自从2004年曼彻斯特大学的两位教授首次发现石墨烯以来，石墨烯在科学界引起了巨大轰动。它的发现者因提出这一想法而于2010年获得了诺贝尔奖，随后人们开始竞相寻找生产和应用它的方法。弗吉尼亚理工大学机械工程系刘易斯·A·赫斯特教授鲁普·马哈詹(RoopMahajan)在这场竞赛中向前迈出了重要一步。

石墨烯拥有无与伦比的属性——它的强度是钢的200倍，但比纸轻，并且具有独特的机械性能。在微观尺度上，它采用六边形碳晶格的形式，厚度仅为一个原子。

由于其独特的性能，石墨烯具有多种应用：

它的强度足以增加汽车和飞机机身的抗损坏能力。

这种导电材料以墨水的形式制成，可以印刷在纸张或衣服上，为可穿戴电子产品打开了大门。

集成到电池中，可以缩短充电时间并增加功率输出。

其抗菌特性作为抗菌剂具有广阔的前景。

制成膜后可用于过滤水。

Mahajan的团队一直在将石墨烯整合到现有的材料和技术中，以增强其强度，而无需增加大量额外的质量，从而建立了一种利用石墨烯独特性能的实用方法。这项努力催生了无数创新方法，将石墨烯融入日常产品中，充分发挥该材料的潜力。

变得更环保、更具成本效益

由于石墨烯主要由碳组成，因此研究人员必须从天然含碳量高的材料开始。石墨是铅笔芯的主要成分，是通常的选择，因为它的成分几乎是纯碳。

由于石墨烯是一种单原子厚度的材料片，因此生产它需要大量的加工。最流行的技术是Hummer法的改进版本，在不同阶段使用硫酸、高锰酸钾、硝酸钠和过氧化氢。这四种化学品中的三种被认为是危险的。

但Mahajan的团队重新设想了一种更可持续的方法，不是从石墨中而是从煤炭中获取石墨烯，从而将刺激性化学品的数量大幅减少到只有一种：硝酸。由于危险化学品更少，需要管理的处置也更少，这种方法减少了对环境的影响以及研究人员的风险。

取代石墨作为未来材料的主要来源是有好处的。大多数石墨来自中国，这使得其供应链有些不确定。此外，石墨是电池的关键成分，全球电池需求的急剧增长已大大减少了供应。

尽管煤炭的碳含量较低(60%至80%，而石墨的成分接近100%)，但该团队的危险性较低的生产方法有望为环境带来更美好的未来。这种转变也可能为全球范围内迅速萎缩的煤炭经济打开大门，这在很大程度上是因为煤炭燃烧导致了全球变暖。

除了环境效益外，还有经济红利。Mahajan的团队生产的石墨烯成本比以前的方法便宜10到15倍，创造了一种更低成本的供应，可以刺激市场新的创新并有助于商业化。

Mahajan表示：“降低石墨烯的生产成本对于充分利用其卓越特性并加速其在不同应用中的广泛采用至关重要，这可能会促进新市场和行业的发展。”

研磨机、大理石和酸

在Mahajan的独特工艺中，合成石墨烯的旅程始于将原煤块磨成粗粉的精细过程。将粉末放入装有不同尺寸白色大理石的大圆筒中，然后滚动。弹珠研磨并压碎灰尘，进一步减小其尺寸。然后用化学方法去除球磨粉末中的金属亚硫酸盐和灰分等杂质。

然后将研磨和纯化的煤放入硝酸浴中，将煤转化为氧化石墨烯。排出酸并去除未反应的碳，产生氧化石墨烯粉末，然后可以通过热处理进一步转化为石墨烯。这种物质与粘合剂、硅、玻璃和金属混合，可生产出适合各种应用的新型复合材料。

Mahajan的团队展示了煤炭相对于石墨衍生的石墨烯的优越性能。这项开创性的工作带来了源源不断的出版物，其中包括《Carbon》杂志上的一篇。

本文详细介绍了该团队的新颖工艺，并展示了煤源石墨烯在开发高灵敏度传感器以分离和检测单链DNA适体方面的优越性。这些传感器因其能够以高亲和力和特异性结合特定目标分子而广泛应用于诊断、治疗、食品安全和各个行业。

印度团队

扩大对新材料和新工艺的理解需要扩大团队，而马哈詹确切地知道该转向哪里，这要归功于他在弗吉尼亚理工大学全球研究足迹中的领导作用。

Mahajan是VTIndia的战略研究和创新总监，为他提供了推动创新的直接渠道。这支总部位于印度金奈的科学家团队在扩大石墨烯业务方面发挥了核心作用。

这项工作在ACSAppliedNanomaterials上发表了一篇文章，重点介绍了氧化石墨烯作为纳米填料在增强玻璃纤维增​​强聚合物机械性能方面的作用。该团队正在积极探索其他潜在应用，包括

伤口愈合解决方案

可穿戴钾离子和尿素传感器

混凝土中钢筋的腐蚀抑制

绿色制氢技术

虽然新技术的不断发展创造了令人兴奋的科学环境，但Mahajan不仅仅关注创新。减少环境危害并提高“神奇材料”的产量具有更深层次的含义：为每个人带来更好的生活质量。更智能的能源使用、更可靠的材料以及丰富的医疗保健选择都致力于这一事业。

马哈詹说：“这种广泛的应用体现了煤基石墨烯技术在重塑行业和改善全球范围内的生活方面的巨大潜力。”

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