5月26日,在上海市零陵中学 “魅力有机化学”课堂上,来自中科院有机功能分子合成与组装化学重点实验室的科普志愿者却玉蓉、徐彬彬、杨阳、谭炜给同学们带来了《多功能石墨烯》科普拓展课程。
课程伊始,杨阳以图片的形式展示了二维碳材料——石墨烯,让同学对于石墨烯材料有了直观的认识。然后,从曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim) 教授和康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授发现并制备得到仅由一层碳原子构成的石墨烯讲起,深入浅出地讲述了石墨烯的几大优越性能:石墨烯是目前已知的最薄的一种材料,只有一个石墨层的厚度(0.335 nm);是世界上导电性最好的材料,电子在其中的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度;是迄今为止世界上强度最大的材料,据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜(厚度约100 纳米),那么它将能承受大约两吨重物品的压力,而不至于断裂;同时,石墨烯拥有超大的比表面积,理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630 m2/g,而普通的活性炭的比表面积为1500 m2/g,超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。极强的导电性、超高的力学强度、超大的比表面积,使石墨烯成为极为优秀的备选材料应用于集成电路、超级电池、软性显示器等领域。因此现今也有越来越多的掺杂石墨烯、氧化石墨烯、石墨炔、石墨烷等各种石墨烯的衍生物被准备出来,以挑战更优异的性能。
接着,却玉蓉带领同学们亲自动手,利用铅笔芯中富含的石墨“在白纸上制作石墨烯”,体验其导电性能,并模拟最初石墨烯发现者的微机械剥离法,“在透明胶带上制作石墨烯”,体验获得石墨烯的乐趣。志愿者们为每位同学准备了LED灯泡,导线,9V电池,电池扣、3B与6B铅笔、直尺、剪刀、A4打印纸、胶带和小刀。同学们使用不同规格的铅笔在纸上画出长度宽度各异的线条。这个过程中铅笔芯上原有的石墨就会发生片层之间的滑移和剥离,产生新的石墨烯片层表面,这些线条因为在微观上充满了石墨烯片层结构,因而具有导电性。而导电的强弱则可以通过电路中LED灯的亮度来定性比较。通过比较可以发现,线条宽度越大,线条的电阻越小;线条长度越长,线条电阻越大。这与中学物理中对于线性导体电阻与其横截面积和长度之间的关系是一致的。而在相同条件下,6B铅笔所画线条比3B铅笔所画线条的电阻更小,这是因为6B铅笔石墨含量更高,其线条中微观石墨烯片层结构的比例也更大,所以电阻更小。在发现奇妙的现象后,同学们更是放开思路,在白纸上用铅笔画上不同的形状,来测试各曲线的导电性能。
随后,在志愿者的带领下,同学们模拟最初石墨烯发现者的微机械剥离法,体验了“在透明胶带上制作石墨烯”的乐趣。用胶带剥离铅笔芯粉末的过程实际上就是在模拟石墨烯最初的制备方法—微机械剥离法。用小刀刮出6B 铅笔芯的粉末放置于白纸, 用透明胶带粘上铅笔粉末,用直尺将粉末刮均匀,从而在透明胶带上形成石墨烯薄片。
随着下课铃声响起,一堂生动有趣的化学科普拓展课程画上了句号。本次课程,志愿者们将前沿热点的科技知识,新近发展、性能超群的新材料——石墨烯,以贴近生活、简单有趣、寓教于乐的方式带进课堂,使同学们在轻松活泼的气氛中增长了知识,拓宽了视野。

