石墨烯的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展

徐立靜 楊居一 鄭和平 孔超

摘? ? 要：石墨烯是由sp2方式雜化的C-C鍵排列而成的單原子厚度蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)，具備極其優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，是目前發(fā)現(xiàn)的性能優(yōu)異的材料，近年來(lái)受到化學(xué)、物理、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的極大重視，應(yīng)用前景廣闊，被公認(rèn)為21世紀(jì)的“未來(lái)材料”和“革命性材料”。而分子模擬技術(shù)作為一種新的研究方法，在石墨烯研究中的應(yīng)用具有重要的啟發(fā)和指導(dǎo)意義。本文結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)講述單層石墨烯的部分性能，并對(duì)未來(lái)石墨烯的應(yīng)用前景做出預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：石墨烯;應(yīng)用現(xiàn)狀;分子動(dòng)力學(xué)研究

1? 引言

石墨烯是由單層六角元胞碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維晶體，2004年首先由曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫小組發(fā)現(xiàn)，它是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體，它的發(fā)現(xiàn)推翻了“熱力學(xué)漲落不允許二維晶體在有限溫度下存在”的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，石墨烯也成為了材料學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。石墨烯的奇特之處就在于其具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)：價(jià)帶（π電子）和導(dǎo)帶（π*電子）相交于費(fèi)米能級(jí)處（K和K′點(diǎn)），是一種禁帶寬度幾乎為零的半金屬/半導(dǎo)體材料。

2? 石墨烯的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1? 生物材料領(lǐng)域

石墨烯類(lèi)材料在生物領(lǐng)域中，其所具有的氧化石墨烯可以用來(lái)制成納米抗菌材料，之所以具有抗菌性，是因?yàn)槠鋵?duì)大腸桿菌細(xì)胞膜的破壞。由于具有豐富的材料來(lái)源，這種新型的晶體材料未來(lái)有希望在環(huán)境檢測(cè)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

2.2? 薄膜材料領(lǐng)域

石墨烯與傳統(tǒng)的銦錫氧化物（ITO）相比，石墨烯具有更高的導(dǎo)電性、較好的柔韌性和豐富的資源。是一種新型的二維納米材料。盧瑛等[2]采用界面聚合法，考察了該膜對(duì)氯化鈉的截留性能及耐氯性，并制備了GO-PA（聚酰胺）/PSF（聚砜）混合基質(zhì)反滲透復(fù)合膜。結(jié)果表明，其分離性能優(yōu)于聚酰胺膜，且具有較好的耐氯性。隨著氧化石墨烯含量的增加，膜的通量增大，當(dāng)添加量為0.005%時(shí)，膜具有最大通量，為63L/（m2?h）。這一切都得益于聚酰胺反滲透膜填充氧化石墨烯后。

2.3? 催化材料領(lǐng)域

董如林等[3]在水性體系中合成了TiO2/GO復(fù)合光催化劑，他們是采用了鈦酸四正丁酯及氧化石墨烯作為原料。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化石墨烯添加量超過(guò)5%時(shí)，樣品為T(mén)iO2/GO復(fù)合物，而且TiO2/GO復(fù)合光催化劑的活性隨著GO復(fù)合量的增加而增大，并在10%時(shí)達(dá)到最高。何光裕等[4]發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯與ZnO納米顆粒之間存在電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)，他們制備的ZnO/氧化石墨烯復(fù)合材料中，抑制ZnO中光生電子空穴對(duì)的復(fù)合，提高了ZnO的可見(jiàn)光催化性能。

2.4? 其他領(lǐng)域

石墨烯不僅在以上方面有所應(yīng)用，還將在其他領(lǐng)域發(fā)揮巨大的效能，如用于光子傳感器、納電子器件、作太空電梯纜線(xiàn)、高頻電路、代替硅用于生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)等;近來(lái)人們研究的熱點(diǎn)為石墨烯基質(zhì)復(fù)合材料是以石墨烯與其他成分復(fù)合后制備的材料，同時(shí)具備石墨烯和所復(fù)合材料的優(yōu)越性[5]。它可分為石墨烯-聚合物復(fù)合材料、石墨烯-無(wú)機(jī)復(fù)合材料和其他石墨烯復(fù)合材料3類(lèi)[6]，石墨烯可用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)和飛機(jī)機(jī)翼，在增強(qiáng)復(fù)合材料方面體現(xiàn)了優(yōu)異的性能，超越了碳納米管。此外，石墨烯可用作催化劑載體、熱傳輸媒體、吸附劑等，石墨烯的優(yōu)異性能和特殊結(jié)構(gòu)使得其具有廣泛的應(yīng)用前景。

3? 石墨烯的分子動(dòng)力學(xué)研究

通過(guò)使用AIREBO勢(shì)函數(shù)對(duì)單層石墨烯薄膜的拉伸性能和弛豫性能進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，使之在不同溫度條件（0K-3000K）下，研究單層石墨烯在拉伸過(guò)程中力學(xué)性能與溫度效應(yīng)的關(guān)系以及弛豫過(guò)程中溫度效應(yīng)對(duì)其原子結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明：理想狀態(tài)下單層石墨烯的弛豫是一個(gè)原子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程， 隨著溫度升高， 石墨烯穩(wěn)定性降低， 弛豫過(guò)程中原子的波動(dòng)起伏變得不規(guī)則和劇烈起來(lái)。單層石墨烯的弛豫性能和拉伸性能均對(duì)溫度具有很強(qiáng)的依賴(lài)性。在溫度從0K上升到3000K的過(guò)程中， 單層石墨烯的拉伸強(qiáng)度、拉伸極限應(yīng)變和彈性模量值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)， 且鋸齒型石墨烯的彈性模量對(duì)溫度的依賴(lài)程度比扶手椅型大，薄膜的拉伸隨溫度變化表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)。

通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法，還研究了單層石墨烯在不同溫度下的弛豫和拉伸性能。結(jié)果表明， 單層石墨烯的弛豫和拉伸性能都具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)。此外，單層石墨烯的弛豫是一個(gè)伴隨著內(nèi)部和邊緣原子起伏的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，原子起伏程度隨著溫度升高加深， 當(dāng)溫度高于1500K時(shí)， 薄膜邊緣開(kāi)始出現(xiàn)不規(guī)則原子起伏形態(tài)， 石墨烯所具有的穩(wěn)定性降低。在溫度從0K上升到3000K的過(guò)程中， 單層石墨烯的拉伸強(qiáng)度、拉伸極限應(yīng)變和彈性模量值均呈下降趨勢(shì)， 且Ey對(duì)溫度的依賴(lài)性大于Ex. 當(dāng)溫度低于2100K時(shí)， Ey大于Ex， 當(dāng)溫度高于210 K時(shí)， Ey小于Ex， 單層石墨烯的各向異性性能也受溫度影響。單層石墨烯在兩個(gè)方向的拉伸變形隨溫度升高表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)[7]。

4? 石墨烯未來(lái)潛在應(yīng)用展望

4.1? 石墨烯觸控屏應(yīng)用

石墨烯觸控屏產(chǎn)品將部分取代ITO觸控屏。與之相比，當(dāng)前市場(chǎng)中的觸控產(chǎn)品以 ITO（氧化銦錫）為主，然而石墨烯觸控屏的性能更出色，且具有寬溫度適應(yīng)性和柔韌兩大特點(diǎn)。當(dāng)前，韓國(guó)三星公司和成均館大學(xué)研究制造了63cm寬的純石墨烯后并用該石墨烯制造了柔性觸控屏;國(guó)內(nèi)二維碳素、第六元素均已經(jīng)有傳感器、觸控組件量產(chǎn)。國(guó)內(nèi)外均已有石墨烯觸控屏研發(fā)成功并投產(chǎn)。

4.2? 生物醫(yī)學(xué)

石墨稀量子點(diǎn)具有良好的光學(xué)性質(zhì)，并且生物相容性良好，其可以廣泛使用于腫瘤治療、細(xì)胞成像、生物檢測(cè)、 納米藥物運(yùn)輸系統(tǒng)、生物成像、生物傳感器等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究。

4.3? 穿戴設(shè)備

目前不可任意彎曲、自由伸縮的柔性顯示屏和原材料并沒(méi)有應(yīng)用到其中，這將限制智能穿戴設(shè)備的使用方式。使可穿戴設(shè)備在適配人體結(jié)構(gòu)上存在致命缺陷。石墨烯具備柔韌、透明、導(dǎo)電性能高的優(yōu)點(diǎn)，它可以任意變化，更好適配人體，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)突破。石墨烯在未來(lái)將會(huì)更好地適配可穿戴設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 董如林，莫?jiǎng)Τ?，張漢平，等.二氧化鈦/氧化石墨烯復(fù)合光催化劑的合成[J].化工進(jìn)展，2014（3）：679～684.

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[5] 吳春來(lái)，樊靜.石墨烯材料在重金屬?gòu)U水吸附凈化中的應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2013（11）：2668～2673.

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[7] 黃凌燕，韓強(qiáng).單層石墨烯溫度效應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J].中國(guó)科學(xué)雜志社，2012（3）：319.

作者簡(jiǎn)介：

徐立靜（1998-）女，漢族，山東泰安，青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院在讀本科生，青島266033。