石墨烯是一种完全由sp
由杂化碳原子形成的二维薄片晶体材料，其厚度仅为一到几个原子层。这种材料具备稳定的碳原子间共价连接，并且其杂化方式为sp
石墨烯经过杂化处理后，展现出极好的载流子传输效率、热量传导能力，以及突出的抗变形性能。这种材料多借助化学分解技术来制备。采用分解技术时，一般先从整块石墨入手，再借助物理或化学手段将其分解成极薄的片层。通过累积微小单元的方式制造石墨烯，常使用化学蒸汽沉积技术，这种方法能够生成单层或复层的石墨烯膜。但是，通过化学气相沉积法获得的石墨烯，其产出率通常很低，若要实现石墨烯的大规模制造，这种制备方式显然并不适用。为了改善石墨烯的产出效率，Duy X. Luong及其团队(Nature577, 647–651 (2020))采用了一种成本效益高的焦耳热闪蒸方法，这种技术能够将各类碳材料，包括石油焦炭、煤炭、轮胎以及塑料废弃物，在不到百分之一秒的极短时间内转化为克规模的石墨烯！不过，闪蒸法制备的石墨烯其精确的晶体构造和微观构造，仍需科研人员继续深入探索。
成果简介
最近美国莱斯大学的Boris I. Yakobson和James M. Tour教授在石墨烯的高效转变领域获得了显著成果。他们借助拉曼光谱的研究表明，快速蒸发的石墨烯主要由涡轮状的层状石墨烯片以及卷曲的石墨烯片构成，关键在于这些片状结构之间存在旋转上的不匹配。值得注意的是，卷曲的石墨烯片带有非晶态碳的性质。作者注意到，调整样品中的即时电流能够改变石墨烯的优劣。常规的加热退火过程容易生成褶皱结构的石墨烯，这种石墨烯的平面排列混乱，几乎没有定向性，而让电流直接作用于材料则可能制造出优质的螺旋状闪蒸石墨烯。螺旋状石墨烯在受力时很容易被分离，所以焦耳热闪蒸方法具备大规模制造优质螺旋状闪蒸石墨烯的潜力。这项研究以篇名为《Flash Graphene Morphologies》的文章发表在权威学术期刊ACS Nano上。
图文详解
图1焦耳热闪蒸技术的作用原理
作者最初选用炭黑作为原料，当强大的电流通过炭黑，会立刻引发高达30 kW的巨大能量消耗，由此产生的热量在极短的时段内（数十毫秒）将炭黑急剧升温至3000 K左右，接着在数秒内降至常温。在释放能量的过程中，炭黑被迅速加热并立刻完成石墨化转变，从而制造出瞬态石墨烯。作者指出，这种短暂的大功率消耗是迅速产生焦耳热的关键因素，同时也是形成闪蒸石墨烯的必须前提。
图2快速焦耳热产物微观形貌分析
透射电镜下观察闪蒸石墨烯，可见细小碳粒表现出显著的石墨化特征，表面呈现弯曲的微观构造。图中闪蒸石墨烯块体由3至8层薄片堆叠构成，这种形态类似未石墨化的碳，研究者将其命名为褶皱石墨烯。一般而言，若相邻石墨烯片层间存在旋转错位，图像中会出现清晰的条纹状斑点闪蒸石墨烯的晶体构造表明，该样品包含卷曲状的闪蒸石墨烯薄片和细小的石墨颗粒，这两种形态的石墨烯原子间距离是0.34纳米，这种原子间距特征与卷曲层状材料的性质相吻合。
图3快速焦耳热产物形貌和物相结构分析
透射电子显微镜观察显示，图像中的暗色结晶体构成了一种网状构造的旋涡式闪变石墨烯薄片，这种构造相对容易分离成片。通过对比各类碳质样品的物相构成检测发现，X射线衍射图谱中的（002）衍射峰以及（100）特征峰均与旋涡状层叠石墨烯的晶体构造相吻合。值得留意的是，图示中涡轮形闪蒸石墨烯薄膜的（002）特征线更为清晰，这说明该材料在c轴方向上的晶粒尺度更为可观。
图4闪蒸石墨烯形成的分子动力学模型
研究者运用分子动力学技术来重现焦耳热闪蒸现象，其初始构造包含约66%的炭黑核心微粒以及约34%的非晶态碳。经过1000 K条件下5纳秒的预处理，该材料接着被置于升温环境中，随后在3500 K的恒温状态下进行热处理，期间同步检测了材料的石墨化状态和Herman的取向因子。实验结果显示，样品在加热时，其石墨化水平从60%大幅度提升到85%，而变化最剧烈的阶段出现在升温初期，这一点非常突出。另外，与无定形碳相比，材料核心颗粒的移动性显著减弱，这种现象产生的原因是缓慢加热使得石墨块心部位的石墨化程度逐步加深。邻近区域中的非晶态碳原本存在的微观构造迅速转变为石墨形态，进而构成了一层类石墨烯的表面覆盖层。不仅如此，即便在高达125纳秒、3500开尔文的长时间热处理期间，石墨烯的排列方向并未出现显著改变，仅发现存在褶皱形态的石墨烯。通过这些实验现象可以得知，该材料在实施基础的热处理操作后，倾向于形成具有褶皱特征的石墨烯。
图5石墨烯生长过程表征
在充足加热时段内，闪蒸石墨烯细小片段慢慢聚集，接着开始叠放，由此构成更为完整的石墨烯结构。具体来说，当闪蒸时长抵达15毫秒以上，碳原料的导电性显著降低，显示碳原料整体呈现断续状态。与此同时，流动碳逐渐形成，处于表层的微小颗粒开始孕育核心，最终在碳质颗粒的上端生成旋涡状闪蒸石墨烯。涡轮形闪蒸石墨烯晶面的间距有所扩展，层与层之间的范德华力变得松散，因而更易出现层间分离现象。从剥离后石墨烯的拉曼光波图谱可以得知，所获取的产物里包含着品质优良的石墨烯。
总结展望
研究者运用焦耳热闪蒸方法合成了石墨烯材料。这种闪蒸石墨烯主要由涡轮层状石墨烯片和褶皱石墨烯组成。其中，焦耳热闪蒸的持续时长会决定闪蒸石墨烯的物相构成，同时调控涡轮状闪蒸石墨烯片与褶皱石墨烯的相对含量。研究者指出，要得到优质的涡轮状闪蒸石墨烯，闪蒸时间需维持在30至100毫秒的范围内。尤为关键的是，漩涡形闪蒸石墨烯在受力切割时容易分层，所以这项工艺势必会给石墨烯的工业化应用带来重大变革。
文献信息
Flash Graphene Morphologies
该网址指向美国化学会纳米分会出版的文献，具体文章编号为0c05900，发表在ACS Nano期刊上，内容涉及纳米材料的研究进展。
