對于中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授孫友誼而言，科研的路上沒有什么“不可以”。
為了得到足量高品質(zhì)石墨烯，做了14年下游產(chǎn)品研發(fā)的孫友誼可以親自上陣，從頭開始制備原材料；為了達(dá)到中試級別的量產(chǎn)，他可以自己動手?jǐn)€生產(chǎn)設(shè)備，被“炸”得灰頭土臉也無所謂；為了搞清楚自己這套方法背后的分子機(jī)制，他可以全球廣撒“英雄帖”，尋找合作伙伴。
干這些事，孫友誼沒想過失敗，最后他干成了。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出一種低成本、綠色環(huán)保、高產(chǎn)率、高品質(zhì)石墨烯宏量制備方法。近日，這一成果被《自然—通訊》在線發(fā)表。對于中北大學(xué)這所中部高校來說，這是第二次體驗(yàn)以第一單位在《自然》子刊上發(fā)論文的歡喜。
結(jié)緣石墨烯
孫友誼與石墨烯的結(jié)緣，可以追溯至14年前。
2010年，諾貝爾物理學(xué)獎授予了兩位英國曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。這個由單層碳原子構(gòu)成的二維材料，因?yàn)槠洫?dú)特的物理和化學(xué)性能，被譽(yù)為世界21世紀(jì)最偉大的材料之一。
2011年孫友誼正在北京大學(xué)做博士后。一位西班牙材料學(xué)家和孫友誼的博士后指導(dǎo)導(dǎo)師都提到，石墨烯研究將在科學(xué)界“粉墨登場”，備受矚目，未來還將在產(chǎn)業(yè)界大有作為。當(dāng)時國內(nèi)科研界躍躍欲試，紛紛投身石墨烯領(lǐng)域研究。
在指導(dǎo)老師的支持下，孫友誼的科研生涯從此與石墨烯結(jié)緣。
14年來，孫友誼主要從事石墨烯的產(chǎn)業(yè)化研究。石墨烯也確實(shí)從象牙塔的實(shí)驗(yàn)室里“火”到了各路網(wǎng)店，成為人們生活里的“黑科技”用品。然而，孫友誼要研發(fā)的是新技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的更前沿的產(chǎn)品，在從實(shí)驗(yàn)室邁向產(chǎn)業(yè)化的道路上他不斷“遇冷”。
“制備是石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中難啃的‘硬骨頭’之一。”孫友誼說。
他是在實(shí)際的產(chǎn)業(yè)鏈條中發(fā)現(xiàn)這一問題的。他研究聚焦于功能復(fù)合材料，石墨烯是其研究體系中的重要原材料之一。2014年，他發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)能實(shí)現(xiàn)石墨烯批量化生產(chǎn)的企業(yè)寥寥無幾，產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)標(biāo)的更是鳳毛麟角。從市場上購得的石墨烯，無論是在材料穩(wěn)定性還是品質(zhì)上，都無法滿足他們的實(shí)驗(yàn)要求。
當(dāng)時的制備方法要么成本過高，要么穩(wěn)定性不足。傳統(tǒng)化學(xué)方法通過強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化試劑制得氧化石墨，再利用超聲波剝離得到氧化石墨烯，但此法污染大、工藝復(fù)雜、周期長，批次生產(chǎn)穩(wěn)定性也差；物理方法則依靠機(jī)械外力制備石墨烯，存在轉(zhuǎn)化率低、生產(chǎn)效率不足等問題。
孫友誼說，企業(yè)生產(chǎn)的商用石墨烯品質(zhì)難以滿足實(shí)驗(yàn)室和應(yīng)用場景的需求，而一些實(shí)驗(yàn)室制備的石墨烯雖然滿足開發(fā)新產(chǎn)品的需求，但產(chǎn)量極為有限，一次只能得到幾克石墨烯，遠(yuǎn)無法滿足未來市場的大規(guī)模需求。
沒有穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)原料供應(yīng)，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用就是空中樓閣。
面對這一困境，孫友誼決定自己動手，開發(fā)石墨烯制備的新方法。
“折騰”出來的新方法
從應(yīng)用角度出發(fā)，石墨烯的制備面臨著一個“平衡”的難題。
除了石墨烯本身的品質(zhì)，生產(chǎn)制備還需要考慮工藝的可操作性、價(jià)格成本因素，以及方法是否環(huán)保等問題。現(xiàn)有的制備方法難以解決石墨烯各方面因素的平衡問題。
這意味著孫友誼團(tuán)隊(duì)不得不探索一種全新的制備方法，但這一過程既缺乏直接的理論指導(dǎo)，也缺少可復(fù)制的實(shí)驗(yàn)流程和相應(yīng)的設(shè)備儀器。
不過，孫友誼和他的團(tuán)隊(duì)沒少“折騰”。起初，論文作者、他的學(xué)生申路嚴(yán)腦洞大開，嘗試借鑒制作可樂的方法來制備石墨烯——利用大量氣泡來一點(diǎn)點(diǎn)分離石墨烯。
孫友誼很興奮，這種方法很新穎，也確實(shí)從氣泡中分離出了一些物質(zhì)。但他們最終發(fā)現(xiàn)，使用這個方法分離出來的并不是石墨烯，而是類似的石墨物質(zhì)。
雖然并未完全成功，但“可樂法”為團(tuán)隊(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)方向提供了新思路，也讓他們有了成功的信心。受此啟發(fā)，孫友誼團(tuán)隊(duì)共同研制出一種氣泡輔助—機(jī)械液相剝離法的制備方法。他們把膠體的化學(xué)體積排斥作用與二維納米材料的剝離方法巧妙結(jié)合起來，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械方法和化學(xué)方法的不足。
新方法有了，為了達(dá)到量產(chǎn)的目標(biāo)，還缺少與之匹配的制備設(shè)備。
市面上買不到現(xiàn)成的設(shè)備，孫友誼團(tuán)隊(duì)只能自己動手造。起初，他們自行設(shè)計(jì)的裝置在設(shè)備控制和實(shí)驗(yàn)劑量把控上難度較大，裝置的可控性也不理想。新設(shè)備第一次試驗(yàn)，孫友誼沒指望能一次成功，卻也沒料到在實(shí)驗(yàn)中，大量氣體夾帶著黑色粉體凝膠猛地從排壓孔噴涌而出，弄得他和學(xué)生們滿身都是，一個個“灰頭土臉”。
“雖然學(xué)生們一點(diǎn)怨言也沒有，可我還是有點(diǎn)擔(dān)心，雖然這些粉末膠體沒有危險(xiǎn)性，但實(shí)驗(yàn)安全不容小覷。”從此后，每次進(jìn)行設(shè)備實(shí)驗(yàn)，孫友誼都要求自己必須在現(xiàn)場。經(jīng)過一次次調(diào)試，這種蓬頭垢面的情況終于杜絕了。團(tuán)隊(duì)最終探索出了完整的制備流程，不僅產(chǎn)率較高（>94%），產(chǎn)量已達(dá)到噸級（年產(chǎn)能），接近于工業(yè)化量產(chǎn)水平，且兼具低成本、綠色環(huán)保和高品質(zhì)等特點(diǎn)。
發(fā)“英雄帖”全球?qū)ふ液献骰锇?/strong>
實(shí)驗(yàn)成功后，孫友誼又迎來了新的挑戰(zhàn)。
在論文作者、墨爾本大學(xué)教授李丹的啟發(fā)下，他意識到，想讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果成為一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲谐晒€需補(bǔ)充詳細(xì)的機(jī)理闡釋和有力的證明。
然而，實(shí)驗(yàn)中的一些結(jié)果很難僅用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來解釋和論證：“在實(shí)驗(yàn)過程中，濃硫酸和碳酸氫鈉沒有發(fā)生反應(yīng)。但從理論角度來說，這一過程是應(yīng)該發(fā)生應(yīng)的。如果相關(guān)原理解釋不清楚，我們的制備方法就難以在科研界獲得認(rèn)可。”
同時，實(shí)驗(yàn)的微觀機(jī)理也需要計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助證明。但計(jì)算實(shí)驗(yàn)是孫友誼團(tuán)隊(duì)不太擅長的領(lǐng)域。
為了攻克這一難題，孫友誼想盡了各種辦法。他先向國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家一一求助，但收獲甚微。
孫友誼與相關(guān)領(lǐng)域的國際專家聯(lián)絡(luò)并不多，無奈之下，他只能采用一種“笨辦法”：在Web of Science等全球科研網(wǎng)站上，一一搜索相關(guān)研究，一篇篇瀏覽，尋找可以借鑒的思路和相關(guān)學(xué)者的聯(lián)系方式，再逐一發(fā)送郵件咨詢。
十幾封郵件石沉大海之后，孫友誼終于盼來了好消息。韓國東亞大學(xué)教授Heon Sang Lee愿意參與這項(xiàng)研究。幾封郵件往來后，雙方確定了合作關(guān)系。
在Lee的幫助下，他們完成了該制備方法的計(jì)算機(jī)模擬展示，揭示了其原理和機(jī)制，為翻越石墨烯綠色量產(chǎn)制備這座“大山”奠定了基礎(chǔ)。
“石墨烯的產(chǎn)業(yè)化面臨著制備、分散和應(yīng)用‘三座大山’。”孫友誼希望自己的研究可以拋磚引玉，推動學(xué)術(shù)界以產(chǎn)業(yè)問題為導(dǎo)向，開展更多相關(guān)研究。石墨烯的產(chǎn)業(yè)化道路還很長，啃下制備這個“硬骨頭”只是第一步，他還會繼續(xù)努力翻越石墨烯產(chǎn)業(yè)化過程中的“三座大山”。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55131-y
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