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(jià)值又難以再生利用，越來(lái)越多，同時(shí)正給人類帶來(lái)越來(lái)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(shí)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://out-alive.com/zhuanti/tanguanlilunwen.html' target='_blank'>論文，發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

 

美國(guó)得克薩斯州賴斯大學(xué)的一組研究人員，發(fā)現(xiàn)了通過(guò)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(shí)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(gè)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(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直至2004年，英國(guó)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(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

 

 

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)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(dòng)速度極快，因此被期待可用來(lái)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(lái)制造透明觸控螢?zāi)?、光板、以及太?yáng)能電池。石墨烯另一個(gè)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(jiān)固的材料之一，擁有200倍左右的鋼強(qiáng)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(qiáng)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(jià)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(kāi)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(wú)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(jià)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(lái)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(shí)間。在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家通過(guò)將碳基材料加熱到3000K開(kāi)氏溫度（約為2726攝氏度），在短短10毫秒內(nèi)的閃蒸過(guò)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?jiān)蛩芰限D(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(guò)程幾乎不會(huì)耗費(fèi)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(lái)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(guò)程中，熱量集中在碳材料中，而周圍的反應(yīng)器中則沒(méi)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(lái)，并且因?yàn)闆](méi)有任何溶劑，所以這是一個(gè)超級(jí)清潔的過(guò)程。

 

 

將材料放在兩個(gè)電極之間，并用短脈沖發(fā)射加熱材料，同時(shí)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(guò)程。由于熱尖峰而大大加速，材料在石墨烯階段的適當(dāng)時(shí)刻停止了。

 

這一研究成果將對(duì)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(qiáng)度提高35％。在保持相同水平的結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)，可以使用更少的混凝土。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guò)用石墨烯增強(qiáng)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(yùn)輸成本。這項(xiàng)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(wú)需燃燒它，利用原本可以填埋的材料，可以轉(zhuǎn)化本來(lái)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(cuò)層易于分離，與更常見(jiàn)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(guò)其他工藝（例如石墨剝落）制成的A-B堆疊石墨烯很難拉開(kāi)。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(huì)成為未來(lái)的主要市場(chǎng)，該研究團(tuán)隊(duì)已在測(cè)試使用石墨烯增強(qiáng)的混凝土和塑料，希望在兩年內(nèi)擴(kuò)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).