雙層石墨烯轉化成新材料：比鑽石更硬，能抵擋子彈！

導讀

最近，美國紐約市立大學開發出一種製造新材料「diamene」的工藝，diamene 是一種柔韌的分層石墨烯薄片，短時間內比鑽石更硬，對於任何衝擊來說幾乎堅不可摧。

背景

石墨烯，是一種具有眾多卓越特性的二維材料，它具有單層碳原子組成的蜂窩狀結構，厚度僅是人類髮絲直徑的百萬分之一，而強度卻勝過鋼鐵百倍，導電性能卻勝過銅，所以非常適合用於電子器件。對於石墨烯的相關特性和用途介紹，筆者在之前很多篇文章中都有過提及，這裡就不一一贅述了。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

今天，讓我們想像石墨烯的另外一種奇特的用途：將它製成一種柔韌且輕量的金屬薄片，而且變得足夠堅硬，甚至可以抵擋得住子彈的衝擊。

（圖片來源：Red Orbit）

創新

在一篇發表於《自然納米技術》的論文中，美國紐約市立大學（CUNY）描述了一種製造新材料「diamene」的工藝。diamene 是一種柔韌的分層石墨烯薄片，短時間內比鑽石更硬，對於任何衝擊來說幾乎堅不可摧。

（圖片來源：Ella Maru Studio）

技術

紐約市立大學研究生中心高級科學研究中心（ASRC）的科學家們致力於雙層石墨烯的理論化和測試。每一層石墨烯只有一個原子的厚度，可在室溫條件下轉化為類似鑽石的材料，且經受得住猛烈的衝擊。團隊也發現，在發生這種轉化的時刻，會引發電流突然減少，這也說明 diamene 的電子和自旋電子特性也非常吸引人。

ASRC 物理學教授以及項目的領導研究員 Elisa Riedo 表示，這是有史以來具有鑽石般硬度且最薄的膜。之前，當我們測試石墨或者單層石墨烯時，我們會施加壓力，感受到的薄膜是非常柔軟的。但當石墨薄膜只有兩層厚度，突然間我們意識到這種材料受到壓力時，將變得極度堅硬，甚至比鑽石更硬。

研究團隊成員、CUNY 斯塔滕島學院的化學系副教授 Angelo Bongiorno 開發出了製造 diamene 的理論。當給兩層蜂巢狀的石墨烯層（通過不同的配置對齊）施加壓力時，他和同事們使用微型計算機為潛在的結果建模。然後，Riedo 和其他團隊成員然後使用原子力顯微鏡，為處於碳化硅襯底上的兩層石墨烯施加局部壓力，而且發現與計算結果完全一致。實驗和理論都顯示，這種石墨烯向鑽石的轉變不會發生於兩層以上或者單層的石墨烯層。

Bongiorno，石墨和鑽石都完全由碳原子組成，但是碳原子在這兩種材料中的排列方式不同。如下圖所示，一個光亮堅硬，一個烏黑柔軟。因此，它們在硬度、柔韌度和導電程度等方面都具有不同的特性。

（圖片來源於：維基百科）

價值

研究人員的新技術讓他們可以操控石墨，使其在特殊條件下，發揮有益特性。這項新發現將很可能應用於耐磨的防護塗層以及超輕防彈膜。

另外根據研究論文，研究團隊的工作成功地為研究二維材料中石墨到鑽石的相變，開啟了新的可能性。未來的研究將探索新方法，用於穩定這種轉化以及產生出的材料的進一步應用。

關鍵字

石墨烯、鑽石、二維材料

參考資料

【1】http://www.asrc.cuny.edu/2017/12/18/diamene-study/

【2】Yang Gao et al, Ultrahard carbon film from epitaxial two-layer graphene, Nature Nanotechnology (2017). DOI: 10.1038/s41565-017-0023-9

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