"颠覆认知！缺陷石墨烯解锁新能力，诺丁汉大学引材料革命"

今日新闻 2025年10月08日 20:40 0 aa

诺丁汉大学牵头的一群国际科学家，最近干了件颠覆常识的事，给石墨烯故意搞点“小缺陷”，结果反而让这材料解锁了新本事，相关科研成果还发在了《化学科学》上。

要知道，石墨烯自2004年被发现后，一直顶着“奇迹材料”的名头，强度是钢的200倍，导电比硅还好，透光率也超高。

但以前我跟多数人一样，都觉得材料肯定是越完美越好，毕竟谁会主动给好东西找“茬”呢？这次研究一出来，才发现材料科学里还真有“反常识”的门道。

石墨烯“不完美”才好用？缺陷反而解决了老难题
以前在材料领域，大家都默认“缺陷=麻烦”，觉得有瑕疵就会拉低性能、引发故障。

但这次诺丁汉大学的团队偏不按常理出牌，他们在石墨烯的蜂窝结构里，特意引入了五元环和七元环组成的“缺陷对”。

化学学院的大卫・邓肯副教授说得挺实在：“完美的石墨烯确实厉害，但有时候太‘高冷’了。”
这话怎么理解呢？完美石墨烯的化学惰性特别强，就像个不爱说话的人，没法跟其他分子好好互动。

本来想，凭着它的强度和导电性，在催化、传感器这些领域肯定能大显身手，后来发现根本不是这么回事，它连跟其他分子结合都费劲，怎么当催化剂？怎么检测环境里的微小物质？这就像手里有把超锋利的刀，却没合适的刀柄，根本用不上力。
而引入缺陷之后，情况完全变了，这些精心设计的缺陷，首先打破了石墨烯的完美对称性，多出了不少“活性位点”。

这些位点就像一个个小钩子，能牢牢抓住外来分子，不管是催化反应还是检测气体，效率都提上去了。

其次，缺陷还改变了石墨烯的电子能带结构，以前它是零带隙，没法当半导体用，现在带隙能调了，半导体领域也有了用武之地。

很显然，这缺陷不是瞎搞的，是精准设计的“加分项”，就像给衣服故意留个口袋，反而更实用。
当然，也不是说所有缺陷都有用，要是随便磕碰出来的缺陷，那还是会毁了材料。

这次团队的关键就在于“可控”，缺陷的类型、密度都能精准调节，这才让石墨烯的性能往想要的方向走。
用阿祖芘当“积木”，一步搞定缺陷石墨烯
光知道缺陷有用还不够，怎么精准做出这些缺陷才是关键。

总不能靠碰运气，等着石墨烯自己长出缺陷吧，团队在这步上的思路挺巧妙，他们选了一种叫“阿祖芘”的分子当“积木”，用来搭建石墨烯。

为啥选阿祖芘，因为这种分子的结构里，天生就带着团队想要的缺陷片段。

选对原材料太重要了，就像做饭得选新鲜食材，后面步骤再对，食材不行也白搭。

阿祖芘不用额外修饰，直接就能用，大大降低了合成的复杂度，这比以前的方法省了不少事。
除了选对“积木”，温度控制也很关键，研究人员发现，调节合成时的温度，就能控制缺陷的密度。

温度低一点，分子结构保留得更多，缺陷就多，这种石墨烯更适合催化，温度高一点，分子会重组，缺陷就少，更适合做电子器件。

这种“按需调节”的能力，让石墨烯能适配不同的应用场景，比以前“一刀切”的完美石墨烯灵活多了，更重要的是，团队用的是“一步法”。

以前做缺陷石墨烯，得先合成完美石墨烯，再用等离子体刻蚀之类的方法加缺陷，步骤多不说，缺陷还特别随机，根本没法控制。

这次一步到位，既能长出石墨烯，又能精准加缺陷，而且做出的薄膜还能转移到各种基底上，不管是硬的硅片，还是软的聚酰亚胺，都能贴上去。

这特性对实际造器件太重要了，毕竟不同产品需要不同的基底，总不能让石墨烯“挑三拣四”。
要证明这些缺陷真的存在，而且确实有用，还得靠硬核的检测手段。

团队用了英国的钻石光源和瑞典的MAXIV同步辐射装置，这俩设备能产生超亮的X射线，把石墨烯的电子结构看得明明白白。

钻石光源比太阳亮100亿倍，用它做的X射线光电子能谱，能精准分析缺陷处的元素价态，MAXIV则能解析电子能带的变化，证明带隙真的被调节了。
还有扫描隧道显微镜，能拍出0.1纳米分辨率的图像，这是什么概念？原子级别的细节都能看清。

团队真的拍到了那些五元环和七元环的缺陷，均匀度还达到了90%以上，实打实的证据摆在那，没法不信，光有实验还不够，理论支撑也得跟上。

英国的国家超级计算机ARCHER2派上了用场，它的算力超强，能通过密度泛函理论计算，预测不同缺陷对电子结构的影响。

最后算出来的结果，跟实验观测到的几乎一样，吻合度超过95%。

毫无疑问，实验加理论双保险，这研究的可信度就高多了，不是光靠嘴说的，现在来看，这缺陷石墨烯的应用前景是真不小。

传感器领域，它能更灵敏地检测有害气体，以后环境监测、医疗诊断都能用，能源存储方面，缺陷位点能当锂离子的“落脚点”，电池容量和充放电速度都能提上去，半导体领域，以前石墨烯因为零带隙没法用，现在带隙能调了，说不定能突破硅基芯片的尺寸极限，催化领域，它能降低反应的活化能，不管是制氢还是还原二氧化碳，效率都能升一截。
搞不清以前为啥没人想到给石墨烯搞缺陷，但现在看来，有时候打破常规反而能找到新出路。

按现在的进度，2025年有望实现公斤级制备，2027到2030年说不定就能商业化应用。

到时候我们可能会用到缺陷石墨烯做的传感器、电池，甚至更先进的芯片。