探索石墨烯基礎(chǔ)研究的新高地

——化學(xué)系教授石高全等完成的“化學(xué)修飾石墨烯可控組裝與復(fù)合的基礎(chǔ)研究”項目獲2016年度國家自然科學(xué)獎二等獎

實習(xí)記者 呂 婷

項目名稱：化學(xué)修飾石墨烯可控組裝與復(fù)合的基礎(chǔ)研究

項目完成人：石高全、徐宇曦、李春、白華、吳穹、洪文晶、孫漪清、張麗、黃燦燦、盛凱旋、陳驥、劉安然等

項目介紹：2007年以來,項目組系統(tǒng)開展了關(guān)于石墨烯的可控化學(xué)制備、石墨烯大分子行為及超分子化學(xué)、石墨烯結(jié)構(gòu)與性能等方面的研究。在石墨烯化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及尺寸控制，石墨烯非共價修飾、可控組裝與復(fù)合，以及石墨烯在催化、能源、傳感、有機納濾膜領(lǐng)域中的應(yīng)用等方面取得了重要研究進展。系列研究成果具有原始創(chuàng)新性，在國際上具有重要學(xué)術(shù)影響；發(fā)表與石墨烯相關(guān)SCI論文115篇，論文被引用15000多次；申請相關(guān)專利6項，已授權(quán)3項。

近年來，石墨烯因其獨特的單原子厚度二維結(jié)構(gòu)以及在強度、柔韌性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等方面的優(yōu)異表現(xiàn)而備受關(guān)注，在材料、能源、信息、環(huán)境等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。面向以工業(yè)4.0為代表的新工業(yè)革命，關(guān)于石墨烯的制備、開發(fā)和應(yīng)用研究面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。

2017年1月，在人民大會堂舉行的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，石高全和他的團隊?wèi){借“化學(xué)修飾石墨烯可控組裝與復(fù)合的基礎(chǔ)研究”這一項目獲得2016年度國家自然科學(xué)獎二等獎。該項目主要研究了化學(xué)修飾石墨烯的大分子行為，建立了石墨烯化學(xué)修飾、可控組裝與復(fù)合的新方法，研制了系列石墨烯功能材料并探索了其在能源領(lǐng)域中的應(yīng)用，為揭示化學(xué)修飾石墨烯結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、構(gòu)建新型石墨烯功能材料、推進其工業(yè)化進程提供了重要的知識積累、理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

十年長路 求索不止

石墨烯本來就存在于自然界，但卻難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，而單層石墨烯的性能與石墨卻有著天壤之別。如何剝離出單層的石墨烯，在十多年前面臨著重重困難。

石高全與石墨烯結(jié)緣是在一次學(xué)術(shù)會議上。一位物理學(xué)家在會議上介紹了物理剝離石墨烯的方法：先從石墨中剝離出石墨片，然后把薄片的兩面粘在特殊的膠帶上，撕開膠帶就能把石墨片一分為二。如此反復(fù)多次，薄到只有一個碳原子的厚度時，石墨烯就制成了。“這種制備方法成本十分高昂，我開始思考能不能用化學(xué)方法制備石墨烯”，石高全說。石高全后來查閱文獻時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時已有的化學(xué)制備方法主要運用氧化剝離的方法，但這種方法制備出的石墨烯不能在溶劑中分散和溶解。博士階段專注于一維共軛高分子材料研究的石高全敏銳地發(fā)現(xiàn)，石墨烯從結(jié)構(gòu)上可以看成是二維共軛高分子。于是，石高全及其團隊將石墨烯作為二維共軛高分子進行研究的漫漫長路就此開始。

對共軛高分子的研究從一維轉(zhuǎn)向二維層面，既是石高全對自己研究領(lǐng)域的拓展，又面臨著巨大的挑戰(zhàn)。“做研究沒什么特別的，我們一步一步向前走，以解決基本的科學(xué)問題為目的”，石高全回憶十年來對石墨烯的研究時說。石高全團隊對石墨烯的研究從2007年開始，2008年團隊在國際期刊發(fā)表了第一篇研究論文。十年來，團隊發(fā)表與石墨烯相關(guān)的SCI論文115篇，論文被引用15000多次，申請相關(guān)專利6項，已授權(quán)3項。然而在石高全看來，論文發(fā)表只是研究實現(xiàn)突破的客觀結(jié)果，不必刻意追求，真正支撐他堅持至今的有更深層的動力。他說：“石墨烯結(jié)構(gòu)獨特，性能出色，一直吸引著我不斷去探索。而作為二維的分子，大家對石墨烯的認(rèn)識還不是很清楚，它的應(yīng)用還有賴于基礎(chǔ)研究的突破，所以我們要一直做下去。”

精誠合作 薪火相傳

石高全組建了一支以研究生為主干力量、充滿活力的年輕隊伍。談起研究取得突破的訣竅，他說：“一個團隊就像一個家庭，精誠合作、氛圍融洽十分重要。”

石高全的團隊正是這樣一支精誠合作的團隊。“課題組每個學(xué)生的課題都不一樣，不存在競爭關(guān)系，而是互相關(guān)聯(lián)、互相配合。從石墨烯的制備、修飾到石墨烯在傳感器、催化劑、驅(qū)動器件的應(yīng)用等，每個人都有明確的分工”，石高全說。

放手讓學(xué)生去做研究是石高全培養(yǎng)學(xué)生的一貫作風(fēng)。在對學(xué)生進行一系列訓(xùn)練后，便充分發(fā)揮學(xué)生的積極性。石高全把他的團隊比作一支足球隊：“老師要扮演的角色是足球隊的教練，他不會在場上踢球，但要有發(fā)現(xiàn)問題的敏銳性和把控方向的能力。學(xué)生要沖到第一線，處理每一個細節(jié)，比如觀測實驗現(xiàn)象并清楚它的意義等。作為老師，我們會及時糾正學(xué)生在研究方向上的錯誤，適當(dāng)改變他們的研究策略，防止他們走彎路。”

憑著齊心協(xié)力、勤奮鉆研的干勁兒，石高全團隊攻下了石墨烯領(lǐng)域一個又一個科研難題。每天8點之前到實驗室，每星期工作6天，石高全堅持嚴(yán)格執(zhí)行這樣的作息時間，帶動實驗室團隊不斷奮進。每天十幾個小時的科研時間里，石高全并不要求學(xué)生一直做實驗，“我常跟學(xué)生們說，希望你們用一半的時間去思考，沒有思考的研究往往會犯很多錯誤。不能做原理不通或者一味求新的實驗。做實驗之前一定要問，做了之后誰會受益，意義何在。”

在攻堅克難的過程中，石高全十分重視對學(xué)生的培養(yǎng)。“老師最大的動力和幸福感來源于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力”，石高全說。據(jù)了解，石高全有二三十個學(xué)生從事教學(xué)科研工作，還有的學(xué)生在工業(yè)界發(fā)揮著重要作用。

基礎(chǔ)研究 魅力無限

團隊經(jīng)過多年的悉心灌溉，終于收獲了創(chuàng)新的果實。團隊創(chuàng)造性地提出了具有共軛結(jié)構(gòu)小分子或高分子非共價修飾制備水溶性石墨烯的新方法。簡而言之就是采用非共價修飾的方法在石墨烯的表面修飾一些基團，讓它從不溶解的狀態(tài)變成可溶的狀態(tài)，同時保留石墨烯本身的性能和結(jié)構(gòu)，并賦予它新的功能。這一新方法為發(fā)展和完善可溶性石墨烯制備技術(shù)提供了新思路。

同時，團隊在國際上率先開展了化學(xué)修飾石墨烯溶液組裝行為、三維組裝結(jié)構(gòu)與性能的研究，制備了系列具有多維度、多級次微結(jié)構(gòu)的石墨烯塊體材料，并探索了其應(yīng)用。“把石墨烯作為組裝的基元，搭成三維組裝的結(jié)構(gòu)，最大限度地保持它的比表面積和單片的性質(zhì)，可以做成薄膜、水凝膠、柔性電子器件等，這在國際上也是具有開創(chuàng)性的”，石高全說。

項目的成果不止于此。團隊還建立了制備化學(xué)修飾石墨烯復(fù)合材料的新策略，揭示了復(fù)合組份與石墨烯片間的協(xié)同作用機理。團隊將石墨烯和其他組分組裝復(fù)合，再加工成型，使其性能最大化。此項突破為開展石墨烯復(fù)合材料研究開辟了新方向，也為推動石墨烯材料在能源器件中的應(yīng)用作出了重要貢獻。

雖然取得了矚目的成績，石高全仍在石墨烯的研究領(lǐng)域深耕不輟。談及原因，石高全說：“現(xiàn)在要做的事情還有很多。將實驗室的成果與現(xiàn)有的工藝結(jié)合起來做成產(chǎn)品的過程中會遇到很多問題，比如新的材料不能完美適應(yīng)現(xiàn)有的工藝、性價比不高等。原材料和工藝都要建立一套新的體系，而最重要的是從原材料本身進行研究和控制。”

團隊關(guān)于石墨烯的研究是一項重要的基礎(chǔ)研究，也就注定取得突破需要長時間的付出。基礎(chǔ)研究可以說貫穿了石高全到目前為止的整個研究生涯，并將一直延續(xù)下去。石高全說：“基礎(chǔ)研究無止境，任何時候都不能說已經(jīng)把事物都認(rèn)識透徹了。現(xiàn)在石墨烯的應(yīng)用不夠完善的原因，恰恰在于它的基本問題沒有被解釋得很清楚。只有在基礎(chǔ)研究完善的情況下才能實現(xiàn)應(yīng)用的突破，因為基礎(chǔ)研究是知識創(chuàng)新的源頭。”

“板凳一坐十年冷”，帶著對基礎(chǔ)研究的執(zhí)著與熱情，石高全和他的團隊又像往常一樣，在實驗室里開始了新一天的探索。下一個十年，讓我們期待在這樣一個簡單純粹、勤奮踏實的實驗室里，誕生出新的推動基礎(chǔ)研究進程的重大科技成果。

來源：新清華 2017-05-27

（清華新聞網(wǎng)5月31日電）

編輯：徐靜