為了展示這種傳統(tǒng)上被視為低技術(shù)的材料具有廣闊的高科技應(yīng)用前景，該校材料科學(xué)與工程系研究人員杰弗里·格羅斯曼與其他同事成功地用煤炭研制出一種電加熱裝置。這種裝置可用于汽車(chē)玻璃和飛機(jī)機(jī)翼的除霜，或者作為生物醫(yī)學(xué)植入物的一部分。

天然煤炭的種類(lèi)眾多，而且它們之間的導(dǎo)電性能最多相差1000萬(wàn)倍。這意味著，如果提供足夠多種類(lèi)的煤炭，科研人員可以利用它們的電子特性制造出獨(dú)特的電子元件。

但這項(xiàng)工作的挑戰(zhàn)之一在于如何對(duì)煤炭進(jìn)行加工。經(jīng)過(guò)探索，研究人員設(shè)計(jì)出一種方法：先把煤炭研制成粉末，然后將其放到溶液中溶解，最后使其沉淀在基片上并形成薄膜。利用這種方法，他們深入地對(duì)煤炭薄膜進(jìn)行了測(cè)試并用來(lái)制造電子原件。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整對(duì)煤炭進(jìn)行加工時(shí)的溫度，可以改變煤炭薄膜的光學(xué)和電子特性并達(dá)到他們想要的效果。在研究報(bào)告中，他們還首次詳細(xì)介紹了4種不同的煤炭（無(wú)煙煤炭、褐煤炭和兩種煙煤炭）薄膜的化學(xué)、電子和光學(xué)特性。

科研人員表示，從煤炭的天然化學(xué)特性這一角度對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用具有廣闊的前景。一是它們?cè)谧匀唤绾控S富，比較廉價(jià)；二是加工過(guò)程簡(jiǎn)單，成本較低。與之相比，電子芯片的重要材料——硅雖然在自然界中含量也很豐富，但它需要提純到99.99%以上才能用于電子產(chǎn)品。

美國(guó)坦普爾大學(xué)機(jī)械工程學(xué)副教授任申強(qiáng)評(píng)價(jià)說(shuō)，新的研究有助加深人們對(duì)天然煤炭應(yīng)用潛能的理解，它意味著直接從天然煤炭中開(kāi)發(fā)碳納米材料的重大進(jìn)展。

回顧一：石墨烯產(chǎn)品應(yīng)用研究

如果說(shuō)上帝創(chuàng)造了世界萬(wàn)物的話(huà)，現(xiàn)在因研究石墨烯獲得2010年諾貝爾獎(jiǎng)的康斯坦丁·諾沃肖洛夫，正在嘗試創(chuàng)建不一樣的東西——超越石墨烯本身，按需設(shè)計(jì)從原子到產(chǎn)品的性能，探尋這種二維材料帶來(lái)的新機(jī)遇。

2016年4月14日，身著白襯衣藍(lán)牛仔褲休閑鞋，外加背著雙肩包，這位石墨烯界的大明星、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的著名教授，低調(diào)現(xiàn)身于清華大學(xué)深圳研究生院召開(kāi)的第三屆石墨烯高峰論壇。

因在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，諾沃肖洛夫與其導(dǎo)師安德烈·海姆教授共享2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，那時(shí)他年僅36歲。由此，石墨烯界親昵地稱(chēng)他“小諾”。

小諾記得，最初發(fā)現(xiàn)石墨烯是一個(gè)周五的夜晚，之所以對(duì)這一時(shí)刻記憶猶新，主要得益于當(dāng)時(shí)海姆教授引進(jìn)的一個(gè)新概念——“跳出箱子思考”，即思索那些非主流研究方向的問(wèn)題，嘗試之前不可能之事。而他現(xiàn)在從事的研究可謂又一次跳出箱子的思考。

石墨烯是通過(guò)膠帶法從鉛筆里的石墨中分離出來(lái)，這種具有優(yōu)異性能的二維材料是大自然中本來(lái)存在的物質(zhì)，也是現(xiàn)在很多業(yè)內(nèi)人士的主要研究對(duì)象。而小諾決定做些超越石墨烯本身的工作，創(chuàng)建新的二維材料。其中一個(gè)主要途徑就是擴(kuò)展石墨烯的“朋友圈”，加入更多的好友，探索它在與其他二維材料互動(dòng)時(shí)會(huì)不會(huì)很“激動(dòng)”而表現(xiàn)出哪些有趣的性質(zhì)。

在實(shí)驗(yàn)室，小諾選取不同性質(zhì)的二維材料，與石墨烯疊加整合在一起，如在石墨烯上附著一層氮化硼或者二硫化鉬、再或氮化物，探察它們接觸后界面的性能，只見(jiàn)有的電子發(fā)生自我旋轉(zhuǎn)；有的電子出現(xiàn)橫向位移、自行排列；有的會(huì)使LED的量子效率大幅提高，等等。

他介紹說(shuō)，未來(lái)或可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用人工排列分子，從原子到產(chǎn)品，任意設(shè)計(jì)電子、機(jī)械結(jié)構(gòu)，以及非常復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出世界上不存在的材料，賦予其在自然界中不具備的特性。從而，探尋這種材料的更多潛在應(yīng)用，構(gòu)建理想的二維材料“博物館”。

曾經(jīng)在一起做研究的這兩位石墨烯界大咖諾沃肖洛夫和海姆，現(xiàn)在的研究方向似乎大為不同：海姆饒有興味地研究如何用石墨烯解決現(xiàn)實(shí)中的一些問(wèn)題，如海水快速淡化與凈化等；而諾沃肖洛夫顯然比較醉心于設(shè)計(jì)下一代的石墨烯復(fù)合材料。

對(duì)于許多人渴望石墨烯能盡早為日常生活中所用的心情，諾沃肖洛夫指出：“石墨烯產(chǎn)品并非一夜即會(huì)出現(xiàn)‘殺手級(jí)’產(chǎn)品，那一天的到來(lái)尚需很長(zhǎng)的歷程。”

諾沃肖洛夫強(qiáng)調(diào)，“當(dāng)下我們所處的階段，正在努力尋找一些石墨烯的應(yīng)用方向，已有一些相應(yīng)的產(chǎn)品出現(xiàn)在市場(chǎng)上。我們不僅僅要關(guān)注石墨烯的基礎(chǔ)科研，還要放眼其真正的應(yīng)用，現(xiàn)在正恰逢其時(shí)！”

回顧二：中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域里程碑式重大突破

據(jù)悉，中科院大連化物所包信和院士和潘秀蓮研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在煤氣化直接制烯烴研究中獲得重大突破，顛覆了90多年來(lái)煤化工一直沿襲的費(fèi)托路線(xiàn)，創(chuàng)造性地直接采用煤氣化產(chǎn)生的合成氣，在一種新型復(fù)合催化劑的作用下，高選擇性地一步反應(yīng)獲得低碳烯烴，破解了傳統(tǒng)煤化工催化反應(yīng)中活性與選擇性此長(zhǎng)彼消的“蹺蹺板”難題，為高效催化劑和催化反應(yīng)過(guò)程的設(shè)計(jì)提供了指南。這項(xiàng)成果被業(yè)界譽(yù)為“煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域里程碑式的重大突破”。

據(jù)了解，該研究成果于2016年3月4日在美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表，過(guò)程已申報(bào)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利和國(guó)際PCT專(zhuān)利?！犊茖W(xué)》雜志同期刊發(fā)了以“令人驚奇的選擇性”（Surprised by Selectivity）為題的專(zhuān)家評(píng)述文章，認(rèn)為該過(guò)程未來(lái)在工業(yè)上將具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。

1923年，由德國(guó)科學(xué)家Fischer（費(fèi)舍爾）和Tropsch（托普希）發(fā)明了煤經(jīng)合成氣生產(chǎn)高碳化學(xué)品和液體燃料的費(fèi)-托過(guò)程。盡管該過(guò)程并不完美，除產(chǎn)生大量的二氧化碳以外，還消耗大量的水，且產(chǎn)物選擇性差，后續(xù)處理消耗大量的能量，然而國(guó)際能源和化工界卻一直認(rèn)為該過(guò)程不可替代。

如今，這一過(guò)程被中科院大連化物所的研究人員顛覆。在9年多煤氣化直接制烯烴的研究過(guò)程中，包信和團(tuán)隊(duì)通過(guò)以CO替代H2來(lái)消除烴類(lèi)形成中多余的氧原子，在反應(yīng)不改變CO2總排放的情況下，摒棄了高耗能和高耗水的水煤氣變換反應(yīng)，從原理上開(kāi)創(chuàng)了一條低耗水（結(jié)構(gòu)上沒(méi)有水循環(huán)）進(jìn)行煤轉(zhuǎn)化的新途徑，有效降低水耗的1/3.

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將氧化物催化劑與分子篩復(fù)合，巧妙地實(shí)現(xiàn)了CO活化和中間體偶聯(lián)等兩種催化活性中心的有效分離，把傳統(tǒng)費(fèi)托技術(shù)上“漫無(wú)目的、無(wú)拘無(wú)束”生長(zhǎng)的“自由基”控制在一個(gè)“籠子”（分子篩）里，通過(guò)限制其行為，使其最終變成目標(biāo)產(chǎn)物——低碳烯烴。據(jù)介紹，新過(guò)程中低碳烴類(lèi)產(chǎn)物的選擇性高達(dá)94%，打破了傳統(tǒng)費(fèi)-托合成過(guò)程低碳烯烴的選擇性最高為58%的極限。

此外，新過(guò)程還將帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司（SEI）初步評(píng)估，在現(xiàn)有的條件下，該過(guò)程的內(nèi)部收益率（IRR）可達(dá)14%以上。

回顧三：石墨烯傳感器可檢測(cè)室內(nèi)空氣污染

英國(guó)南安普頓大學(xué)和日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的科學(xué)家研發(fā)了一種以石墨烯為原材料的傳感器，能檢測(cè)出室內(nèi)空氣污染且精度極高。

新研發(fā)的傳感器可以感應(yīng)到來(lái)自建筑、家具用品的二氧化碳分子以及揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）氣體分子。

近年來(lái)，由個(gè)人居住環(huán)境中的空氣污染引起的健康問(wèn)題與日俱增。這些有害化學(xué)氣體的濃度水平一般在幾十億分之一（ppb），用現(xiàn)有的環(huán)境傳感技術(shù)難以檢測(cè)到，因?yàn)檫@些傳感器只能檢測(cè)到濃度為百萬(wàn)分之一（ppb）的此類(lèi)氣體。

該研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的石墨烯傳感器在通電后，可使單個(gè)的二氧化碳分子一個(gè)一個(gè)吸附到石墨烯材料上，并在分子水平上檢測(cè)其濃度。其具體方法是，通過(guò)監(jiān)測(cè)石墨烯材料的電阻值，石墨烯材料對(duì)二氧化碳分子的吸附和釋放會(huì)以電阻“量子化”波動(dòng)的形式被檢測(cè)到。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員只花費(fèi)了幾分鐘就檢測(cè)到濃度約為30ppb的二氧化碳?xì)怏w。