液相剥落法制备石墨烯
石墨，又称多层石墨烯，由多层碳原子组成，每层仅有一个原子的厚度，其结构决定了它优越的性质。当石墨片层减至只有少数几层石墨烯时，像单位质量材料的总表面积和薄片的机械性能等在实际应用中比较重要的性能就会大大提高。换句话说，石墨烯不仅仅是薄层石墨。但可惜的是，许多石墨烯厂商似乎不知道二者的区别，或者根本不在意这些区别。Kauling等人[1]在《先进材料》期刊发表了一项对60家厂商所售石墨烯的系统研究，发现不少价格高昂的石墨烯产品其实只是以石墨粉为主要原料制成的假货。
试想，如果每个人都可以售卖抗生素，无需遵循质量标准及法律法规，这个世界会变成什么样子？不仅是潜在的副作用令人担忧，药效也值得怀疑，甚至还可能会有致命的风险，这样一来很多人就不再敢用抗生素。像石墨烯这样的新兴纳米材料，虽然不至于伤人性命，但是相关行业标准的缺失也招致了同样令人难以接受的结果。
制备商用石墨烯最成熟的方法之一是液相剥落法[2]，先将石墨磨成粉，然后在溶剂中借助机械力将石墨颗粒分成细小的石墨片层。这些珍贵的片状物含有少数几层石墨烯，然后按照图1的方式将它们筛分。这种方法制备的石墨烯可广泛应用在电池工艺、复合材料和太阳能电池等领域。液相剥离制备石墨烯最开始是通过声波降解法获得石墨片层，之后有研究指出，即便是厨用搅拌机[4]也能产生剧烈的紊流，可以在不破坏多层石墨烯的同时将多层石墨烯拆分剥离。
大多数商用块状石墨烯的制作过程是：先将石磨研磨成粉，再用声波降解等方法在溶剂中通过机械力将石墨粉末分成细小的石墨片层；未展示石墨片层的尺寸大小。之后按照尺寸和厚度，将石墨片层筛分。Kauling等人1分析了60家厂商生成的商用石墨烯，发现大多数样品只含有不到10%的石墨烯（碳原子层数少于10的石墨片层5）。其余样品实质上只是石墨粉。（图片改自参考文献1）
但石墨片层要薄成什么样子才能算是石墨烯呢？有一个公认的观点——同时也是国际标准化组织ISO赞同的——如果石墨片层包含十层以上的单层石墨烯，那它基本上属于石墨。Kauling等人认为，这种看似随意的阈值设置其实有其物理学基础。如：热力学认为，在碳原子层数少于等于10的石墨片层里，每一层碳原子在室温下都能保持石墨烯晶体结构。而且，石墨片层的硬度与单层厚度的立方成正比，这意味着薄层石墨烯的弹性比厚的石墨片层大了几个数量级。
因此尺寸非常重要：在实际应用中，石墨烯和石墨粉会产生截然不同的效果。如果没有明确的标准以鉴别商用石墨烯的质量，石墨粉被虚假宣传成昂贵又质量上乘的石墨烯，那么公司和研究人员就是在冒着浪费时间浪费金钱的风险在进行研究。这样会阻碍石墨烯技术的发展，损害那些认真做石墨烯的厂商及研发者等。
但这种担心是否多余呢？在一项致力于解答这个问题的研究中，Kauling等人在一系列成熟的石墨烯鉴别方法的基础上，建立了一套系统测试协议，并将其用于不同商家制造的60种石墨烯产品的基准测试上。这项研究令不少企业闻风丧胆。结果表明，材料的尺寸、结构完整性及石墨烯纯度等关键指标的分布差异明显。令人惊讶的是，在大多数含有石墨烯的产品中，只有不到10%的样品含有石墨烯，即碳原子层数少于10的石墨片层。测试中没有一种产品含有多于50%的石墨烯，多数都受到严重污染，这很可能是在产品加工过程中受到了化学物质的污染。
在石墨烯领域备受瞩目的科学成果、技术突破和巨额投资似乎为商业投机者开辟了一片新天地：上述研究表明，有些厂商甚至将主成分为廉价石墨的黑色粉末标为石墨烯高价销售。成为石墨烯供销商的门槛异常地低，更是使这一问题继续恶化——任何人都可以买大块石墨，磨成粉之后再开发一个销售网站就能赚钱了。
如果不引入公认的标准及检测协议，就是在冒险继续招致更多错误。许多新兴的石墨烯应用领域与一些社会性重要议题密切相关，如：健康、气候、可再生能源与可持续发展。如果起步阶段就使用“冒牌石墨烯”，有些领域可能根本不会取得任何进展。
因此，Kauling及其同事的文章为石墨烯厂商、采购者和研究人员敲响了必要的警钟，他们应当统一意见——每一个人都会受益于透明的石墨烯市场，但无视道德廉耻的商贩除外——并且共同遵守严格的标准。ISO石墨烯词典[5]（一份详述石墨烯标准术语的文件）和英国国家物理实验室石墨烯鉴定实用指南[6]已经为此开了个好头。现在应当继续推进石墨烯市场的标准化。
值得注意的是，Kauling等人的研究并没有覆盖市面上所有的大块石墨烯[7]。而且，尽管他们分析了大量由液相剥落法制备的产品，但是他们用于筛选所用产品的标准可能存在一定的偏见，只不过在文中努力排除了这种可能性。他们也有可能无意中漏掉了一些由极佳厂商制造的高质量石墨烯。况且他们也提到，人们通常会出于不同的应用目的选用不同性状的石墨烯，这就加大了统一质量度量标准的难度。
尽管如此，这项研究仍然反映出科技高速发展亟需的严谨思维，是适时又成功的典范。不仅仅是针对石墨烯，对于任何进入市场的纳米材料研究来说都是如此。坦率地说，一旦没有质量控制，就根本没有质量可言。
翻译：张孝先
审校：赵欢
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