石墨烯：让混凝土焕发“绿色”青春

李忠东

混凝士，同学们应该都不会陌生，它是最常见的建筑材料。它是用水泥作为胶凝材料，加上砂和石料，与水按一定比例配合，经过搅拌而成的。然而，水泥生产需要耗费大量能源，而且在分解石灰石的化学反应过程中会释放二氧化碳，产生的温室气体排放量很高。经测定，水泥生产造成的碳排放量占全球的3%～5%，成为世界第二大二氧化碳排放源，因此寻找更加绿色的建筑材料是全球减少碳排放的重要一步。

混凝土界的“新星”

2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。通过这样不断地操作，使得薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯，两位科学家因此共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯由六边形晶格中的单层碳原子组成，它的独特结构赋予其重要的物理特性，包括高效的电热传导和不寻常的强度，在材料学、微纳加工技术、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

自从石墨烯首次被发现以来已经有十多年了，但是这种奇妙的材料由于其非凡的特性几乎每天都成为头条新闻。自201 0年以来，这种神奇的材料激发了工业家和企业家对它的许多可能的应用产生了极大兴趣，包括發展超薄电子、高性能电池和超级电容器、聚合物复合材料等。

前不久，英国埃克塞特大学工程系纳米科学教授莫妮卡·克拉休恩领导的团队使用纳米工程技术将石墨烯纳入传统的混凝土生产，打造出一种世界最强的新型复合材料。

以前关于使用纳米技术的工作集中在修改现有的水泥成分，这是混凝土生产的主要元素之一。而在这项创新性研究中，科学家创造了一项新技术，核心是将原子极薄的石墨烯片悬浮在水中，然后将水与传统混凝土成分混合。据悉，这项生产工艺产量高，无缺陷，成本低，并且符合现代大规模生产要求。到目前为止，测试的复合材料样品都符合英国和欧洲的施工标准。

减少二气化碳排放

现代工程技术的进步不断推动超高性能多功能建筑材料的发展，这些材料必须具备极强的耐久性和机械性能，能满足多种用途，以适合未来新兴的结构应用。作为全球应用广泛的人造材料，混凝土未来有必要实现纳米级的设计，使它的化学和物理力学性能能够在现有基础上得到大幅度的提高。

加入石墨烯的混凝土与普通混凝土相比，抗压强度提高了146%，抗弯、拉强度增加了79.5%，渗水率降低了近400%。它可以与现代制造技术结合使用，并且能够以相对较低的成本扩大规模。至关重要的是，新型石墨烯增强型浓缩材料还大大降低了传统混凝土生产方法的碳足迹，使其更具可持续性和环保性。

水泥是混凝土中的主要材料，而它的制作生产却是二氧化碳排放的主要来源。 “绿色”混凝土所增加的强度和耐水性，允许用混凝土制造的结构持续更长的时间，这意味着它们不需要经常更换。另外，在混凝土中掺入石墨烯，可以将包括水泥在内的其他材料减少约50%，使得生产每吨混凝土的二氧化碳排放量减少446千克。

这项开创性的研究很重要，因为它可以应用于大规模的制造和建设，建筑行业不只是要把现场施工纳入其间，材料创新同样非常重要。在难以维修的地区进行施工， “绿色”混凝土凭借其防水性大显神通。特别值得一提的是，它特有的强度使建筑物对冲击和压力更有弹性，利于防震减灾。随着科学家研究的深入，未来还可以将其他纳米材料融入这种新型的“超级材料”中，从而为工业的进一步创新铺平道路。

我们的城市面临着来自污染、可持续城市化和灾难性自然灾害复原等全球性挑战，在化解日益增加的压力上，石墨烯功能纳米混凝土前所未有的功能和性能助我们一臂之力。石墨烯让最古老的建筑材料焕发出了“绿色”青春。