石墨烯：讓混凝土煥發“綠色”青春

李忠東

混凝士，同學們應該都不會陌生，它是最常見的建筑材料。它是用水泥作為膠凝材料，加上砂和石料，與水按一定比例配合，經過攪拌而成的。然而，水泥生產需要耗費大量能源，而且在分解石灰石的化學反應過程中會釋放二氧化碳，產生的溫室氣體排放量很高。經測定，水泥生產造成的碳排放量占全球的3%～5%，成為世界第二大二氧化碳排放源，因此尋找更加綠色的建筑材料是全球減少碳排放的重要一步。

混凝土界的“新星”

2004年，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。通過這樣不斷地操作，使得薄片越來越薄，最后得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯，兩位科學家因此共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯由六邊形晶格中的單層碳原子組成，它的獨特結構賦予其重要的物理特性，包括高效的電熱傳導和不尋常的強度，在材料學、微納加工技術、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

自從石墨烯首次被發現以來已經有十多年了，但是這種奇妙的材料由于其非凡的特性幾乎每天都成為頭條新聞。自201 0年以來，這種神奇的材料激發了工業家和企業家對它的許多可能的應用產生了極大興趣，包括發展超薄電子、高性能電池和超級電容器、聚合物復合材料等。

前不久，英國埃克塞特大學工程系納米科學教授莫妮卡·克拉休恩領導的團隊使用納米工程技術將石墨烯納入傳統的混凝土生產，打造出一種世界最強的新型復合材料。

以前關于使用納米技術的工作集中在修改現有的水泥成分，這是混凝土生產的主要元素之一。而在這項創新性研究中，科學家創造了一項新技術，核心是將原子極薄的石墨烯片懸浮在水中，然后將水與傳統混凝土成分混合。據悉，這項生產工藝產量高，無缺陷，成本低，并且符合現代大規模生產要求。到目前為止，測試的復合材料樣品都符合英國和歐洲的施工標準。

減少二氣化碳排放

現代工程技術的進步不斷推動超高性能多功能建筑材料的發展，這些材料必須具備極強的耐久性和機械性能，能滿足多種用途，以適合未來新興的結構應用。作為全球應用廣泛的人造材料，混凝土未來有必要實現納米級的設計，使它的化學和物理力學性能能夠在現有基礎上得到大幅度的提高。

加入石墨烯的混凝土與普通混凝土相比，抗壓強度提高了146%，抗彎、拉強度增加了79.5%，滲水率降低了近400%。它可以與現代制造技術結合使用，并且能夠以相對較低的成本擴大規模。至關重要的是，新型石墨烯增強型濃縮材料還大大降低了傳統混凝土生產方法的碳足跡，使其更具可持續性和環保性。

水泥是混凝土中的主要材料，而它的制作生產卻是二氧化碳排放的主要來源。 “綠色”混凝土所增加的強度和耐水性，允許用混凝土制造的結構持續更長的時間，這意味著它們不需要經常更換。另外，在混凝土中摻入石墨烯，可以將包括水泥在內的其他材料減少約50%，使得生產每噸混凝土的二氧化碳排放量減少446千克。

這項開創性的研究很重要，因為它可以應用于大規模的制造和建設，建筑行業不只是要把現場施工納入其間，材料創新同樣非常重要。在難以維修的地區進行施工， “綠色”混凝土憑借其防水性大顯神通。特別值得一提的是，它特有的強度使建筑物對沖擊和壓力更有彈性，利于防震減災。隨著科學家研究的深入，未來還可以將其他納米材料融入這種新型的“超級材料”中，從而為工業的進一步創新鋪平道路。

我們的城市面臨著來自污染、可持續城市化和災難性自然災害復原等全球性挑戰，在化解日益增加的壓力上，石墨烯功能納米混凝土前所未有的功能和性能助我們一臂之力。石墨烯讓最古老的建筑材料煥發出了“綠色”青春。