對于中北大學材料科學與工程學院教授孫友誼而言，科研的路上沒有什么“不可以”。
為了得到足量高品質石墨烯，做了14年下游產品研發(fā)的孫友誼可以親自上陣，從頭開始制備原材料；為了達到中試級別的量產，他可以自己動手攢生產設備，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。他帶領團隊研制出一種低成本、綠色環(huán)保、高產率、高品質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。對于中北大學這所中部高校來說，這是第二次體驗以第一單位在《自然》子刊上發(fā)論文的歡喜。
結緣石墨烯
孫友誼與石墨烯的結緣，可以追溯至14年前。
2010年，諾貝爾物理學獎授予了兩位英國曼徹斯特大學的科學家，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成的二維材料，因為其獨特的物理和化學性能，被譽為世界21世紀最偉大的材料之一。
2011年孫友誼正在北京大學做博士后。一位西班牙材料學家和孫友誼的博士后指導導師都提到，石墨烯研究將在科學界“粉墨登場”，備受矚目，未來還將在產業(yè)界大有作為。當時國內科研界躍躍欲試，紛紛投身石墨烯領域研究。
在指導老師的支持下，孫友誼的科研生涯從此與石墨烯結緣。
14年來，孫友誼主要從事石墨烯的產業(yè)化研究。石墨烯也確實從象牙塔的實驗室里“火”到了各路網店，成為人們生活里的“黑科技”用品。然而，孫友誼要研發(fā)的是新技術領域中應用的更前沿的產品，在從實驗室邁向產業(yè)化的道路上他不斷“遇冷”。
“制備是石墨烯產業(yè)化應用中難啃的‘硬骨頭’之一?！睂O友誼說。
他是在實際的產業(yè)鏈條中發(fā)現(xiàn)這一問題的。他研究聚焦于功能復合材料，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)，國內能實現(xiàn)石墨烯批量化生產的企業(yè)寥寥無幾，產品品質達標的更是鳳毛麟角。從市場上購得的石墨烯，無論是在材料穩(wěn)定性還是品質上，都無法滿足他們的實驗要求。
當時的制備方法要么成本過高，要么穩(wěn)定性不足。傳統(tǒng)化學方法通過強酸和強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、工藝復雜、周期長，批次生產穩(wěn)定性也差；物理方法則依靠機械外力制備石墨烯，存在轉化率低、生產效率不足等問題。
孫友誼說，企業(yè)生產的商用石墨烯品質難以滿足實驗室和應用場景的需求，而一些實驗室制備的石墨烯雖然滿足開發(fā)新產品的需求，但產量極為有限，一次只能得到幾克石墨烯，遠無法滿足未來市場的大規(guī)模需求。
沒有穩(wěn)定的優(yōu)質原料供應，石墨烯的產業(yè)化應用就是空中樓閣。
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，生產制備還需要考慮工藝的可操作性、價格成本因素，以及方法是否環(huán)保等問題?，F(xiàn)有的制備方法難以解決石墨烯各方面因素的平衡問題。
這意味著孫友誼團隊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，也缺少可復制的實驗流程和相應的設備儀器。
不過，孫友誼和他的團隊沒少“折騰”。起初，論文作者、他的學生申路嚴腦洞大開，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點分離石墨烯。
孫友誼很興奮，這種方法很新穎，也確實從氣泡中分離出了一些物質。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。
雖然并未完全成功，但“可樂法”為團隊后續(xù)的實驗方向提供了新思路，也讓他們有了成功的信心。受此啟發(fā)，孫友誼團隊共同研制出一種氣泡輔助—機械液相剝離法的制備方法。他們把膠體的化學體積排斥作用與二維納米材料的剝離方法巧妙結合起來，彌補了傳統(tǒng)機械方法和化學方法的不足。
新方法有了，為了達到量產的目標，還缺少與之匹配的制備設備。
市面上買不到現(xiàn)成的設備，孫友誼團隊只能自己動手造。起初，他們自行設計的裝置在設備控制和實驗劑量把控上難度較大，裝置的可控性也不理想。新設備第一次試驗，孫友誼沒指望能一次成功，卻也沒料到在實驗中，大量氣體夾帶著黑色粉體凝膠猛地從排壓孔噴涌而出，弄得他和學生們滿身都是，一個個“灰頭土臉”。
“雖然學生們一點怨言也沒有，可我還是有點擔心，雖然這些粉末膠體沒有危險性，但實驗安全不容小覷。”從此后，每次進行設備實驗，孫友誼都要求自己必須在現(xiàn)場。經過一次次調試，這種蓬頭垢面的情況終于杜絕了。團隊最終探索出了完整的制備流程，不僅產率較高（>94%），產量已達到噸級（年產能），接近于工業(yè)化量產水平，且兼具低成本、綠色環(huán)保和高品質等特點。
發(fā)“英雄帖”全球尋找合作伙伴
實驗成功后，孫友誼又迎來了新的挑戰(zhàn)。
在論文作者、墨爾本大學教授李丹的啟發(fā)下，他意識到，想讓實驗結果成為一項嚴謹?shù)目蒲谐晒€需補充詳細的機理闡釋和有力的證明。
然而，實驗中的一些結果很難僅用實驗現(xiàn)象來解釋和論證：“在實驗過程中，濃硫酸和碳酸氫鈉沒有發(fā)生反應。但從理論角度來說，這一過程是應該發(fā)生應的。如果相關原理解釋不清楚，我們的制備方法就難以在科研界獲得認可?！?span style="display:none">Aed即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
同時，實驗的微觀機理也需要計算機技術的輔助證明。但計算實驗是孫友誼團隊不太擅長的領域。
為了攻克這一難題，孫友誼想盡了各種辦法。他先向國內相關領域的專家一一求助，但收獲甚微。
孫友誼與相關領域的國際專家聯(lián)絡并不多，無奈之下，他只能采用一種“笨辦法”：在Web of Science等全球科研網站上，一一搜索相關研究，一篇篇瀏覽，尋找可以借鑒的思路和相關學者的聯(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。韓國東亞大學教授Heon Sang Lee愿意參與這項研究。幾封郵件往來后，雙方確定了合作關系。
在Lee的幫助下，他們完成了該制備方法的計算機模擬展示，揭示了其原理和機制，為翻越石墨烯綠色量產制備這座“大山”奠定了基礎。
“石墨烯的產業(yè)化面臨著制備、分散和應用‘三座大山’?！睂O友誼希望自己的研究可以拋磚引玉，推動學術界以產業(yè)問題為導向，開展更多相關研究。石墨烯的產業(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)努力翻越石墨烯產業(yè)化過程中的“三座大山”。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55131-y
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