毕辉，中科院上海硅酸盐研究所 研究员
大家好，我是来自中科院上海硅酸盐研究所的毕辉。
材料如何决定未来
新材料在我们的日常生活中无处不在，大到航空航天，小到我们的日常生活起居，包括智能家居、电子产品……新材料实实在在地改变着我们的生活方式。
新材料在我们的日常生活中无处不在
纵观人类利用材料的历史，我们可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都会给社会生产力和人类生活带来巨大变革，把人类的物质文明推向更高水平。
18世纪的工业革命，就是因为新材料钢铁的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础；20世纪中叶，单晶硅新材料对电子技术的发明和应用起到了重要作用。
可以说，新材料决定了未来科技的发展趋势。
我国已将新材料产业列为国家新型战略性产业之一。下面列出了十大未来最有潜力的新材料：石墨烯、碳纳米管、气凝胶、富勤烯、非晶合金、超导材料、超材料、离子液体、3D打印材料和泡沫金属。我们今天讲的三维石墨烯材料，同时涉及石墨烯和气凝胶两大新材料。
有人会问，什么是气凝胶材料？气凝胶是一种固体物质形态，常见的气凝胶是硅气凝胶，主要成分是二氧化硅，材料密度是3mg/cm³，比泡沫塑料还要轻100倍。一般来说，气凝胶中80%以上是空气，隔热效果非常好，把气凝胶放在动物和火焰之间，小动物丝毫察觉不到热。
气凝胶
热硅气凝胶最大的问题是脆性结构，弹性、韧性不足，限制了后续应用。所以现在我们对采用石墨烯材料构筑的气凝胶给予了厚望。
石墨烯材料由碳元素组成，是典型的二维材料，厚度不到1纳米，是所有SP2结构碳材料的最基本单元，可以围成零维结构的C60材料，也可卷曲成一维结构的碳纳米管，还可以通过规整的AB方式堆垛成石墨材料。2018年，年轻的中国科学家曹原采用两片石墨烯，通过扭曲一定角度获得了魔角石墨烯，首次发现了石墨烯的超导特性。（传送门：24岁，手握4篇Nature的“石墨烯驾驭者”，或许是中国最接近诺贝尔物理学奖的人）
石墨烯：碳元素的同素异形体
如何制备三维石墨烯？
我们现在希望构筑一个三维结构的石墨烯，使其兼具超轻、超弹、超高强度和高导电的特性。该怎么做？
首先要生长高质量的二维石墨烯材料，尽可能减少缺陷，提升层数均匀性。其次考虑结构单元匹配是采用片状结构、管状结构还是棒状结构，还要考虑结构单元的连接方式，优化连接强度以及连接数。最后要根据实际应用情况考虑引入适合的孔径结构。
目前主要的制备方法包括以下三种：湿化学技术、3D打印技术、CVD制备技术。
制备三维石墨烯的三种方法
湿化学制备技术是采用硫酸和高锰酸钾等氧化剂，将石墨氧化插层，剥离出氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯自组装，实现石墨烯的连接。制备的块体材料在冷冻过程形成冰晶，进行造孔，通过冷冻干燥制备出三维石墨烯。
这种方法制备的三维石墨烯很轻，弹性很好，可以规模化制备，但制备方法较为单一，微结构调控有限，由于采用的氧化过的石墨烯缺陷较多，制备出的三维石墨烯力学强度和导电性较差。
湿化学技术制备三维石墨烯
第二种方法是3D打印技术，将氧化石墨烯制备出稳定分散的石墨烯浆料，采用3D打印设备，根据程序设计打印出结构可控的块体材料，进一步去除模板和杂质等。然后通过冷冻干燥，制备出结构规整的三维石墨烯材料。
这种方法制备的三维石墨烯很轻，弹性较好，微结构调控较为灵活，可以实现规模化制备，但力学强度和导电性还有很大提升空间。
3D打印技术制备三维石墨烯
为了进一步提升三维石墨烯的力学强度和导电性，研究人员采用化学气相沉积技术制备三维石墨烯，在高温条件下直接在多孔模板表面生长石墨烯，去除模板后冷冻干燥，制备出三维石墨烯。这种方法制备出的石墨烯具有超轻、超弹的特性，微结构调控灵活，可规模化制备，力学和电学性能非常优异。
化学气相沉积技术制备三维石墨烯
三维石墨烯有什么用？
三维石墨烯具有哪些神奇性能？
首先是超轻特性，这是浙江大学研制的一种超轻三维石墨烯气凝胶，是迄今为止世界上最轻的材料，刷新了世界上最轻材料的吉尼斯纪录。它的密度仅为0.16mg/cm³，孔隙率非常高，99.99%的部分都是空气。
浙江大学研制的超轻三维石墨烯气凝胶
其次，这种材料具有超高弹性，可以被压缩成其原始大小的5%甚至更低，循环1000次以后仍然能够恢复原来的形状。另外，该材料具有高强度，压缩模量可达100兆帕以上，材料强度比同重量的钢材要大200倍，力学强度优于所有气凝胶材料，同时还具有良好的机械稳定性。三维石墨烯还是良好的导体，是所有碳基气凝胶电导率中最高的，与LED灯连接，利用压缩可以灵活调节LED灯的亮度。
三维石墨烯具有丰富的微纳结构，显示出优异的超疏水特性，小水滴可以在其表面自由地滚动而不会进入其内部。这种特性使三维石墨烯具备自清洁功能，可以使水下油滴进行定向运输和收集，实现油水分离。
海上船只屡有发生原油泄漏事故，给很多国家造成经济损失和严重的环境污染问题。三维石墨烯具有大的孔隙率以及超疏水特性，对包括原油等数十种有机污染物有很强的吸附性，最高吸附量可以达到自身重量的1000倍以上，并且可重复利用多次循环，吸附量可无明显衰减。因此采用三维石墨烯可以快速吸收水中油污，处理海上漏油，通过外力挤压的方式实现原油的回收利用，也可以通过燃烧的方式实现三维石墨烯的重复使用。
我们国家是一个淡水资源相对匮乏的国家，海水淡化是我们追求的梦想，如何实现低成本零污染的海水淡化，是摆在我们面前迫切需要解决的问题。三维石墨烯独特的微纳结构，可以制备出超黑材料 （注：超黑材料，也叫“看不见”材料，一种新出现的“最黑”材料，仅仅反射0.035%的光，达到了肉眼根本无法分辨的程度，黑得就像出现了一个黑洞），高效吸收太阳光，提高蒸发效率，通过将海水加热蒸发并冷凝，实现海水淡化。
三维石墨烯淡化海水
今年发生了严重的新冠肺炎疫情，口罩成为保护医护人员的第一道防线，一度成为稀缺资源。三维石墨烯具有大比表面积和强静电吸附特性，可以作为关键过滤材料，提升过滤效率。如今，我们可以在市面上买到石墨烯口罩，它在抗疫中发挥了重要作用。
三维石墨烯可过滤和净化空气
此外，三维石墨烯还可以作为结构材料、隔音材料和绝热材料。首先，它的超轻超强结构可降低未来航天器40%的重量，实现节能减排。此外，三维石墨烯具有超大的孔隙率，极低的热导率和导热系数，可用于各种形式的保温材料。三维石墨烯还具有低声速特性，可作为一种理想的声学延迟和高温隔音材料，因此，三维石墨烯可用于航空、航天、航海等领域。
三维石墨烯还可以作为结构材料、隔音材料和绝热材料
通过上面的介绍，我们了解到石墨烯和三维石墨烯均具备了其他材料没有的极限性能，在储能环境、结构材料等领域都具有很好的应用效果。石墨烯被誉为材料之王、万金油，我们姑且不提这种说法是否恰当，但也从侧面反映出石墨烯材料得到了人们很高的期待。
然而有些新闻媒体对石墨烯材料过度解读，给出了夸大的报道，比如石墨烯电池、石墨烯手机等报道，短时间看可以起到博眼球的新闻效果，但这对石墨烯的长远发展是极其不利的。对于实际应用，我们还要综合评估，首先要对标现有商用产品的技术效果，还要经得起市场的竞争，保障产品效果优异的同时还要有成本优势。
最后，我想说的是，对于石墨烯材料也好，其他新材料也好，我们都需要有一定的时间进行材料技术的沉淀和积累，寻找杀手锏级的应用，体现出新材料的不可替代性。
我也希望三维石墨烯能够成为这样的新型材料，肩负起它的责任，在众多新材料中杀出重围，率先实现产业应用，使我们的未来生活更加美好。谢谢大家！
智力支持：共青团上海科学技术工作委员会
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