“暖男”石墨烯在冬奧

董昱含，朱榮秀

1山東大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，濟(jì)南 250102

2山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，濟(jì)南 250100

石墨烯(Graphene)是一種以sp2雜化碳原子形成的六元碳環(huán)緊密排列成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，厚度只有0.3354 nm，是目前世界上發(fā)現(xiàn)的最薄的材料之一。因具有獨(dú)特的電學(xué)性能、力學(xué)性能、光學(xué)性能、熱性能和高比表面積，石墨烯被廣泛應(yīng)用在能源、機(jī)械、電子、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。石墨烯的合成方法主要是剝離石墨法和直接生長(zhǎng)法。目前，使用較為廣泛的剝離法是氧化還原法、液相剝離法以及電化學(xué)剝離法[1]。

2022年，北京這座“雙奧之城”開啟了冰雪新篇章。冬奧地標(biāo)拔地而起，從藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；工業(yè)遺址與冬奧場(chǎng)館珠璧交輝，“冰絲帶”輕盈飄逸，“雪如意”蜿蜒靈動(dòng)，“雪游龍”磅礴飛騰……背好行囊，踏著滿地霜雪，石墨烯滿懷著期待來到了北京冬奧會(huì)現(xiàn)場(chǎng)。

1 入場(chǎng)身份核驗(yàn)——石墨烯的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用

由于新冠肺炎還在作祟，石墨烯聽從安排乖乖地戴好口罩，不給Covid-19以可乘之機(jī)。在出示健康碼后，石墨烯走向了冬奧會(huì)場(chǎng)館前閘機(jī)。面對(duì)著眼前的屏幕，還沒等他摘下口罩，這臺(tái)神奇的大機(jī)器就報(bào)出了石墨烯的身份信息，讓他不得不驚嘆于當(dāng)代中國(guó)科技的發(fā)達(dá)。

和石墨烯一樣驚奇的，還有一位美國(guó)的單板滑雪運(yùn)動(dòng)員?？粗炷虾１钡娜私?jīng)閘機(jī)進(jìn)入場(chǎng)館，這位運(yùn)動(dòng)員感嘆道：“這有一臺(tái)機(jī)器能認(rèn)出你是誰，這兒會(huì)出現(xiàn)你的照片，你戴著帽子、口罩，它還是能認(rèn)出你……”石墨烯發(fā)現(xiàn)了這位小哥，交朋友的興致一下子涌了上來，跑到人家面前就開始了自我介紹。

“嗨，你好！我是石墨烯，你可以叫我Graphene。我呀，和石墨很像，不過我是一種以sp2雜化碳原子形成的六元環(huán)緊密排列形成的單層二維蜂窩狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的新材料(圖1)，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和化學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料[2]。我作為一種新型納米材料，在遷移率、導(dǎo)熱導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度等考核中也取得了優(yōu)異成績(jī)[3]……哦，對(duì)了，你叫什么呀？”石墨烯突然意識(shí)到應(yīng)該讓對(duì)方也說說話，不好意思地笑了笑。小哥笑瞇瞇地看著石墨烯，說：“我叫肖恩，是一名單板滑雪運(yùn)動(dòng)員。你參加什么項(xiàng)目呀？”石墨烯一拍肚子，十分驕傲：“我石墨烯啊，參與的項(xiàng)目可多了！”

“我可以包覆成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管或者堆垛成三維的石墨[4](圖1)。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了我優(yōu)異的性能，我不僅是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料，而且我的電子遷移率受溫度變化的影響較小，在通電后將電能高效轉(zhuǎn)化為熱能，具有優(yōu)良的保暖功能[5]。我是一種既‘高大上’又接地氣的新材料，在這屆奧運(yùn)會(huì)我可是發(fā)揮了不小的作用呢！”短暫的寒暄后，石墨烯和小哥告了別，各自走向各自的場(chǎng)地。

圖1 碳的各種同素異形體的晶體結(jié)構(gòu)[4]

2 場(chǎng)地設(shè)施——石墨烯助陣場(chǎng)地保暖

早在2020年，鳥巢體育場(chǎng)部分觀禮區(qū)精準(zhǔn)加熱保障項(xiàng)目就已經(jīng)啟動(dòng)。我石墨烯積極參與了該項(xiàng)目材料的選拔，在電熱領(lǐng)域表現(xiàn)卓越。通電后，我能將電能高效轉(zhuǎn)化為熱能并輻射遠(yuǎn)紅外線，其中電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%以上，這與我本身的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

我石墨烯的碳原子是采用sp2雜化，相鄰碳原子未雜化的p軌道“肩并肩”平行重疊形成π鍵，π電子可自由移動(dòng)。當(dāng)通入電流時(shí)，我石墨烯內(nèi)部電子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，在這個(gè)過程中電子與碳原子產(chǎn)生碰撞而發(fā)熱，實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)化[6]，產(chǎn)生熱能向外以波長(zhǎng)為5-15 μm的遠(yuǎn)紅外輻照能量。另外，石墨烯和氧化石墨烯本身在1620 cm-1、3000-3700 cm-1范圍內(nèi)、1720 cm-1和1062 cm-1處均有紅外吸收，它們分別對(duì)應(yīng)C＝C、OH、C＝O、C-O-C等基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰(圖2)。吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化，其中在1062 cm-1處遠(yuǎn)紅外釋放能量較高。醫(yī)學(xué)研究表明，人體對(duì)8-14 μm的遠(yuǎn)紅外線吸收作用最強(qiáng)[7]，這些紅外線被人體接收，就可以起到智能加熱的效果了。

圖2 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)

見識(shí)了我石墨烯高超本領(lǐng)，冬奧組委及國(guó)家體育場(chǎng)相關(guān)專家從“安全、高效節(jié)能、舒適”三個(gè)維度綜合考量，經(jīng)過一年多的深入調(diào)研及比較，最終選定我作為柔性熱管理技術(shù)方案的最佳男主角。作為世界上最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最好的“新材料之王”[5]——我石墨烯可稱得上是“冬奧第一暖男”！

“這可是我首次亮相奧運(yùn)場(chǎng)館哦！你可以在鳥巢體育場(chǎng)部分觀禮區(qū)的桌子、椅子和沙發(fā)的內(nèi)部發(fā)現(xiàn)我的蹤跡，通過控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和調(diào)節(jié)按鈕，我的溫度可以選擇47、37和30 °C三個(gè)擋位；觀禮部分區(qū)域地毯的發(fā)熱也有我的一份力量，正因有我的參與，即使鳥巢環(huán)境溫度為-5 °C，地毯表面溫度仍可保持在20 °C[3]。我真是名副其實(shí)的暖男呢！”

“還有啊，我既能快速升溫和進(jìn)行熱傳導(dǎo)，擔(dān)負(fù)熱保障的重任，還不會(huì)給電力系統(tǒng)帶來額外負(fù)擔(dān)呢！我的耗電只占鳥巢整體電力負(fù)荷的0.098%，這對(duì)觀禮區(qū)域精準(zhǔn)速升溫和熱傳導(dǎo)，擔(dān)負(fù)熱保障的重任，還加熱控制可是非常關(guān)鍵的[3]！”

石墨烯走在觀禮區(qū)，一邊細(xì)數(shù)著自己參與建設(shè)的場(chǎng)地設(shè)施，一邊自我陶醉著。

3 開幕式——火炬中石墨烯碳纖維的“冰火交融”

冰雪與中國(guó)相遇，科技與美學(xué)碰撞出別樣的精彩。滾滾東流凝結(jié)形成冰立方，科技的利刃在其上雕刻出冬奧歷史之花。奧運(yùn)五環(huán)破冰而起，大年初四的鳥巢上空激蕩著絢爛花火，冬奧火炬“飛揚(yáng)”亮相，吸引了全世界的目光。

熊熊圣火照亮神州大地，映在“暖男”石墨烯烏亮烏亮的眼睛里?！斑@火炬外殼之所以耐火耐高溫且能在極寒天氣下使用，也有我的一份綿薄之力呢。不過啊，這可不是我自己的功勞，我和我的高性能樹脂兄弟共同參與了‘飛揚(yáng)’的碳纖維復(fù)合材料的制作。這種材料的密度只有鋼的四分之一，但強(qiáng)度卻是鋼的7-9倍[8]，通過三維編織，火炬外殼這才受得了冰火兩重天?；鹁嫒紵抟仓饕赃@種碳纖維復(fù)合材料做成，所以具有‘輕、固、美’的優(yōu)點(diǎn)。”

4 現(xiàn)場(chǎng)直擊——石墨烯電池保證設(shè)備正常運(yùn)行

比賽正式開始，奧運(yùn)健兒們?cè)诒煅┑刂斜M情施展自己的才能，用矯健的身姿詮釋著“更快、更高、更強(qiáng)”的奧林匹克格言。且看短道速滑“利刃”出鞘，花樣滑冰驚艷四座，游龍雪車上演“速度與激情”，跳臺(tái)滑雪“扶搖直上九萬里”……

在場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)員活力迸發(fā)、場(chǎng)外觀眾呼聲高漲的同時(shí)，“暖男”石墨烯也沒閑著。

“其實(shí)啊，轉(zhuǎn)播背包、對(duì)講機(jī)、手機(jī)等設(shè)備在低溫環(huán)境下是無法正常工作的。那么，猜猜看，在這樣的冰天雪地里，現(xiàn)場(chǎng)的工作人員是怎樣實(shí)時(shí)通訊，地球村的各個(gè)角落又是怎樣觀看到高清直播的呢？當(dāng)然是因?yàn)槲沂┰谄渲懈冻龅呐?！”石墨烯驕傲地拍拍胸脯，“除了有加熱的本領(lǐng)，我還有獨(dú)家秘密武器——石墨烯低溫電池！”

“低溫環(huán)境下，普通的電池電解液活性會(huì)降低，電池內(nèi)電阻特別是固液膜電阻增大，這就會(huì)導(dǎo)致充電放電效率降低[9]，當(dāng)充電放電效率低至一定水平，無法保證設(shè)備們的用電需求，它們可就要罷工了。但是咱石墨烯低溫電池可就不一樣咯！雖然說，隨著溫度降低，石墨烯低溫電池恒流充電過程縮短而恒壓充電過程增加，也會(huì)導(dǎo)致電池充電時(shí)間延長(zhǎng)且充電后的荷電狀態(tài)(SOC)難以達(dá)到100%，也就是說電池充完電后繼續(xù)工作的能力不能完全發(fā)揮出來。不過在像冬奧會(huì)現(xiàn)場(chǎng)這樣-20 °C的低溫環(huán)境中時(shí)，普通的鋰電池SOC只能控制在65%左右，而石墨烯電池SOC卻能達(dá)到94%，并且其充放電次數(shù)可達(dá)3500次[10]。有了充電放電效率較高的石墨烯低溫電池秘密武器，加上我自身的加熱能力，就能瞬間產(chǎn)生50 °C的溫升[11]，再在背包中加入石墨烯材料，即使環(huán)境溫度在-20 °C，設(shè)備也能夠正常使用的?！笔┪恍?，又說：“有我這個(gè)暖男在，怎么會(huì)讓設(shè)備們受凍呢？暖男，就要細(xì)致體貼，給大家?guī)頊嘏铮　?/p>

值得一提的是，“5G + 4K/8K超高清云轉(zhuǎn)播”是北京科技冬奧重點(diǎn)項(xiàng)目之一，石墨烯也是在本屆冬奧會(huì)首次加入到5G云轉(zhuǎn)播背包(圖3)的制作當(dāng)中。配置有石墨烯自發(fā)熱保溫套的云轉(zhuǎn)播背包，可以更好適應(yīng)冬奧會(huì)賽場(chǎng)的嚴(yán)寒環(huán)境，讓精彩絕倫的比賽現(xiàn)場(chǎng)直播走入千家萬戶。中國(guó)航發(fā)石墨烯材料冬奧專項(xiàng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人陳利軍介紹道：“使用石墨烯的云轉(zhuǎn)播背包一直裸露在空氣中，所以就要用特殊的低溫電池來給它供電。工作人員可以調(diào)節(jié)溫度檔位，大概能供熱8個(gè)小時(shí)[11]?！?/p>

圖3 石墨烯云轉(zhuǎn)播背包

“我不僅可以有效提高現(xiàn)有電池的容量及環(huán)境耐受性，電池容量小、低溫放電容量低甚至不放電等問題在我這里也是小菜一碟?！闭且?yàn)槭┑姆e極參與，冬奧會(huì)現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)工作才得以順利開展。

5 頒獎(jiǎng)儀式——石墨烯與禮服的保暖功效

經(jīng)過一系列激烈的比拼，冬奧會(huì)的賽程終于走到了尾聲?！叭鹧┫樵埔娛r(shí)”，石墨烯坐在臺(tái)下輕輕吟詠著詩(shī)句，欣賞著頒獎(jiǎng)禮儀服“瑞雪祥云”“鴻運(yùn)山水”和“唐花飛雪”(圖4)[12]。

圖4 冬奧會(huì)頒獎(jiǎng)禮儀服[12]

“這些頒獎(jiǎng)禮儀服裝不僅外觀典雅大方，還能抗-30 °C低溫，我可是功不可沒！因?yàn)樗膬?nèi)膽有特意添加的由我參與的全球領(lǐng)先工藝的石墨烯紡織物柔性發(fā)熱材料‘艾弗(AIHF)’。這是一種發(fā)熱效能卓越、能量可高效轉(zhuǎn)化的新型材料[13]，是我和碳納米管分散液合作完成的一塊能夠發(fā)熱的‘布’。除了出色的熱傳導(dǎo)性能，這一新型材料和普通布料一樣，也具有柔軟、輕薄舒適、耐水洗和耐用等優(yōu)點(diǎn)，也就是說，將它反復(fù)水洗、揉搓和剪裁，其性能絲毫不會(huì)有所衰減。”石墨烯撓撓頭，“總而言之，有我石墨烯在，一定保證姑娘們暖暖和和的，絕對(duì)不辜負(fù)‘暖男’的稱號(hào)！”

石墨烯又神秘一笑：“知道我是怎么履行‘暖男’職責(zé)的嗎？聽我細(xì)細(xì)道來。”

“首先我被從石墨中剝離出來，形成只有一個(gè)碳原子厚度的平面薄膜。然后被附著在絕熱基底上面，在我石墨烯薄膜兩端鍍以銀電極，將服裝材料覆于我石墨烯薄膜之上。在薄膜兩端施加交流電，我的薄膜表面就產(chǎn)生熱量，經(jīng)過熱傳導(dǎo)至人體體表完成加熱功能；通電導(dǎo)線和薄膜電極使用薄印刷電路板PCB (Printed Circuit Board)連接，使導(dǎo)線與電極完全接觸，保證電路暢通。在絕緣基底和PCB板的共同作用下，熱量就不會(huì)向外界傳導(dǎo)了(圖5)[14]?！?/p>

圖5 石墨烯薄膜發(fā)熱智能服裝模型[14]

“除了奧運(yùn)禮服，奧運(yùn)工作人員及志愿者帶的圍巾、馬甲、手套等也有我石墨烯柔性發(fā)熱材料的成分！在極寒環(huán)境下，只要人們需要，我石墨烯材料就能迅速產(chǎn)生熱量，為保暖提供保障?！薄罢俏沂┑膮⑴c,冬奧會(huì)才得以順利舉辦?！笔┓浅Ｗ院赖卣f。

“千萬雪花，競(jìng)相開放，萬千你我，匯聚成一個(gè)家?！笔┖秃⒆觽円黄瘕R唱主題歌《雪花》，純潔稚嫩的歌聲久久回蕩在明月星辰間。隨著奧林匹克主火炬緩緩熄滅，各代表團(tuán)旗幟亮起，空中出現(xiàn)一個(gè)巨大的焰火光環(huán)，點(diǎn)亮了“世界大同，天下一家”的主題和“更團(tuán)結(jié)”的奧林匹克精神，也在“黑科技”的助力下為本屆冬奧會(huì)畫上一個(gè)成功圓滿的句號(hào)。“暖男”石墨烯助力“科技冬奧”留住溫暖, 一起向未來。

“相信不久的將來，我將會(huì)走入尋常百姓家，做萬家燈火的暖男，去溫暖人間，鑄就幸福的世界！”告別冬奧，石墨烯又踏上了新的“暖男修煉之路”……