(fù)合材料；研究人員預(yù)測(cè)，亦或像太空升降艙一樣，利用CVD石墨烯薄片將軌道衛(wèi)星和地球連接在一起的科幻應(yīng)用，將來也大有可能成為現(xiàn)實(shí)，因?yàn)橹挥惺òㄋ念愃浦破分T如納米碳管）才能勝任高強(qiáng)度的硬度性能要求。

       對(duì)于石墨烯作為二維材料的研究和應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)也頗有興趣。Kysar稱，“關(guān)于二維材料的晶界，人們對(duì)其了解甚少；我們的研究顯示，相對(duì)于三維材料，二維材料的晶界對(duì)于加工流程更加敏感，這是因?yàn)槭┰颖旧砭臀痪邮┍砻?，因此，加工造成的表面影響?duì)于三維材料的硬度可能微乎其微，但卻能極大地破壞并降低二維材料的硬度。當(dāng)然，只要采取適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚矸椒ǎ苊庠斐少|(zhì)材表面?zhèn)?，像石墨烯這樣的二維材料的晶界，簡(jiǎn)直就是一種完美無憾的超硬材料”。

       該研究得到美國(guó)空軍科研辦公室和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的支持。（編譯自Science Daily；翻譯：王現(xiàn)）