據(jù)最新一期《自然·通訊》雜志報道，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所開發(fā)出一種突破性方法，可制備出毫米級晶粒、鏡面般光滑的石墨薄膜。晶粒尺寸約為傳統(tǒng)人造石墨的1萬倍，性能接近單晶石墨理論極限。這一成果有望推動高品質(zhì)石墨在熱管理、電子器件、先進(jìn)電池等領(lǐng)域的應(yīng)用邁向新臺階。
力學(xué)測試結(jié)果顯示，該石墨薄膜的楊氏模量達(dá)到969吉帕斯卡，拉伸強(qiáng)度1.29吉帕斯卡，接近單晶石墨的理論極限，平面熱導(dǎo)率高達(dá)2034瓦/米·開爾文，超過銅的水平，電導(dǎo)率高達(dá)22500西門子/厘米，刷新了宏觀人造石墨的性能紀(jì)錄。
（a）建議的反應(yīng)路徑示意圖。（b）實(shí)驗(yàn)配置示意圖。（c）鏡面石墨膜的 AFM 高度圖像和 SEM 圖像。圖片來源：韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所
石墨因優(yōu)異的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，被廣泛用于電池負(fù)極、電磁屏蔽、催化和核技術(shù)等領(lǐng)域。但長期以來，傳統(tǒng)高溫處理聚合物薄膜或制備高取向熱解石墨的方法，得到的材料晶粒較小、密度不足、表面易起皺。這些缺陷制約了石墨在高端應(yīng)用中的潛力。
針對這一難題，團(tuán)隊(duì)提出“多孔基底”策略，即在石墨生長完成后，通過選擇性蒸發(fā)鎳-鉬合金中的鎳，形成海綿狀基底，從而顯著削弱了石墨與金屬表面的相互作用，也有效地消除了冷卻過程中的界面應(yīng)力，防止薄膜形成皺紋或扭結(jié)。
新工藝可實(shí)現(xiàn)每秒6.2層的超高速生長，比傳統(tǒng)方法快20倍以上，適合大面積規(guī)模化生產(chǎn)。此外，通過在金屬箔表面預(yù)先刻蝕圖案，還能將石墨薄膜定制成復(fù)雜形狀，例如用于機(jī)械測試的狗骨形試樣。這種可控性為定制化器件制造和實(shí)際應(yīng)用提供了新可能。
該研究刷新了人造石墨的極限，使晶粒尺寸達(dá)到毫米級，可媲美稀有的天然石墨晶體。但與天然材料不同，這種薄膜在形狀、厚度和純度上都能精確控制，標(biāo)志著材料設(shè)計與性能的重大飛躍。
