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美國萊斯大學科學家曾開發出激光誘導產生的石墨烯（LIG），近日他們改進了這項技術，有望製造出“可食用”的新型電子產品。
背景
石墨烯 ，是一種具有戰略意義的新材料。 從結構上說，它是由 單層六角形蜂巢結構組成的碳原子 薄片。 正由於其結構獨特，所以它具有許多優異的特性， 例如： 高強度 、 超輕薄 、 不透水 、 導電導熱性好、 柔韌性好 等等。
石墨烯應用領域非常廣，包括： 柔性電子 、 高效晶體管 、 新型傳感器 、 新材料 、 電池 、 超級電容 、 半導體製造 、 新能源 、 通信 、 太赫茲技術 、 醫療 等等。 科學家預言，石墨烯極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。
（圖片來源：維基百科）
然而，目前來說影響石墨烯大規模生產和工業應用的主要障礙就是製備方法。 不過，之前筆者介紹過一些有關石墨烯製備方法的創新成果。
1） 歐盟石墨烯旗艦項目和英國劍橋大學石墨烯中心 的科研人員一起開發的一種 新工藝 ，它能生產 出 高質量 、 高濃度 、 水基 的石墨烯導電油墨。 該工藝使用了 微流化法 的超高剪切力，從石墨中剝離出石墨烯薄片，它能將原始的石墨材料100%轉化為有用的導電油墨片，並且無需離心分離處理，節約了生產油墨的時間。
2） 美國堪薩斯州立大學物理學家團隊開發出一種利用“ 爆炸法 ”高產量製備石墨烯的途徑，整個工藝主要利用了三種元素： 碳氫化合物氣體、 氧氣和 火花塞。
3） 澳大利亞科學家成功研發一種新 製備方法 ，利用大豆作為原料生產出石墨烯，同樣該方法也可將地溝油轉化為石墨烯，既低成本、又環保。
4） 韓國科學技術院 科學家 使用 激光誘導 單晶碳化矽（SiC）的固態相位分離製作石墨烯，這也表明了激光技術可以分離複雜化合物（SiC），使之成為超薄的碳原子和矽原子。
創新
然而，美國萊斯大學科學家也曾經開發出激光誘導產生的石墨烯（LIG）。 近日他們改進了這項技術，有望製造出“可食用”的新型電子產品。
（圖片來源： 萊斯大學 / Jeff Fitlow）
這項新型研究發表於美國化學會雜誌《 ACS Nano 》，它演示了激光誘導產生的石墨烯可以被燒入紙張、紙板、衣服、 煤炭和特定食物，甚至是吐司麵包中。
技術
萊斯大學 實驗室化學家 James Tour 曾將女童軍餅乾轉變為石墨烯，現在正在研究將石墨烯圖案寫入到食物和其他材料上，從而快速地將導電識別標籤和傳感器嵌入到 產品自身中。 Tour 表示：“這不是墨水。這是將材料本身轉化為石墨烯。”
Tour 實驗室認為“任何具有適當碳含量的物品都可以轉化為石墨烯”，而這項工藝正是這一論點基礎上的拓展。 最近這些年，實驗室在這一方法基礎上開拓研究，通過商用激光改變廉價聚合物薄膜的頂層，從而製造出石墨烯泡沫材料。 這種泡沫材料由交聯的微型石墨烯薄片組成，而石墨烯是由單層碳原子組成的二維材料。
多束激光通過一個 散焦的光束傳遞，使得研究人員能夠將LIG圖案寫入到衣服、紙張、椰子殼和軟木上，也包括吐司。 （這種麵包先經過烘烤再“碳化”其表面。）這項工藝可在空氣中以及室溫條件下展開。
（圖片來源： 萊斯大學 / Jeff Fitlow）
（圖片來源： 萊斯大學 / Jeff Fitlow）
（圖片來源： 萊斯大學 / Jeff Fitlow）
Tour 表示：“在某些情況下，多束激光會製造出兩步反應。第一步，激光通過 光熱 的方式將目標表面轉化為 無定形碳 。 然後，在隨後的激光傳輸過程中，選擇性吸收的紅外光線將無定形碳轉化為LIG。 我們發現波長是很重要的因素。 ”
當研究人員發現，通過簡單調高激光器的功率無法在椰子或者有機材料上製造出更好的石墨烯時，他們開始轉向多束激光和散焦。 然而，調整這一工藝將使得他們通過兩次激光照射椰子皮，製造出一種微型超級電容，形狀好似萊斯大學的首字母“R”。
散焦激光加速了許多材料的製作工藝，因為更寬的光束讓目標上的每個點都可以在單個 光柵掃描 下被激光照射很多次。 Tour 說，這也使得研究人員可以很好地控制產品。 散焦讓它們可以將之前不適合的聚醚酰亞胺轉化為LIG。
論文的合作領導作者之一、萊斯大學的研究生 Yieu Chyan 表示：“我們也發現，我們可以在麵包或者紙張或者衣服中加入阻燃劑，促進無定形碳的形成。現在，我們能夠利用所有這些材料，並在空氣中直接轉化它們，而無需可控的 空氣箱或者更加複雜的方法。”
Tour 表示， 所有目標材料的通用元素是 木質素 。 木質素是一種複雜的有機聚合物，可以形成剛性的細胞壁。 之前更早的研究將它作為一種碳前體，燃燒全乾材中的LIG。 軟木、椰子殼和土豆皮具有更高的 木質素 含量，從而更容易轉化為石墨烯。
價值
LIG 能以圖案的形式寫入到目標材料中，並作為超級電容使用。 超級電容是一種電催化劑，可用於燃料電池、RFID 天線、生物傳感器以及其他應用。
Tour
表示：“我們通常不會看到某些東西的優點，直到我們將它實現。也許所有的食物都會具有一個小型RFID標籤，其中含有是生產地址、生產日期、生產的國家和城市、以及帶到 你桌子上的途徑。”他說，LIG
標籤也可以做成檢測大腸桿菌和食品上其他微生物的傳感器。 Tour
表示，“它們可以發光，並向你發送一個信號，讓你不會想吃它。所有這些都不是安裝在食品上的獨立標籤，而是安裝在食品本身中。”
Tour 表示，柔性可穿戴電子器件將成為這項技術的早期市場。 他說：“它的應用包括，將導電線放置到衣服上，你可以用它加熱衣服，或者增加傳感器或導電圖案。”
參考資料
【1】http://news.rice.edu/2018/02/13/graphene-on-toast-anyone/
【2】 Yieu Chyan, Ruquan Ye, Yilun Li, Swatantra Pratap Singh, Christopher J. Arnusch, and James M. Tour. Laser-Induced Graphene by Multiple Lasing: Toward Electronics on Cloth, Paper, and Food . ACS Nano , 2018 DOI: 10.1021/acsnano.7b08539
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