如何利用家庭用具制备石墨烯悬浮液

一、科学背景

鉴于液相剥离（LE）方法的发展，研究人员开始在大规模上生产二维（2D）材料。LE方法通过将层状晶体剥离成单层或多层纳米片，可以制备出高质量的2D材料。特别是剪切剥离方法的出现，使得LE方法更具成本效益，因为它可以利用家用食品加工器具来实现。然而，即使LE方法已经取得了一定的进展，但对于低收入机构、第三世界国家和公民科学倡议而言，仍然存在一些困难。因为除了剪切设备之外，通常在研究中应用的净化仪器（例如离心机）、剥离介质（如溶剂或去离子水）和工业石墨源等仍然经济上具有排他性。

为了解决这些问题，萨塞克斯大学数学与物理科学学院Conor S. Boland教授在npj 2D Materials and Applications顶刊发题为“Hometronics – accessibleproduction of graphene suspensions for health sensing applications using onlyhousehold items”的研究论文。他们提出了一种新的方法，即利用家庭用具制备石墨烯悬浮液和纳米复合材料。他们利用家用食品加工器具对铅笔进行剥离，通过混合所得的粉末与溶剂，成功地将高质量的石墨烯分散在自来水中。通过使用家庭用品制备的石墨烯，他们还展示了可以制备出一种名为铅笔黏土（p-putty）的纳米复合材料，该材料在健康应用中具有重要意义。

二、研究内容

在图1中，研究者通过家用食品加工器具剥离铅笔芯，并在搅拌机中进行液相剥离（LE），以制备高质量的石墨烯悬浮液。图中的各部分展示了实验过程及结果：图1a显示了利用铅笔制备石墨烯的方案；图1b-d展示了铅笔和搅拌机的实验工具，以及剥离后的稳定石墨烯悬浮液；图1f展示了原子力显微镜（AFM）下石墨烯纳米片的形貌；图1g则通过拉曼光谱确认了石墨烯的生成。通过图1的实验，研究者成功地使用了家庭用品制备了高质量的石墨烯悬浮液，从而降低了生产成本，提高了可访问性。

图1. 从家庭商用物品制备石墨烯。

而在图2中，研究者进一步将所得石墨烯应用于p-putty纳米复合材料的制备，并展示了其在电机械性能方面的应用。图2a展示了p-putty与不同石墨烯体积分数的照片；图2b-c显示了原始黏土和0.4% p-putty的扫描电子显微镜图像；图2d展示了不同体积分数下的压缩杨氏模量；图2e则展示了黏土在剪切应变下的贮存（G'）和损耗（G''）模量。通过图2的实验结果，研究者成功地将石墨烯应用于p-putty纳米复合材料中，使其具有了优异的电机械性能，可用于测量脉搏等健康应用。

图2. P-橡胶纳米复合材料。

三、总结展望

本研究展示了利用廉价易得的家用物品，如铅笔、搅拌机和洗涤剂，进行石墨烯液相剥离的方法。通过创新性的方法，科学家们成功降低了石墨烯制备的成本，大大提高了其可访问性，从而将先进的纳米技术推广至低收入机构、第三世界国家和公民科学倡议。此外，他们还将家用纳米材料与学校胶水结合，开发了一种新型纳米复合材料，用于测量人体脉搏等健康监测应用。这一研究成果不仅拓展了纳米材料的应用领域，还为青少年科学教育提供了实践机会，激发了下一代科学家的兴趣，并为未来纳米技术的发展奠定了坚实基础。

审核编辑：黄飞