科學背景
鑒于液相剝離（LE）方法的發展，研究人員開始在大規模上生產二維（2D）材料。LE方法通過將層狀晶體剝離成單層或多層納米片，可以制備出高質量的2D材料。特別是剪切剝離方法的出現，使得LE方法更具成本效益，因為它可以利用家用食品加工器具來實現。然而，即使LE方法已經取得了一定的進展，但對于低收入機構、第三世界國家和公民科學倡議而言，仍然存在一些困難。因為除了剪切設備之外，通常在研究中應用的凈化儀器（例如離心機）、剝離介質（如溶劑或去離子水）和工業石墨源等仍然經濟上具有排他性。
為了解決這些問題，薩塞克斯大學數學與物理科學學院Conor S. Boland教授在npj 2D Materials and Applications頂刊發題為“Hometronics – accessible production of graphene suspensions for health sensing applications using only household items”的研究論文。他們提出了一種新的方法，即利用家庭用具制備石墨烯懸浮液和納米復合材料。他們利用家用食品加工器具對鉛筆進行剝離，通過混合所得的粉末與溶劑，成功地將高質量的石墨烯分散在自來水中。通過使用家庭用品制備的石墨烯，他們還展示了可以制備出一種名為鉛筆黏土（p-putty）的納米復合材料，該材料在健康應用中具有重要意義。
研究內容
在圖1中，研究者通過家用食品加工器具剝離鉛筆芯，并在攪拌機中進行液相剝離（LE），以制備高質量的石墨烯懸浮液。圖中的各部分展示了實驗過程及結果：圖1a顯示了利用鉛筆制備石墨烯的方案；圖1b-d展示了鉛筆和攪拌機的實驗工具，以及剝離后的穩定石墨烯懸浮液；圖1f展示了原子力顯微鏡（AFM）下石墨烯納米片的形貌；圖1g則通過拉曼光譜確認了石墨烯的生成。通過圖1的實驗，研究者成功地使用了家庭用品制備了高質量的石墨烯懸浮液，從而降低了生產成本，提高了可訪問性。
圖1. 從家庭商用物品制備石墨烯。
而在圖2中，研究者進一步將所得石墨烯應用于p-putty納米復合材料的制備，并展示了其在電機械性能方面的應用。圖2a展示了p-putty與不同石墨烯體積分數的照片；圖2b-c顯示了原始黏土和0.4% p-putty的掃描電子顯微鏡圖像；圖2d展示了不同體積分數下的壓縮楊氏模量；圖2e則展示了黏土在剪切應變下的貯存（G'）和損耗（G''）模量。通過圖2的實驗結果，研究者成功地將石墨烯應用于p-putty納米復合材料中，使其具有了優異的電機械性能，可用于測量脈搏等健康應用。
圖2. P-橡膠納米復合材料。
總結展望
本研究展示了利用廉價易得的家用物品，如鉛筆、攪拌機和洗滌劑，進行石墨烯液相剝離的方法。通過創新性的方法，科學家們成功降低了石墨烯制備的成本，大大提高了其可訪問性，從而將先進的納米技術推廣至低收入機構、第三世界國家和公民科學倡議。此外，他們還將家用納米材料與學校膠水結合，開發了一種新型納米復合材料，用于測量人體脈搏等健康監測應用。這一研究成果不僅拓展了納米材料的應用領域，還為青少年科學教育提供了實踐機會，激發了下一代科學家的興趣，并為未來納米技術的發展奠定了堅實基礎。
原文詳情：
Aljarid, A.K.A., Winder, J., Wei, C. et al. Hometronics – accessible production of graphene suspensions for health sensing applications using only household items. npj 2D Mater Appl 8, 28 (2024). https://doi.org/10.1038/s41699-024-00467-8
