石墨烯：讓混凝土煥發(fā)“綠色”青春

李忠東

混凝士，同學們應該都不會陌生，它是最常見的建筑材料。它是用水泥作為膠凝材料，加上砂和石料，與水按一定比例配合，經(jīng)過攪拌而成的。然而，水泥生產(chǎn)需要耗費大量能源，而且在分解石灰石的化學反應過程中會釋放二氧化碳，產(chǎn)生的溫室氣體排放量很高。經(jīng)測定，水泥生產(chǎn)造成的碳排放量占全球的3%～5%，成為世界第二大二氧化碳排放源，因此尋找更加綠色的建筑材料是全球減少碳排放的重要一步。

混凝土界的“新星”

2004年，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。通過這樣不斷地操作，使得薄片越來越薄，最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯，兩位科學家因此共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯由六邊形晶格中的單層碳原子組成，它的獨特結(jié)構(gòu)賦予其重要的物理特性，包括高效的電熱傳導和不尋常的強度，在材料學、微納加工技術、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

自從石墨烯首次被發(fā)現(xiàn)以來已經(jīng)有十多年了，但是這種奇妙的材料由于其非凡的特性幾乎每天都成為頭條新聞。自201 0年以來，這種神奇的材料激發(fā)了工業(yè)家和企業(yè)家對它的許多可能的應用產(chǎn)生了極大興趣，包括發(fā)展超薄電子、高性能電池和超級電容器、聚合物復合材料等。

前不久，英國?？巳卮髮W工程系納米科學教授莫妮卡·克拉休恩領導的團隊使用納米工程技術將石墨烯納入傳統(tǒng)的混凝土生產(chǎn)，打造出一種世界最強的新型復合材料。

以前關于使用納米技術的工作集中在修改現(xiàn)有的水泥成分，這是混凝土生產(chǎn)的主要元素之一。而在這項創(chuàng)新性研究中，科學家創(chuàng)造了一項新技術，核心是將原子極薄的石墨烯片懸浮在水中，然后將水與傳統(tǒng)混凝土成分混合。據(jù)悉，這項生產(chǎn)工藝產(chǎn)量高，無缺陷，成本低，并且符合現(xiàn)代大規(guī)模生產(chǎn)要求。到目前為止，測試的復合材料樣品都符合英國和歐洲的施工標準。

減少二氣化碳排放

現(xiàn)代工程技術的進步不斷推動超高性能多功能建筑材料的發(fā)展，這些材料必須具備極強的耐久性和機械性能，能滿足多種用途，以適合未來新興的結(jié)構(gòu)應用。作為全球應用廣泛的人造材料，混凝土未來有必要實現(xiàn)納米級的設計，使它的化學和物理力學性能能夠在現(xiàn)有基礎上得到大幅度的提高。

加入石墨烯的混凝土與普通混凝土相比，抗壓強度提高了146%，抗彎、拉強度增加了79.5%，滲水率降低了近400%。它可以與現(xiàn)代制造技術結(jié)合使用，并且能夠以相對較低的成本擴大規(guī)模。至關重要的是，新型石墨烯增強型濃縮材料還大大降低了傳統(tǒng)混凝土生產(chǎn)方法的碳足跡，使其更具可持續(xù)性和環(huán)保性。

水泥是混凝土中的主要材料，而它的制作生產(chǎn)卻是二氧化碳排放的主要來源。 “綠色”混凝土所增加的強度和耐水性，允許用混凝土制造的結(jié)構(gòu)持續(xù)更長的時間，這意味著它們不需要經(jīng)常更換。另外，在混凝土中摻入石墨烯，可以將包括水泥在內(nèi)的其他材料減少約50%，使得生產(chǎn)每噸混凝土的二氧化碳排放量減少446千克。

這項開創(chuàng)性的研究很重要，因為它可以應用于大規(guī)模的制造和建設，建筑行業(yè)不只是要把現(xiàn)場施工納入其間，材料創(chuàng)新同樣非常重要。在難以維修的地區(qū)進行施工， “綠色”混凝土憑借其防水性大顯神通。特別值得一提的是，它特有的強度使建筑物對沖擊和壓力更有彈性，利于防震減災。隨著科學家研究的深入，未來還可以將其他納米材料融入這種新型的“超級材料”中，從而為工業(yè)的進一步創(chuàng)新鋪平道路。

我們的城市面臨著來自污染、可持續(xù)城市化和災難性自然災害復原等全球性挑戰(zhàn)，在化解日益增加的壓力上，石墨烯功能納米混凝土前所未有的功能和性能助我們一臂之力。石墨烯讓最古老的建筑材料煥發(fā)出了“綠色”青春。