石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的正六邊形“蜂窩狀”薄膜，在光、電、熱、力等方面具有優(yōu)異性能。而20萬片石墨烯加在一起，才相當于人類的一根頭發(fā)絲粗細。日前，北京大學劉忠范院士領(lǐng)導(dǎo)的團隊經(jīng)過3年多的努力，在玻璃表面成功實現(xiàn)了石墨烯的直接生長。此成果有望加速石墨烯材料與玻璃產(chǎn)業(yè)的融合，推動石墨烯玻璃大規(guī)模應(yīng)用。《自然—材料》雜志近日對這項研究進行了報道。

劉忠范團隊將甲烷通入1000度的高溫管式爐中，在高溫下分解成碳原子后直接在玻璃上生長石墨烯。現(xiàn)在他們能在任意玻璃上長出石墨烯，而且在保證質(zhì)量的情況下，生長時間從一小時縮短到十分鐘。

劉忠范告訴《中國科學報》記者，他們團隊從2008年開始從事石墨烯的研究，最近不斷有新成果發(fā)出來。他們攻關(guān)了3個難點，分別是：在沒有催化劑的情況下如何在玻璃上直接長出石墨烯;如何讓石墨烯快速生長以提高產(chǎn)率;在不同的軟化溫度下都能完成石墨烯生長，從而實現(xiàn)任意玻璃表面都能長出石墨烯。

最終他們與玻璃設(shè)計院共同實現(xiàn)了石墨烯在玻璃融化狀態(tài)下的生長。研究中，他們還獲得很多技術(shù)上的訣竅，如石墨烯在銅箔上可以很好生長，借助銅箔的催化作用可以讓石墨烯在玻璃上更好地生長。

石墨烯在玻璃表面的直接生長，打破了之前石墨烯玻璃須用液相涂膜或轉(zhuǎn)移法獲得的瓶頸。劉忠范說，在玻璃上直接長出石墨烯“改變了一個行當”，期待其是一個殺手锏級的應(yīng)用，有著非他不可的用途，如汽車的后玻璃用石墨烯代替電線、波音787的智能艙、手機的觸摸屏以及細胞的培養(yǎng)皿等。

經(jīng)過長期研究，通過對反應(yīng)氣體濃度、生長溫度和生長時間的精確調(diào)控，劉忠范領(lǐng)導(dǎo)的團隊成功克服了玻璃表面催化裂解前驅(qū)體能力低、碳碎片在基底表面遷移能力弱等一系列技術(shù)難題，在耐高溫玻璃和普通玻璃上成功實現(xiàn)了高品質(zhì)石墨烯薄膜的可控生長。

據(jù)了解，由于石墨烯玻璃兼具玻璃的透光性以及石墨烯的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和表面疏水性等優(yōu)點，未來可應(yīng)用于熱致變色窗口、防霧視窗以及光催化等方面。劉忠范表示，相信石墨烯玻璃在未來將有非常廣闊的應(yīng)用前景，對于玻璃產(chǎn)業(yè)和石墨烯材料而言都至關(guān)重要。

對于這一新進展，石墨烯專家、中科院金屬研究所成會明院士在接受《中國科學報》記者采訪時表示：“在玻璃上直接化學氣相沉積生長石墨烯是石墨烯生長領(lǐng)域一個非常重要的進展。在玻璃上直接生長石墨烯后可以直接利用，省略了轉(zhuǎn)移工藝，可以節(jié)省成本。而傳統(tǒng)的在金屬薄膜上生長石墨烯的制備方法則需要去除金屬、將石墨烯轉(zhuǎn)移到玻璃等其他基體上再加以利用等工藝步驟，因而具有成本較高、工藝復(fù)雜等問題。此成果與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所謝曉明團隊最近做出來的1.5英寸石墨烯單晶堪稱今年我國高質(zhì)量石墨烯制備方面最重要的工作。”