石墨烯的應用現狀及發展

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構，具備極其優異的力學、熱學和電學性能，是目前發現的性能優異的材料，近年來受到化學、物理、材料、能源、環境等領域的極大重視，應用前景廣闊，被公認為21世紀的“未來材料”和“革命性材料”。而分子模擬技術作為一種新的研究方法，在石墨烯研究中的應用具有重要的啟發和指導意義。本文結合分子動力學模擬來講述單層石墨烯的部分性能，并對未來石墨烯的應用前景做出預測。

關鍵詞：石墨烯;應用現狀;分子動力學研究

1? 引言

石墨烯是由單層六角元胞碳原子構成的蜂窩狀二維晶體，2004年首先由曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫小組發現，它是目前發現的唯一存在的二維自由態原子晶體，它的發現推翻了“熱力學漲落不允許二維晶體在有限溫度下存在”的認識。同時，石墨烯也成為了材料學和物理學領域的研究熱點。石墨烯的奇特之處就在于其具有獨特的電子結構：價帶（π電子）和導帶（π*電子）相交于費米能級處（K和K′點），是一種禁帶寬度幾乎為零的半金屬/半導體材料。

2? 石墨烯的應用現狀

2.1? 生物材料領域

石墨烯類材料在生物領域中，其所具有的氧化石墨烯可以用來制成納米抗菌材料，之所以具有抗菌性，是因為其對大腸桿菌細胞膜的破壞。由于具有豐富的材料來源，這種新型的晶體材料未來有希望在環境檢測和臨床醫學領域得到廣泛應用[1]。

2.2? 薄膜材料領域

石墨烯與傳統的銦錫氧化物（ITO）相比，石墨烯具有更高的導電性、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）混合基質反滲透復合膜。結果表明，其分離性能優于聚酰胺膜，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，當添加量為0.005%時，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? 催化材料領域

董如林等[3]在水性體系中合成了TiO2/GO復合光催化劑，他們是采用了鈦酸四正丁酯及氧化石墨烯作為原料。他們發現，當氧化石墨烯添加量超過5%時，樣品為TiO2/GO復合物，而且TiO2/GO復合光催化劑的活性隨著GO復合量的增加而增大，并在10%時達到最高。何光裕等[4]發現氧化石墨烯與ZnO納米顆粒之間存在電子轉移效應，他們制備的ZnO/氧化石墨烯復合材料中，抑制ZnO中光生電子空穴對的復合，提高了ZnO的可見光催化性能。

2.4? 其他領域

石墨烯不僅在以上方面有所應用，還將在其他領域發揮巨大的效能，如用于光子傳感器、納電子器件、作太空電梯纜線、高頻電路、代替硅用于生產超級計算機等;近來人們研究的熱點為石墨烯基質復合材料是以石墨烯與其他成分復合后制備的材料，同時具備石墨烯和所復合材料的優越性[5]。它可分為石墨烯-聚合物復合材料、石墨烯-無機復合材料和其他石墨烯復合材料3類[6]，石墨烯可用于制造風力渦輪機和飛機機翼，在增強復合材料方面體現了優異的性能，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，石墨烯的優異性能和特殊結構使得其具有廣泛的應用前景。

3? 石墨烯的分子動力學研究

通過使用AIREBO勢函數對單層石墨烯薄膜的拉伸性能和弛豫性能進行分子動力學模擬，使之在不同溫度條件（0K-3000K）下，研究單層石墨烯在拉伸過程中力學性能與溫度效應的關系以及弛豫過程中溫度效應對其原子結構的影響。研究結果表明：理想狀態下單層石墨烯的弛豫是一個原子結構的動態平衡過程， 隨著溫度升高， 石墨烯穩定性降低， 弛豫過程中原子的波動起伏變得不規則和劇烈起來。單層石墨烯的弛豫性能和拉伸性能均對溫度具有很強的依賴性。在溫度從0K上升到3000K的過程中， 單層石墨烯的拉伸強度、拉伸極限應變和彈性模量值均呈現下降趨勢， 且鋸齒型石墨烯的彈性模量對溫度的依賴程度比扶手椅型大，薄膜的拉伸隨溫度變化表現出不同的破壞形態。

通過分子動力學方法，還研究了單層石墨烯在不同溫度下的弛豫和拉伸性能。結果表明， 單層石墨烯的弛豫和拉伸性能都具有很強的溫度效應。此外，單層石墨烯的弛豫是一個伴隨著內部和邊緣原子起伏的動態平衡過程，原子起伏程度隨著溫度升高加深， 當溫度高于1500K時， 薄膜邊緣開始出現不規則原子起伏形態， 石墨烯所具有的穩定性降低。在溫度從0K上升到3000K的過程中， 單層石墨烯的拉伸強度、拉伸極限應變和彈性模量值均呈下降趨勢， 且Ey對溫度的依賴性大于Ex. 當溫度低于2100K時， Ey大于Ex， 當溫度高于210 K時， Ey小于Ex， 單層石墨烯的各向異性性能也受溫度影響。單層石墨烯在兩個方向的拉伸變形隨溫度升高表現出不同的破壞形態[7]。

4? 石墨烯未來潛在應用展望

4.1? 石墨烯觸控屏應用

石墨烯觸控屏產品將部分取代ITO觸控屏。與之相比，當前市場中的觸控產品以 ITO（氧化銦錫）為主，然而石墨烯觸控屏的性能更出色，且具有寬溫度適應性和柔韌兩大特點。當前，韓國三星公司和成均館大學研究制造了63cm寬的純石墨烯后并用該石墨烯制造了柔性觸控屏;國內二維碳素、第六元素均已經有傳感器、觸控組件量產。國內外均已有石墨烯觸控屏研發成功并投產。

4.2? 生物醫學

石墨稀量子點具有良好的光學性質，并且生物相容性良好，其可以廣泛使用于腫瘤治療、細胞成像、生物檢測、 納米藥物運輸系統、生物成像、生物傳感器等生物醫學領域的研究。

4.3? 穿戴設備

目前不可任意彎曲、自由伸縮的柔性顯示屏和原材料并沒有應用到其中，這將限制智能穿戴設備的使用方式。使可穿戴設備在適配人體結構上存在致命缺陷。石墨烯具備柔韌、透明、導電性能高的優點，它可以任意變化，更好適配人體，實現消費突破。石墨烯在未來將會更好地適配可穿戴設備。

參考文獻：

[1] 肖淑娟，于守武，譚小耀.石墨烯材料的應用及研究現狀[J].化工進展，2015（5）：1346.

[2] 盧瑛，趙海洋，張林，等.含氧化石墨烯混合基質反滲透復合膜的制備及性能研究[J].中國工程科學，2014（7）：84～88.

[3] 董如林，莫劍臣，張漢平，等.二氧化鈦/氧化石墨烯復合光催化劑的合成[J].化工進展，2014（3）：679～684.

[4] 何光裕，侯景會，黃靜，等.ZnO/氧化石墨烯復合材料的制備及其可見光催化性能[J].高校化學工程學報，2013（4）：663～668.

[5] 吳春來，樊靜.石墨烯材料在重金屬廢水吸附凈化中的應用[J].化工進展，2013（11）：2668～2673.

[6] 李光彬，侯朝霞，王少洪，等.石墨烯復合材料的研究進展[J].兵器材料科學與工程，2014（3）：122～126.

[7] 黃凌燕，韓強.單層石墨烯溫度效應的分子動力學模擬[J].中國科學雜志社，2012（3）：319.

作者簡介：

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