石墨烯材料科學
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
石墨烯材料科學的實例教程
近日，國際頂級學術期刊Nature以“Engineering of robust topological quantum phases in graphene nanoribbons”為題報道了上海交通大學物理與天文學院王世勇特別研究員與瑞士材料聯邦科學與技術實驗室Roman課題組、德國馬普所Klaus Mullen課題組、美國倫斯勒理工大學Vincent Muller課題組以及德國德累斯頓工業大學馮新亮課題組合作的最新成果。他們繼2016年獲得原子級精確的鋸齒型石墨烯納米帶后（Nature 531，489，2016），再次取得突破，首次合成具有拓撲性質的石墨烯納米帶。瑞士聯邦實驗室Oliver Groning，上海交通大學王世勇，德國馬普所Yao Xuelin為文章的共同第一作者。該工作同時被Nature news and views 亮點報道(Nature 560, 175-176, 2018; Nature 560, 209-213, 2018)。
a 在石墨烯納米帶中實現SSH模型；b 表面化學合成方法得到結果原子級精確的石墨烯納米帶；c 石墨烯納米帶的結構及電學性質
石墨烯納米帶作為準一維的石墨烯納米結構，由于量子限域效應和邊界效應，其電子結構與其寬度和邊緣結構密切相關。理論研究表明，具有扶手椅形邊緣結構的石墨烯納米帶呈現半導體性，其帶隙隨納米帶寬度的減小而增加；而具有鋸齒形邊緣結構的石墨烯納米帶表現出自旋極化特性。尤為奇特的是，特定非規則邊緣的石墨烯納米帶具有新穎的拓撲特性。2017年，伯克利大學Steven Louie組預測邊緣結構交替的石墨烯納米帶結構具有拓撲保護的界面態，進而可以用來調控一維的拓撲量子態，實現Su-Schrieffer-Heeger模型（圖a）。
展開 雖然硬件、軟件和各種設計機制對3D打印至關重要，但材料科學是這一先進技術的核心，這一技術不斷滲透到當今的主流。使用金屬和碳纖維進行3D打印現在特別受歡迎，并且變得更加經濟實惠且可供所有人使用，而最初僅限于擁有更多財務資源和研究能力的工業公司。石墨烯，有時被稱為“半金屬”，由于其超輕的重量和令人難以置信的強度而被吹捧為充滿神奇能力的材料 - 遠遠超過鉆石甚至鋼材。
現在，來自印度的兩位研究人員在“石墨烯綜合應用：重視生物醫學問題”的論文中發表了研究結果，探討了石墨烯在3D打印中的應用，以及暴露在細胞中可能產生的毒性。石墨烯的獨特之處在于它是一種2D結構，具有令人難以置信的強度、剛性和令人興奮的品質，如導電性。當用于生物醫學應用時，例如創建支架以促進活細胞生長或用于藥物遞送，生物成像，甚至生物傳感，存在對其安全性的擔憂。
這種獨特材料的合成通過自上而下或自下而上的方法進行，分別使用化學燒蝕、電化學氧化或等離子體處理，或用相當大的石墨烯片向上堆積。正如最近評論的科學家所指出的那樣，氧化石墨烯（GO）被認為是生物醫學用途中最柔韌的，與RGO一起使用，RGO是一種氧化程度較低的形式，兩者都具有更好的水溶性。
隨著時間的推移，研究人員已經開始研究各種溶劑，但這又提高了毒性的可能性，這就是為什么現在有一種更環保、更純粹的方法來制造優質石墨烯片的趨勢，例如那些采用高速剪切混合技術的石墨烯。對可能有毒的化學品的需求。由于石墨烯在生物醫學應用中具有令人難以置信的潛力，再次應用于藥物遞送，包括基因和蛋白質，以及作為生物傳感器，抗微生物劑和組織工程的石墨烯基質，因此繼續在這一領域研究是十分重要的。
“支持其臨床應用的GO的壓倒性特性是兩親性、表面官能度、熒光猝滅能力和表面增強拉曼散射性質。
展開 不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經過5年的發展，人們發現，將石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不遠了。
盧紅斌教授給了石墨烯三個“最”：現有材料中厚度最薄，僅0.335納米；強度最高，是鋼的100倍；導熱性最好，比金屬銀還高10倍以上，此外其電子遷移率極高，比硅還高2個數量級。這種新型二維材料，在智能裝備、航空航天、能源儲存和環境治理等諸多領域應用潛力巨大，是重要的戰略新興材料。然而，如何實現高質量石墨烯的高效率、規模化制備一直是制約其大規模應用的關鍵難題。
其實，石墨烯是天然存在于自然界中的，制備的理想解決方案是從天然鱗片石墨出發，將其在特定溶劑液相中剝離成石墨烯。換句話說，由于石墨烯是疏水的，需要在剝離的環境液體中加入大量活性劑，否則難以剝離。常見做法，往往制備1噸石墨烯，需要加入3噸高錳酸鉀等氧化劑，讓其變為氧化石墨烯，剝離后再還原，這一過程中氧化、還原，以及清洗產生的廢水不少，而且也讓石墨烯失去了一些特有的性質。
如何克服這些問題？該課題組研究人員采用一種非穩定分散的策略，通過在石墨烯表面引入極少量的可電離含氧官能團，實現了在極高濃度下的快速、高產率剝離，剝離產物90%以上為單層石墨烯，且晶格缺陷少，從而有效解決了石墨烯規模化應用中的儲存和運輸問題。此外，該方法制備的石墨烯水相漿料表現出了良好的流變特性，可直接通過3D打印制備各種形狀的石墨烯氣凝膠，從而為石墨烯在儲能、環境治理、多功能復合材料等領域的應用開辟了新途徑。
來源：新材料技術前沿
傳播最新最全的材料科學技術，包括金屬材料成形、熱加工、陶瓷冶金，機械加工、粉末冶金、表面處理技術、熱處理、3D打印技術等相關材料科學技術。提供各種材料科學的視頻課程、新技術、專家答疑。
展開 近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心教授王兵和副教授趙愛迪研究團隊與清華大學助理教授徐勇、教授段文暉以及美國斯坦福大學教授張首晟合作，成功制備出具有純平蜂窩結構的單層錫烯，并結合第一性原理計算證實了其存在拓撲能帶反轉及拓撲邊界態。相關研究成果11月5日在線發表在《自然·材料》（Nature Materials）雜志上。
類石墨烯結構的IV族元素二維晶體材料及其物性研究，是當前凝聚態物理學和材料科學領域的重要焦點。其中，基于元素錫(Sn)的二維類石墨烯晶體錫烯(Stanene)因其具有很強的電子自旋-軌道耦合，被認為是繼石墨烯后又一種具有優越物理性質的新型量子材料。2013年前后理論物理學家們預言，錫烯中由于pxy軌道具有遠強于pz軌道的自旋軌道耦合效應，因此s-p軌道的能帶反轉可以在布里淵區中心打開數百毫電子伏的巨大能隙；更巧妙的是，由于pxy軌道是平面內的，所以其拓撲性更為魯棒，不易受到襯底和吸附物的影響和破壞。因此，錫烯是一種理想的大能隙二維拓撲絕緣體，有望實現室溫量子自旋霍爾效應，在拓撲電子學器件應用方面具有重要意義。理論同時還預言了錫烯有可能被調控實現拓撲超導態、優越的熱電效應、近室溫的量子反常霍爾效應等新奇特性。過去幾年中，國內外多個研究組在不同的襯底表面制備了單層錫烯，但由于受襯底影響，這些已制備出的錫烯都具有非平面的翹曲結構且均未表現出拓撲物性。如何制備出具有拓撲特性的錫烯，成為二維類石墨烯材料物性研究亟待突破的重要難題。
純平蜂窩結構錫烯的制備和原子尺度形貌圖（1-3）、結構模型（4-5）、理論計算（6）和實驗觀測到的電子能帶結構（7-8）。
經過近三年反復摸索，研究團隊利用低溫分子束外延技術成功制備出了具有拉伸晶格結構的單層錫烯。
展開 基于石墨烯的散熱器可以提供不同的厚度，從20μm到100μm，導熱系數高達3200 W/(mK)。此外，垂直排列的石墨烯基TIM可在Z方向上提供高達1000 W/(mK)的導熱系數。此外，據稱可以提供導熱系數>10 W/(mK)的石墨烯基導熱脂。石墨烯薄膜的真正商業應用似乎是在Mate 20手機上。石墨烯組裝膜可以有效地降低感知溫度。為了進一步降低溫度，需要大幅度提高石墨烯薄膜的質量。
04
結論
組分優化和微觀結構改造是提高復合材料力學和保溫性能、促進復合材料功能化和產業化的最有效和最具說服力的策略。高質量二維材料的大規模生產一直被認為是其工業應用的主要障礙。由于對石墨烯和相關二維材料的強烈興趣，在過去的幾年里，二維材料的生產取得了很大的進展。利用CVD法制備大面積連續石墨烯，研制了卷對卷系統。LPE方法使得大量生產石墨烯和其他二維材料的成本低廉，這使得石墨烯和相關二維材料作為復合材料的填料，以及石墨烯和BN薄膜作為散熱器成為現實。這些使能技術為二維材料在工業中的熱管理應用鋪平了道路。本文對石墨烯和其他二維材料從科學到工程再到最終應用的各個方面的現狀進行了批判性的分析和總結。希望它能引發進一步的科學研究，并在這一領域開發更多的商業應用。
展開 
石墨烯材料科學的相關專題、標簽、搜索
石墨烯材料科學的最新內容
來源 | Nature Communications
00
背景介紹
氣凝膠、泡沫和海綿等多孔材料具有許多獨特的機械、熱學、電學和化學性能，在隔熱、吸附、傳感器、催化、儲能等方面具有廣闊的應用前景。各種柔性多孔材料，包括可壓縮的、可彎曲的和可拉伸的多孔材料，已經通過優化它們的多孔微結構而得到廣泛的研究。其中，可拉伸氣凝膠和泡沫尤其具有吸引力，因為它們在柔性應變
來源 | ACS Applied Nano Materials
01
背景介紹
隨著無線通信平臺和便攜式電子產品向高集成度、小型化、輕量化、高功率密度方向快速發展，全球電磁輻射污染日益嚴重。嚴重的電磁干擾(EMI)不僅會干擾電子設備的正常工作，而且會對人體健康和其他生物系統產生不利影響因此，人們致力于通過制造各種具有獨特結構特性的電磁干擾屏蔽材料來緩解電磁輻射問題
來源：研究與開發
作者：龔美 陳益民
單位：廣東工業大學
摘要：
近日，工業和信息化部、國務院國資委發布“關于印發前沿材料產業化重點發展指導目錄（第一批）的通知”，本批指導目錄收錄了15種前沿材料，其中高性能氣凝膠隔熱材料、石墨烯、液態金屬列入其中。
前沿材料代表新材料產業發展的方向與趨勢，具有先導性、引領性和顛覆性，是構建新的增長引擎的重要切入點。據了解，本次列入目錄材料是已有相應研究成果，具備工程化產業化基礎，有望率先批量產業化的前沿材料
文獻來源
2023年2月10日的science論文《 Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons 》，通訊作者是國家納米科學中心戴慶研究員，西班牙光子科學研究所Javier García de Abajo教授。
論文重點：通過給石墨烯施加不同的電壓，實現了電磁波從正折射到負折射的轉變。
模型介紹：
具有高焓值的有機相變材料（PCM）是理想的儲熱和放熱材料，有望促進熱能利用，緩解能源短缺問題。然而，普通有機相變材料固有的吸光性差、導熱性差、形狀穩定性弱等缺點嚴重制約了太陽能的吸收、轉化和利用。近日，北京化工大學李曉鋒教授、于中振教授團隊通過在 2800 °C 下進行單向冷凍、凍干、碳化和石墨化，首次設計出了由預氧化聚丙烯腈（OPAN）/氧化石墨烯（GO
來源 | 2D Materials
摘要：自從發現石墨烯是單原子層以來，已經過去了近15年。期間已有許多論文發表證明其高電子遷移率，優異的熱、機械和光學性質。最近看到石墨烯在商業產品中的應用越來越多。本文綜述了石墨烯和其他二維基材料的熱性能研究現狀，包括制備和表征技術及其在電子和功率模塊中的應用。從本文中可以明顯看出，石墨烯已經滲透市場，并在商業電子熱管理領域得到越來越多的應用
來源 | Carbon
01
背景介紹
隨著晶體管密度的增加，先進制程的芯片需要更強大的散熱能力來保證電子器件的可靠性。目前，柔性熱界面材料(TIMs)作為TIM被用在芯片散熱的應用中。在實際應用中，熱導率和結構穩定性是TIMs的兩個重要參數。優異的結構穩定性是保證高導熱
來源 | Carbon
01
背景介紹
隨著電子器件向小型化、集成化、高頻化的快速發展，在有限的空間內不可避免地會產生嚴重的電磁干擾(EMI)和熱量積累。這會大大降低了電子元件的可靠性，如果不及時消散，甚至可能引發故障或火災。在這種情況下，采用具有優異的電磁屏蔽性能和熱管理性能的材料來解決上述問題是非常理想的方式之一。
含碳導熱填料由于其熱導率高
The lightest solid material in the world 石墨烯氣凝膠 世界上最輕的固體材料 近年來，石墨烯作為一種新興的二維碳納米材料，因其獨特的光學、電學、熱學、力學等性能而被廣泛研究。將石墨烯組裝成三維形式已經成為石墨烯領域研究的一個重要方向，其中，石墨烯氣凝膠以其世界最輕之記錄吸引了全球的目光。 石墨烯氣凝膠是一種由納米顆粒或者聚合物分子相互聚集而形成的三維多孔
