振动运动会促使石墨颗粒在边缘处折叠，随后分裂成更薄的层状材料，从母体颗粒上剥离，最终在液相中经历高应变速率，形成原子级薄的石墨烯片层。图片来源：伯明翰大学
研究人员展示了一种在室温下制备二维材料的新技术，该技术无需使用有毒溶剂，且生产率比现有方法提高了十倍。由机械工程系的Jason Stafford博士领导的科学家团队证明，该方法可制备导电材料、半导体和绝缘体的纳米片，这些材料是当今所有数字设备和技术的基础。该研究发表在《Small》期刊上。
Stafford博士表示：“我们的研究展示了一种制备二维材料的新方法，既克服了现有方法在产能方面的问题，同时也融入了可持续的制造实践。”
二维材料是由几层原子构成的超薄材料。它们具有独特的电子、热学和力学性能，与三维材料相比有显著差异，是下一代电子、能源和传感器技术的理想组件。
尽管这些材料可在实验室中制备，但相同的方法在工业规模上效率低下。
剪切混合是一种高能耗工艺，需施加强烈的机械力且运行时间较长；超声处理则利用超声波将前驱体材料破碎成纳米片。这两种方法均适用于相对较低的物料浓度，因此生产率低且溶剂浪费严重。球磨是一种低溶剂消耗的选择，据报道可获得高产率，但该方法加工时间长，存在来自研磨介质的污染风险，并可能在纳米材料的结构中引入缺陷。
石墨烯的制造一直面临巨大挑战，包括生产成本高昂、材料质量不稳定、大规模生产的技术壁垒，以及对关键且不可再生原材料的依赖。为满足大规模工业需求，亟需提高生产效率并采用可持续的绿色制造方法。
伯明翰机械化学与机械加工中心的科学家们展示了一种利用高强度振动的新型机械方法，用于合成石墨烯及其他二维材料，包括电子绝缘体六方氮化硼，以及应用于光电子领域的半导体二硫化钼和二硫化钨。
Stafford博士表示：“通过为这些令人振奋的材料开辟更具可持续性的替代合成途径，我们有机会降低其产业化的门槛。这将有助于推动未来电子设备、复合材料和催化剂的发展，同时在扩大生产规模时避免产生意想不到的环境影响。”
他们发现，该振动技术需要液体才能发挥作用，但研究人员并未使用有毒溶剂，而是选择了水和单宁酸来演示该方法，因为这两种物质具有很高的可持续性且成本低廉。
他们发表的研究结合了实验、材料表征和计算机模拟，展示了材料如何从原始的“块状”材料转化为几层厚的纳米片。
在石墨烯研究中，研究团队结合了电子显微镜与多相计算模型，证实振动运动会促使石墨颗粒在边缘处发生折叠，随后分裂成更薄的层状材料，从母体颗粒上剥离，最终在液相中经历高应变速率，形成原子级薄的石墨烯片。
实验结果表明，振动法可在显著更高的浓度下运行，因此其生产速率高于超声处理或剪切混合。在石墨烯生产的最初阶段——即前驱体在分裂前边缘发生折叠的阶段——这一现象早在五分钟内就被检测到，光谱分析表明，振动剥离法不会在石墨烯纳米片中引入缺陷。
Jason Stafford博士是20项专利的共同发明人，也是伯明翰大学企业部提交的一项关于二维及纳米材料高通量处理方法的专利申请的主要发明人。研究团队希望与有意获得该专利许可，或就上述任一技术的进一步开发与优化开展合作的商业公司进行洽谈。
出版详情
Aadam Rabani et al, Vibrational Exfoliation of 2D Materials, Small (2026). DOI: 10.1002/smll.202511652
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