新研究表明：吐司面包和衣服也能转化为石墨烯！

美国莱斯大学科学家曾开发出激光诱导产生的石墨烯(LIG),近日他们改进了这项技术,有望制造出“可食用”的新型电子产品。

石墨烯,是一种具有战略意义的新材料。从结构上说,它是由单层六石墨角形蜂巢结构组成的碳原子薄片。正由于其结构独特,所以它具有许多优异的特性,例如:高强度、超轻薄、不透水、导电导热性好、柔韧性好等等。

石墨烯应用领域非常广,包括:柔性电子、高效晶体管、新型传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗等等。科学家预言,石墨烯极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

然而,目前来说影响石墨烯大规模生产和工业应用的主要障碍就是制备方法。不过,之前笔者介绍过一些有关石墨烯制备方法的创新成果。

1)欧盟石墨烯旗舰项目和英国剑桥大学石墨烯中心的科研人员一起开发的一种新工艺,它能生产出高质量、高浓度、水基的石墨烯导电油墨。该工艺使用了微流化法的超高剪切力,从石墨中剥离出石墨烯薄片,它能将原始的石墨材料100%转化为有用的导电油墨片,并且无需离心分离处理,节约了生产油墨的时间。

2)美国堪萨斯州立大学物理学家团队开发出一种利用“爆炸法”高产量制备石墨烯的途径,整个工艺主要利用了三种元素:碳氢化合物气体、氧气和火花塞。

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3)澳大利亚科学家成功研发一种新制备方法,利用大豆作为原料生产出石墨烯,同样该方法也可将地沟油转化为石墨烯,既低成本、又环保。

4)韩国科学技术院科学家使用激光诱导单晶碳化硅(SiC)的固态相位分离制作石墨烯,这也表明了激光技术可以分离复杂化合物(SiC),使之成为超薄的碳原子和硅原子。

然而,美国莱斯大学科学家也曾经开发出激光诱导产生的石墨烯(LIG)。近日他们改进了这项技术,有望制造出“可食用”的新型电子产品。

这项新型研究发表于美国化学会杂志《ACS Nano》,它演示了激光诱导产生的石墨烯可以被烧入纸张、纸板、衣服、 煤炭和特定食物,甚至是吐司面包中。

莱斯大学实验室化学家 James Tour 曾将女童军饼干转变为石墨烯,现在正在研究将石墨烯图案写入到食物和其他材料上,从而快速地将导电识别标签和传感器嵌入到产品自身中。Tour 表示:“这不是墨水。这是将材料本身转化为石墨烯。”

Tour 实验室认为“任何具有适当碳含量的物品都可以转化为石墨烯”,而这项工艺正是这一论点基础上的拓展。最近这些年,实验室在这一方法基础上开拓研究,通过商用激光改变廉价聚合物薄膜的顶层,从而制造出石墨烯泡沫材料。这种泡沫材料由交联的微型石墨烯薄片组成,而石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料。

多束激光通过一个散焦的光束传递,使得研究人员能够将LIG图案写入到衣服、纸张、椰子壳和软木上,也包括吐司。(这种面包先经过烘烤再“碳化”其表面。)这项工艺可在空气中以及室温条件下展开。

Tour 表示:“在某些情况下,多束激光会制造出两步反应。第一步,激光通过光热的方式将目标表面转化为无定形碳。然后,在随后的激光传输过程中,选择性吸收的红外光线将无定形碳转化为LIG。我们发现波长是很重要的因素。”

当研究人员发现,通过简单调高激光器的功率无法在椰子或者有机材料上制造出更好的石墨烯时,他们开始转向多束激光和散焦。然而,调整这一工艺将使得他们通过两次激光照射椰子皮,制造出一种微型超级电容,形状好似莱斯大学的首字母“R”。

散焦激光加速了许多材料的制作工艺,因为更宽的光束让目标上的每个点都可以在单个光栅扫描下被激光照射很多次。Tour 说,这也使得研究人员可以很好地控制产品。散焦让它们可以将之前不适合的聚醚酰亚胺转化为LIG。

论文的合作领导作者之一、莱斯大学的研究生 Yieu Chyan 表示:“我们也发现,我们可以在面包或者纸张或者衣服中加入阻燃剂,促进无定形碳的形成。现在,我们能够利用所有这些材料,并在空气中直接转化它们,而无需可控的空气箱或者更加复杂的方法。”

Tour 表示,所有目标材料的通用元素是木质素。木质素是一种复杂的有机聚合物,可以形成刚性的细胞壁。之前更早的研究将它作为一种碳前体,燃烧全干材中的LIG。软木、椰子壳和土豆皮具有更高的木质素含量,从而更容易转化为石墨烯。

LIG 能以图案的形式写入到目标材料中,并作为超级电容使用。超级电容是一种电催化剂,可用于燃料电池、RFID 天线、生物传感器以及其他应用。

Tour 表示:“我们通常不会看到某些东西的优点,直到我们将它实现。也许所有的食物都会具有一个小型RFID标签,其中含有是生产地址、生产日期、生产的国家和城市、以及带到你桌子上的途径。”他说,LIG 标签也可以做成检测大肠杆菌和食品上其他微生物的传感器。Tour 表示,“它们可以发光,并向你发送一个信号,让你不会想吃它。所有这些都不是安装在食品上的独立标签,而是安装在食品本身中。”

Tour 表示,柔性可穿戴电子器件将成为这项技术的早期市场。他说:“它的应用包括,将导电线放置到衣服上,你可以用它加热衣服,或者增加传感器或导电图案。”

【2】Yieu Chyan, Ruquan Ye, Yilun Li, Swatantra Pratap Singh, Christopher J. Arnusch, and James M. Tour. Laser-Induced Graphene by Multiple Lasing: Toward Electronics on Cloth, Paper, and Food. ACS Nano, 2018 DOI: 10.1021/acsnano.7b08539