科學(xué)家找到了將垃圾瞬間“變廢為寶”的奇妙方法

想象一下我們每天所丟棄的垃圾，從餐廚食品廢物到塑料包裝垃圾，既失去使用價值又難以再生利用，越來越多，同時正給人類帶來越來越嚴(yán)重的弊端與危害。

 

現(xiàn)在，科學(xué)家們找到了將這些垃圾在不到一秒鐘的時間里，瞬間就可以“變廢為寶”的奇妙方法。這一科技成果將極大地改變?nèi)祟惿瞽h(huán)境。這一重大環(huán)?？萍嫉难芯?a href='http://gqdnzm.cn/zhuanti/tanguanlilunwen.html' target='_blank'>論文，發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

 

美國得克薩斯州賴斯大學(xué)的一組研究人員，發(fā)現(xiàn)了通過將垃圾的碳基材料轉(zhuǎn)化為石墨烯的工藝，科學(xué)家們找到了在不到一秒鐘的時間里就可以將此“變廢為寶”的方法。

 

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯從前被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

 

 

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，幾乎是完全透明，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高于金剛石，常溫下其電子遷移率又比硅晶體高，而電阻率比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。由于它的電阻率極低，電子的移動速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。石墨烯是一種透明、良好的導(dǎo)體，適合用來制造透明觸控螢?zāi)?、光板、以及太陽能電池。石墨烯另一個寶貴特性，是能夠在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)。

 

 

石墨烯是是已知宇宙中最堅固的材料之一，擁有200倍左右的鋼強度、驚人的柔韌性以及許多其他不尋常的特性和能力。但由于制造昂貴，直到現(xiàn)在，石墨烯在工業(yè)應(yīng)用中一直受到限制。少量的石墨烯可以增強包括混凝土、金屬、塑料、瀝青、建筑物、汽車、衣服（如防彈服）、家居等在內(nèi)的材料的性能。所以，石墨烯是一種具有各種有價值應(yīng)用前景的全方位的、寶貴的奇跡材料。

 

在中世紀(jì)的歐洲，煉金術(shù)士竭盡全力幻想將賤金屬轉(zhuǎn)變?yōu)樗^的“貴金屬”，例如黃金?，F(xiàn)在，萊斯大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出的這一科技，被稱之為真正的“21世紀(jì)煉金術(shù)”。

 

科學(xué)家們是如何瞬間就可以將無用的各種垃圾變成為了如此寶貴的石墨烯材料呢？這得益于一種將碳基材料轉(zhuǎn)化為石墨烯的閃蒸加熱工藝方法。碳基材料，指任何具有碳含量的材料，比如食物垃圾、塑料垃圾、石油焦炭、煤炭、木材屑、廢橡膠輪胎和生物炭等等。目前石墨烯的商業(yè)價格為每噸67,000至200,000美元，從此就不難看出這種工藝的前景看起來非常好。

 

 

這種石墨烯的閃蒸加熱制造工藝方法的關(guān)鍵是溫度和時間。在這項研究中，科學(xué)家通過將碳基材料加熱到3000K開氏溫度（約為2726攝氏度），在短短10毫秒內(nèi)的閃蒸過程里就可以生成石墨烯薄片，所以科學(xué)家們稱之為“閃速石墨烯”（flashgraphene）。這種“閃速石墨烯”技術(shù)既快速又便宜，能夠?qū)⒁粐嵜?、食物殘渣或塑料轉(zhuǎn)化為石墨烯，而成本僅為其他批量石墨烯生產(chǎn)方法所用成本的一極小部分。

 

這種閃蒸加熱過程幾乎不會耗費多余的熱量，幾乎將其所有能量都轉(zhuǎn)移到目標(biāo)中。這比以前用來制造石墨烯的化學(xué)氣相沉積爐效率高出近三倍。在閃蒸過程中，熱量集中在碳材料中，而周圍的反應(yīng)器中則沒有熱量。所有多余的能量都以光，非常明亮的閃光形式散發(fā)出來，并且因為沒有任何溶劑，所以這是一個超級清潔的過程。

 

 

將材料放在兩個電極之間，并用短脈沖發(fā)射加熱材料，同時破壞其化學(xué)鍵。從而使非碳元素消失，而其余碳原子轉(zhuǎn)化為石墨烯。這從本質(zhì)上加快了碳演化成石墨基態(tài)的緩慢的轉(zhuǎn)化過程。由于熱尖峰而大大加速，材料在石墨烯階段的適當(dāng)時刻停止了。

 

這一研究成果將對環(huán)境產(chǎn)生重大的積極影響，僅向混凝土中添加0.02％的閃光石墨烯可以使其強度提高35％。在保持相同水平的結(jié)構(gòu)完整性的同時，可以使用更少的混凝土。據(jù)統(tǒng)計，水泥生產(chǎn)每年排放的二氧化碳量高達(dá)人造二氧化碳的百分之八。

 

 

通過用石墨烯增強混凝土，可以減少建筑用混凝土的數(shù)量，從而降低制造成本和運輸成本。這項技術(shù)本質(zhì)上是在捕獲二氧化碳和甲烷之類的溫室氣體，將這些碳轉(zhuǎn)化為石墨烯，并將該石墨烯添加到混凝土中，從而減少混凝土生產(chǎn)中產(chǎn)生的二氧化碳量。所以是一種雙贏的極為理想的環(huán)境方案。

 

這一研究成果還為煤炭提供了一種新用途，無需燃燒它，利用原本可以填埋的材料，可以轉(zhuǎn)化本來可以分解的生物質(zhì)，可以使用今天所用的昂貴材料減少，而所有這些將減少我們的碳足跡并降低溫室氣體排放。

 

該工藝生產(chǎn)出的所謂“湍流型”石墨烯，其錯層易于分離，與更常見的A-B堆疊石墨烯相比，它更易于分離和與材料結(jié)合。通過其他工藝（例如石墨剝落）制成的A-B堆疊石墨烯很難拉開。由于“湍流型”石墨烯層間的粘合力要低得多，所以層狀石墨烯更容易加工。閃速石墨烯可能會成為未來的主要市場，該研究團隊已在測試使用石墨烯增強的混凝土和塑料，希望在兩年內(nèi)擴大規(guī)模每天制造更多的閃速石墨烯。

 

參考：Luong et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature (2020).