近日，美國哥倫比亞工程研究人員發現，即使由許多石墨烯小晶粒拼湊而成，石墨烯的硬度性能依然卓越。這一發現解決了之前理論模擬與實驗之間存在的一些矛盾；之前的理論稱石墨烯的晶界硬度是較強的，而試驗預測小晶粒石墨烯的硬度要遠遠弱于完整的石墨烯晶格。該研究近期發表在Science雜志上。

      石墨烯是由碳的單原子層組成，呈蜂窩晶格狀排列。項目的主持者、機械工程師James Hone稱，他們的一期科研于2008年就測試了在沒有缺陷的情況下石墨烯所能達到的硬度，即石墨烯本身的堅硬性能；但無缺陷的純凈石墨烯只有在極少數條件下才存在。而另一方面，由大量石墨烯小晶粒組成的晶界質材又廣泛應用于各種設備中。晶界的硬度又如何，這是之前所未知的。鑒于此，二期科研就利用化學氣相沉積法來研究石墨烯薄膜的硬度。結果顯示，石墨烯‘給力’回歸，堅硬性能較以前更勝一籌。

      實驗證明，常用的CVD生長石墨烯后處理法往往會導致晶界的硬度弱化。哥倫比亞科研團隊發明了一種新的加工方法，防止了生成的石墨烯在遷移過程中收到任何影響和破壞。Gwan-Hyoung Lee 稱，“我們替換了其中的一種腐蝕劑，并在不影響石墨烯的前提下找到了試驗樣例。實驗很清楚地糾正了之前的錯誤認識---石墨烯的晶界硬度是很弱的。”這一結論意義非同尋常，它為基礎學科的研究和工業應用提供了更多的機會。

      在完整晶體形態下，石墨烯（一個單原子厚的碳層）是目前為止世界上最為堅硬的物質。在實驗第一階段，研究團隊通過機械剝離的方法從石墨晶體上獲取到小的、結構完整的石墨烯薄片。但機械剝離是一個非常耗時的過程，遠遠不能滿足石墨烯應用的規模化工業生產。

      而現在，科學家們能夠利用化學氣相沉積法，在高溫熔爐內的銅襯底上生長出單層石墨烯片。石墨烯的首批應用之一就是時下正流行的柔性顯示器的傳導層。

      由于CVD石墨烯是由許多小晶粒湊合到晶界表面的，就像縫被子一樣拼湊在一起，這就致使晶界在原子結構方面存在一定缺陷；Kysar稱，由石墨烯小晶粒組成的晶界如果比完整的石墨烯晶格更容易破碎，那么它會極大地限制大面積石墨烯質材的強度。鑒于此，了解并深入研究這些石墨烯小晶粒的強度究竟如何就很有必要。

      哥倫比亞工程研究團隊想弄清楚究竟是什么能夠讓CVD石墨烯的硬度弱化。在測試樣例的制造加工過程中，工作人員發現，通常用來移除銅襯底的一些化學物質會對石墨烯造成影響，嚴重降低其硬度性能。

      研究發現，大晶粒CVD石墨烯和機械剝離得到的石墨烯相比，其硬度相當，這說明CVD石墨烯的晶格是完好的。而更令人驚訝的是，小晶粒CVD石墨烯，即便是在單個晶界上進行測試，其硬度依然高達90%。

       “這對于未來石墨烯的應用是個可喜的發現。因為原子尺度的石墨烯小晶粒所擁有的異常硬度能夠在各種樣例中表現出優越的性能”，Hone稱，“隨著科學家們研制出新型的柔性電子設備和超硬復合材料，石墨烯小晶粒的硬度價值將更加卓越”。

       強度大、面積大的石墨烯質材將廣泛應用于柔性電子產品等各種設施中，并能潛在地加強其組件性能。諸如像海報一樣能卷起來的柔性電視屏幕、能替代碳纖維的超硬復合材料；研究人員預測，亦或像太空升降艙一樣，利用CVD石墨烯薄片將軌道衛星和地球連接在一起的科幻應用，將來也大有可能成為現實，因為只有石墨烯（包括它的類似制品諸如納米碳管）才能勝任高強度的硬度性能要求。

       對于石墨烯作為二維材料的研究和應用，研究團隊也頗有興趣。Kysar稱，“關于二維材料的晶界，人們對其了解甚少；我們的研究顯示，相對于三維材料，二維材料的晶界對于加工流程更加敏感，這是因為石墨烯原子本身就位居石墨烯表面，因此，加工造成的表面影響對于三維材料的硬度可能微乎其微，但卻能極大地破壞并降低二維材料的硬度。當然，只要采取適當的加工處理方法，避免造成質材表面傷害，像石墨烯這樣的二維材料的晶界，簡直就是一種完美無憾的超硬材料”。

       該研究得到美國空軍科研辦公室和美國國家科學基金的支持。（編譯自Science Daily；翻譯：王現）