上海有機所“魅力有機化學”科普拓展課程系列報道之“多功能石墨烯”
5月26日，在上海市零陵中學 “魅力有機化學”課堂上，來自中科院有機功能分子合成與組裝化學重點實驗室的科普志愿者卻玉蓉、徐彬彬、楊陽、譚煒給同學們帶來了《多功能石墨烯》科普拓展課程。
課程伊始，楊陽以圖片的形式展示了二維碳材料——石墨烯，讓同學對于石墨烯材料有了直觀的認識。然后，從曼徹斯特大學的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim) 教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授發(fā)現(xiàn)并制備得到僅由一層碳原子構(gòu)成的石墨烯講起，深入淺出地講述了石墨烯的幾大優(yōu)越性能：石墨烯是目前已知的最薄的一種材料，只有一個石墨層的厚度（0.335 nm）；是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度；是迄今為止世界上強度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；同時，石墨烯擁有超大的比表面積，理想的單層石墨烯的比表面積能夠達到2630 m2/g，而普通的活性炭的比表面積為1500 m2/g，超大的比表面積使得石墨烯成為潛力巨大的儲能材料。極強的導(dǎo)電性、超高的力學強度、超大的比表面積，使石墨烯成為極為優(yōu)秀的備選材料應(yīng)用于集成電路、超級電池、軟性顯示器等領(lǐng)域。因此現(xiàn)今也有越來越多的摻雜石墨烯、氧化石墨烯、石墨炔、石墨烷等各種石墨烯的衍生物被準備出來，以挑戰(zhàn)更優(yōu)異的性能。
接著，卻玉蓉帶領(lǐng)同學們親自動手，利用鉛筆芯中富含的石墨“在白紙上制作石墨烯”，體驗其導(dǎo)電性能，并模擬最初石墨烯發(fā)現(xiàn)者的微機械剝離法，“在透明膠帶上制作石墨烯”，體驗獲得石墨烯的樂趣。志愿者們?yōu)槊课煌瑢W準備了LED燈泡，導(dǎo)線，9V電池，電池扣、3B與6B鉛筆、直尺、剪刀、A4打印紙、膠帶和小刀。同學們使用不同規(guī)格的鉛筆在紙上畫出長度寬度各異的線條。這個過程中鉛筆芯上原有的石墨就會發(fā)生片層之間的滑移和剝離，產(chǎn)生新的石墨烯片層表面，這些線條因為在微觀上充滿了石墨烯片層結(jié)構(gòu)，因而具有導(dǎo)電性。而導(dǎo)電的強弱則可以通過電路中LED燈的亮度來定性比較。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，線條寬度越大，線條的電阻越??；線條長度越長，線條電阻越大。這與中學物理中對于線性導(dǎo)體電阻與其橫截面積和長度之間的關(guān)系是一致的。而在相同條件下，6B鉛筆所畫線條比3B鉛筆所畫線條的電阻更小，這是因為6B鉛筆石墨含量更高，其線條中微觀石墨烯片層結(jié)構(gòu)的比例也更大，所以電阻更小。在發(fā)現(xiàn)奇妙的現(xiàn)象后，同學們更是放開思路，在白紙上用鉛筆畫上不同的形狀，來測試各曲線的導(dǎo)電性能。
隨后，在志愿者的帶領(lǐng)下，同學們模擬最初石墨烯發(fā)現(xiàn)者的微機械剝離法，體驗了“在透明膠帶上制作石墨烯”的樂趣。用膠帶剝離鉛筆芯粉末的過程實際上就是在模擬石墨烯最初的制備方法—微機械剝離法。用小刀刮出6B 鉛筆芯的粉末放置于白紙， 用透明膠帶粘上鉛筆粉末，用直尺將粉末刮均勻，從而在透明膠帶上形成石墨烯薄片。
隨著下課鈴聲響起，一堂生動有趣的化學科普拓展課程畫上了句號。本次課程，志愿者們將前沿熱點的科技知識，新近發(fā)展、性能超群的新材料——石墨烯，以貼近生活、簡單有趣、寓教于樂的方式帶進課堂，使同學們在輕松活潑的氣氛中增長了知識，拓寬了視野。
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