用大豆油如何製造石墨烯？

最近，發表在《自然·通訊》[1]上的一篇研究論文稱，能用大豆製造出性能優良的石墨烯。聽起來，這技術好厲害，那麼，研究人員究竟是如何用大豆油製造出石墨烯的呢？

一．何為石墨烯？

石墨烯是只有一個碳原子厚度的平面薄膜，於2004年才在實驗室被發現，它的發現者們還因此獲得了2010年的諾貝爾獎。石墨烯是目前世界上最薄也是最堅硬的納米材料，其強度是鋼的百倍，同時也是電阻率最小的材料，其電流傳遞速率比硅材料快百倍。所以能利用石墨烯生產出更快的計算機、能用作觸摸屏、太陽能電池，衛星新材料等。但儘管石墨烯性能強大，應用廣泛，但製作流程耗時耗力，故而價格是等質量黃金的15倍，素有「黑黃金」之稱。

二．製造流程

目前為止，最簡單粗暴的獲取石墨烯的方法是——撕膠帶。撕膠帶？對，就是讀者們理解的「撕膠帶」，用膠帶粘到石墨上，手工把石墨烯剝下來（圖-1）。這種機械分離法可直接將石墨烯片從較大的晶體上裁剪下來。

圖 - 1：2010年石墨烯發明者捐贈給諾貝爾博物館的物品：一塊石墨，兩片石墨烯晶體管，還有粘出石墨烯的膠帶（圖片來源：維基百科）

除此以外，還可以在高真空下加熱單晶碳化硅，得到石墨烯。或者用化學氣相沉積法，讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，再剝下形成的石墨烯薄層。而這些方法要麼需要真空環境，要麼需要特殊氣體，都難以在工業上得到大規模使用，而用大豆製造石墨烯是怎樣做的呢？

大豆實驗具體操作如下（圖2）：實驗是在一個氣相沉積熔爐中進行。熔爐的加熱區域有兩片氧化鋁，一片上面放有大豆油，另一片上面放有作為生長基質的多晶鎳薄膜。大豆油的作用很明顯，就是製造原料，而鎳薄膜作為生長基質，又是什麼意思呢？簡單理解就是一個附載體，神奇的石墨烯將在這裡「長出來」。把原料各放各位後，接下來就是加熱階段，先是以每分鐘30℃的速度加熱到800℃，維持3分鐘。而後再冷卻，樣品冷卻的過程就會在鎳薄膜上生成均勻的、源源不斷的石墨烯。但事情到此並沒有結束。雖然生成了石墨烯，但石墨烯還牢牢地拽著鎳薄膜不分手。所以下一步就要轉移，把石墨烯和鎳薄膜這對鴛鴦生生分開，這就需要聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。PMMA也就是俗稱的有機玻璃，是一種價格便宜的粘合劑，它可是「情場高手」，將與鎳薄膜難捨難離的石墨烯「忽悠」得跟它走。研究人員將PMMA旋塗在黏在鎳薄膜上的石墨烯上面，經過12小時的自然風乾後，鎳薄膜——石墨烯——PMMA三者相連，但在氯化鐵溶液中，鎳薄膜會溶解「不幸犧牲」，而PMMA則攜帶石墨烯，像一片膜一樣漂浮在溶液表面，用去離子水反覆沖洗這層膜，然後將它轉移到玻璃片上。但可惜PMMA和石墨烯的「溫存」沒多長時間，研究人員又用丙酮洗去了PMMA。這樣，大豆油高溫變身石墨烯，再經兩度分手，它終於獲得「自由身」了。

圖-2：實驗流程圖（節選自研究論文，經作者漢化）

三．個中機理

看起來大豆油歷經大難，終得真諦，如此圓滿讓人唏噓不已！但等等，欸，大豆油是咋成石墨烯了呢？唐三藏取經成佛，我們還能接受，這大豆油和石墨烯看起來風格迥異，卻是怎麼聯繫在一起的呢？

答案就在於碳。

大家很熟悉大豆油，畢竟誰沒吃過呢。它的主要成分是脂肪酸，即碳氫化合物，而石墨烯是什麼？是一層碳原子薄膜。在熔爐加熱過程中，大豆油中的物質斷鍵形成乙基，甲基等短鏈碳氫化合物。實際上，在425℃時，大部分豆油都蒸發成了各種氣體，如二氧化碳，丙烷等。而隨著溫度繼續升高到800℃，這些氣體分離成碳原子，並溶解在鎳薄膜上。維持800℃達3分鐘，是讓碳原子與鎳薄膜緊密結合。而在冷卻階段，碳原子從鎳薄膜內分離出來，並在薄膜表面結晶，這就形成了石墨烯。所以說高溫冷卻這一過程中，大豆油是肉身涅槃，再塑「金身」，也一點都不為過。

圖3：大豆油高溫「涅槃」成石墨烯（網路圖）

而大豆油除了為石墨烯提供碳來源外，也起著保護鎳薄膜的作用。在沒有大豆油的處理組中，加熱過後，鎳薄膜內含有大量氧元素；而加入了大豆油後，加熱過程中產生的小分子物質消耗了熔爐內的氧氣，從而避免了鎳薄膜的氧化。

圖-4：簡單機理圖（圖片為作者手繪）

整個實驗的機理簡單來說就是（圖-3），大豆油受熱後分解成甲基、乙基等小分子，這些物質同時消耗了熔爐內的氧氣。隨著溫度升高，含碳物質繼續分解，直至化為碳原子。而冷卻後，碳原子則成了石墨烯。

四．無限前景

此機理說起來也是非常簡單，但你知道科學家們嘗試了多少次實驗嗎？為了得到最佳結果，他們不斷地調控溫度，改變反應物質，才得到如今如此簡單的方法。除此以外，科學家發現用地溝油也能造出石墨烯。儘管該研究的科學家們沒能用衣服造出石墨烯來，但也並非不可能呀！

石墨烯的前景，一言以蔽之「極有可能會掀起一場席捲全球的顛覆性新技術、新產業革命」。而這個用大豆油造石墨烯的方法則可能將這場革命拉到了我們的眼前。

圖5：實驗製造出的石墨烯（圖片來源：BBC）

參考文獻

【1】Seo, D.H., et al., Single-step ambient-air synthesis of graphene from renewable precursors as electrochemical genosensor. Nature Communications, 2017. 8: p. 14217.