石墨烯学位论文

石墨烯学位论文

2018年，年仅22岁的中国天才少年——曹原，登上了全球顶级科学杂志《自然》（Nature）当年影响世界的十大科学人物，而且位于第一位。两年后的现在，曹原又携两篇一作Nature强势归来。

那么，曹原到底是何许人也？他在科学界做出了什么突出贡献呢？

曹原的“开挂”人生很早就开始了，他年仅14岁就进入了中国科学技术大学少年班，19岁开始攻读世界顶级学府麻省理工学院（MIT）的博士学位。曹原从中学时代就对超导现象产生了浓厚的兴趣，读了博士之后，他废寝忘食地在实验室中钻研超导材料，他以石墨烯作为切入点。

石墨烯是近年来研究非常热门的一种材料，目前已被广泛应用于各种领域。石墨烯的结构十分特别，它是由碳原子排列成蜂巢晶格的二维结构，其厚度为一个碳原子，碳原子之间通过共价键紧密结合在一起。

石墨烯的特殊结构使其表现出很多优异的性能，其结构稳定、强度非常高、导热性能好、电阻率极低。考虑到石墨烯的优异导电性能，这种材料被用于超导研究，这也是曹原的研究方向。

曹原通过研究发现，如果偏转两层石墨烯的方向，使其夹角变为1.1度，那么，在1.7开氏度（零下271.5摄氏度）的情况下，石墨烯将会表现出超导特性，这个奇特的旋转角度被称为“魔角”。

看到魔角石墨烯变成超导的温度，大家可能会犯嘀咕了，这个超导温度比绝对零度还高不到2度，远远低于室温，在现实中并没有使用价值。要知道，一些超导材料的超导温度远高于这种石墨烯，最高的已经达到零下23摄氏度。那么，魔角石墨烯又有什么意义呢？

事实上，这种超导石墨烯的意义十分重大，其成果是开创性的，这可能是人类破解超导原理所迈出的重大一步。此前，超导材料的研制都是基于掺杂原理，而魔角石墨烯只是通过简单的角度旋转就能产生超导现象，意味着超导的根本原理或许没有那么复杂。

这让物理学家感到非常兴奋，一个全新的高温超导研究方向就此开启。如果基于此能够最终揭开超导之谜，研制出常温超导材料，这个世界将会发生翻天覆地的变化。

正因为意义重大，曹原的研究很快就发表在《自然》（Nature）杂志上，一口气发了两篇。此后，曹原又继续研究魔角石墨烯，以期进一步揭开超导原理。

经过两年的潜心研究，曹原更加深入地探究了石墨烯的魔角，相关结果又发了两篇Nature论文。也就是说，目前的曹原已经有四篇Nature在手。

对于做科学研究的人而言，Nature和Science杂志无疑是最为顶级的杂志，很多人终其一生都发不了一篇。而曹原今年才24岁，就已经发了四篇。按照这个趋势下去，不要说中科院院士的位置已经预定，有可能就连诺贝尔物理学奖都在向他招手。

比你聪明的人还比你更努力，这也许是“最可怕”的事情，曹原无疑应该成为年轻一代的榜样。

浙大造出高导热超柔性石墨烯，可以这样折叠

通过巧妙设计，浙江大学高分子系高超教授团队研发出一种新型石墨烯组装膜：它是目前导热率最高的宏观材料，同时具有超柔性，能被反复折叠6000次，承受弯曲十万次。这一进展解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题，有望广泛应用于高效热管理、新一代柔性电子器件及航空航天等领域。

高超教授

浙江大学高分子系纳米高分子课题组，由国家杰出青年基金获得者高超教授领衔，目前课题组共有教授1名、助理1名、博士后3名、博士生11名、硕士生5名、企业联合培养博士后1名。建有石墨烯、新能源材料、高分子化学3个实验室及1个“浙江大学-碳谷上希”联合研究中心。

团队长期致力于单层氧化石墨烯的规模化制备及其宏观组装研究，发现了氧化石墨烯的液晶性，发明了石墨烯纤维、石墨烯无纺布、石墨烯连续组装薄膜及最轻材料石墨烯气凝胶四种纯石墨烯宏观材料(简称F4)，开发了低成本高质量单层氧化石墨烯、多功能石墨烯复合纤维、石墨烯高效电热布、石墨烯超级电容器、石墨烯-铝离子电池、石墨烯纳滤膜等六大核心技术，这些成果产业化前景广阔，部分已实现生产和中试。

高超，1973年1月出生，土家族，浙江大学求是特聘教授、博士生导师、高分子科学研究所所长。

1995年在湖南大学获得学士学位、1998年获硕士学位，2001年获上海交通大学博士学位。博士毕业后留上海交大任教，于2003年到2006年先后在英国Sussex大学和德国Bayreuth大学做访问学者和博士后研究。2008年被引进浙江大学，被评为教授、博士生导师。

共同主编Wiley出版的英文专著1本《Hyperbranched Polymers: Synthesis, Properties, and Applications》，为英文专著撰写6章，获中国发明专利授权23项。

担任国际期刊Colloid and Polymer Science地区主编。

曾入选或获得科技部“中青年科技创新领军人才计划”（2014）、国家杰出青年基金（2013）、浙江省“钱江人才计划”（2010）、上海市“浦江人才计划”（2007）、教育部“新世纪优秀人才计划”（2005）、第九届“霍英东基金”（2004）、上海市“青年科技启明星”（2003）等人才计划，获得浙江省青年科技奖（2013)、1项国家自然科学二等奖（排名第3）、1项上海市科学技术一等奖（排名第3）及全国优秀博士学位论文等奖励。

主要成果：(1)发现了氧化石墨烯液晶及二维胶粒的手性液晶相，提出并实现了连续石墨烯纤维；

(2)实现了高性能石墨烯纤维超级电容器和石墨烯基纳滤膜；

(3)采用非模板协同组装策略制备了超轻弹性气凝胶；

(4)发明了绿色、超快、安全的铁基法，可大量制备单层氧化石墨烯，突破了自1958年以来的高污染、易爆炸、长时间的传统制备方法。

铁基法1小时内就可制备单层石墨烯。有望实现大规模工业应用

现在，成果里面又要加上这一心形的石墨烯组装膜。这一研究成果被Nature, Nature News, Scientific American等亮点评论，认为“实现了石墨烯在现实器件应用的关键一步”、“开辟了碳纤维制备的新途径”，被美、法、澳、中国等多个课题组跟进研究。

2017年4月，材料科学的世界旗舰级期刊《Advanced Materials》编辑部邀请浙江大学高新材料相关各研究组撰稿，以校庆专辑形式展示浙江大学在材料化学领域的研究成果，献礼浙江大学120周年校庆。

石墨烯纤维结入选Nature 2011 年度图片，为2005年以来唯一入选的中国科技成果。超轻气凝胶被Nature 两次高度评论。

获最轻固态材料吉尼斯世界纪录认证，授予世界创新论坛“金袋鼠”创新奖，入选两院院士评选2013年中国十大科技进展新闻。

用最新高导热超柔性石墨烯膜折叠的千纸鹤

彭蠡，高分子科学与工程学系博士，曾以科学论文《快速规模化绿色制备氧化石墨烯》获得“启真杯”浙江大学2016年度学生十大学术新成果奖项

近日，浙大新闻办，钱江晚报等媒体记者采访了浙江大学高分子系高超教授团队。面对记者，高超教授介绍，电子电器工作时会发热，需要高效热管理来保证其正常运行。新一代器件还要求可弯折性。因此，研究高导热高柔性材料至关重要。但现有宏观材料的高导热和高柔性是一对鱼和熊掌难以兼得的矛盾。

石墨烯的出现为解决这一矛盾提供了理论上的可能。它是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面单层二维大分子。原子质量轻、简单而又强力的键接结构赋予了它超高的导热性；同时，单原子层厚度又使得其具有较好的柔性。遗憾的是，目前已有的剥离型石墨烯片小、缺陷多，其组装而成的宏观材料导热率和柔性都欠佳，还比不上商业化的聚酰亚胺石墨化膜(GPI)。比如，我们手机里的散热膜，就是用GPI制成的。

发现石墨烯的诺奖得主安德烈·海姆，浙大名誉教授，石墨烯的发现就值一个诺贝尔奖，新型石墨烯组装膜未来上到航空航天，下到智能手机都可应用，其价值就更是大的不可估量了

在高超教授的办公室，记者见到了一片20厘米边长的石墨烯组装膜，看上去很像一片大大的即食海苔。高超介绍，这10微米厚的“海苔”，是由数千层单片石墨烯交叠而成的。实验测试表明，石墨烯膜可以耐受10万余次的弯曲，而不影响其导热导电性能，而且，在反复折叠6000次后仍没有断裂。此前性能最好的GPI最多只能反复折叠3次。同时这种石墨烯膜的导热率最高达到2053W/mK（瓦/米·度），接近理想单层石墨烯导热率的40%，创造了宏观材料导热率的新纪录。

图1. a) 市售智能手机背面；b) 手机处于待机状态；c) 用聚酰亚胺石墨化膜(GPI)作为手机散热膜；d) 同一部手机用新型石墨烯膜作为散热膜；e, f) 在(b), (c), (d) 三种状态下，手机的水平和垂直温度线的比较，表明石墨烯膜具有更好的散热降温效果。

柔软而高导热的性能，赋予我们无限的想象空间，比如，可折叠的手机、笔记本电脑，甚至卫星和航天器。课题组将这种石墨烯膜替代商用GPI膜，应用于手机散热膜上，发现手机CPU处的温度可以控制在33℃以下，相对商用GPI膜降低了6℃。如果把这层膜用到人造卫星上，就能很好地解决卫星的“向光背光”温差大的问题。

彭蠡说，电子元器件的散热是器件开发一项很重要的课题。它们“怕热”，是因为这些功率器件都有稳定工作的温度区间。随着温度的升高，器件工作的稳定性会下降，噪音升高，并且寿命降低。一般来说，温度提高8—10度，器件寿命会下降一半。据统计，电子产品失效的原因中，温度占比达到50%以上。

科学家是如何让石墨烯膜由“脆”变“柔”，并兼顾了良好的导热性能呢？高超说，团队提出了一种“大片微褶皱”的设计思路，在制备石墨烯膜的过程中引入了许多微小的褶皱，让石墨烯膜成为一种“能屈能伸”的材料。就像女孩们的百褶裙，裙摆可以展开很大。如此细小的褶皱怎么制造？高超团队想出了一种新颖的方法：将石墨烯膜高温加热，膜中的含氧官能团在高温下分解释放出气体，使石墨烯膜内部形成微气囊；再经过机械辊压成膜，微气囊的气体被排出，形成微褶皱。“就这么简单”，高超说。

图2. 石墨烯微褶皱的引入过程：高温加热还原形成微气囊，机械辊压形成微褶皱

论文截图，褶皱在折叠过程中极大增强了膜承受弯曲的能力

Advanced Science News评论认为，这项成果使得很多大面积多功能的二维材料能够应用到现实世界的柔性器件中，从航空航天到智能手机，不一而足。

Advanced Science News认为，这样的设计理念和实验策略能够拓展至其他二维纳米材料中。

天才少年曹原发5篇Nature论文，他为什么这么厉害？

首先曹原的天赋是毋庸置疑的，并且他付出了一般人付出不了的时间在研究某一个方面。1996年，曹原出生于四川成都。在小时候他就喜欢捣鼓各种奇奇怪怪的东西。曹原在两年内就完成了他的初中和高中课程。 2010年正是他14岁时，被选如最杰出的“严济慈物理人才班”，这里的课程主要是培养学生扎实的物理基础。即使在天才青年班，曹原依然十分优秀。他经常会问一些奇怪的问题，并与教授讨论。18岁时获得了中国科学技术大学的本科学位，之后前往美国的麻省理工学院进行深造。2018年，22岁的曹原因发现石墨烯超导角度轰动国际学界，开辟了凝聚态物理研究的新领域，成为Nature杂志创刊149年来以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。2018年，曹原曾一天连发2篇Nature。2020年5月7日，他再次一天连发2篇Nature。 本次在Nature杂志上发论文已经是曹原的第五篇了。

世界上还有很多未知的领域，等待着人们去探索，但是往往普通人是发现不了这些的，一般都是科学家进行研究之后得出的结论，有时候甚至是猜想。所以要在未知的领域探索出一星半点是很难的。曹原从小开始就喜欢拆东西然后看里面的构造，甚至自己搭建了一个化学实验室，在里面做各种实验。这些都离不开他的好奇心，好奇心驱使着他学习更多的知识，当他学习到更深层次的知识就发现原来自己知道的只是冰山一角。

在普通人眼里，科研毫无疑问是枯燥的。2017年，曹原再做实验过程中偶然发现石墨烯具备非常规的超导电性，这让他很惊讶，这个发现勾起了他浓厚的兴趣。 之后的日子里，曹原为了这个“不起眼”的现象花费了不计其数个日夜，难以想象他要做多少次实验，查多少次资料。除了热爱真的找不出一个词来形容这么令人敬佩的行为。