石墨烯多年來一直令科學家驚豔，因其極高的強度、薄度以及幾乎無阻力地傳導電流的能力。然而，在實驗室之外，這種奇蹟材料卻一直難以實際應用。主要原因並不是成本或性能，而是化學性質。石墨烯容易聚集，而無法均勻地分散於液體或塑料中，這使得它難以轉化為塗層、油墨或複合材料。以往解決這一問題的嘗試往往會損害石墨烯的特性，即其導電性。一項新的研究顯示，這一長期的權衡並非不可避免。研究人員利用機械力和常見的氨基酸，展示了一種使石墨烯既具有電活性又易於加工的方法，且無需使用有毒化學品、極高的熱量或高環境成本。
這項研究的團隊指出，「我們的方法在常溫和常壓下能實現約80%的高產率，並且相比傳統方法，能源需求顯著降低。」研究人員面臨的主要挑戰是平衡兩個相互對立的需求。石墨烯必須與周圍材料相互作用，以便良好分散，但過度改性其表面會破壞允許電流流動的電子網絡。氮原子提供了一個巧妙的解決方案，因為它們可以引入極性而不破壞導電性。
然而，多數氮掺雜技術遠未實用，有些依賴於超過760°C的高溫，有些則需要類似深海環境的壓力，許多還涉及氫肼或三聚氰胺等危險化合物。即使是更新的機械方法也仍然依賴於不安全的氮源或能源密集的後處理步驟。蒙納士大學的團隊採取了不同的路徑。研究人員不依賴熱或溶劑，而是利用機械化學，即透過物理衝擊推動化學反應。在一個旋轉的行星式球磨機中，石墨片與氫氧化鉀和甘氨酸（生物體內常見的簡單氨基酸）混合。磨粉過程在常溫和正常大氣壓下以每分鐘400轉進行20小時。
隨著磨球與石墨的碰撞，材料被不斷破碎並剝離成薄石墨烯片。與此同時，氫氧化鉀通過去除甘氨酸氨基上的氫原子來激活甘氨酸。研究作者指出，「這種一鍋法過程同時實現了剝離和氮掺雜，產生了吡咯類、石墨類和吡啶類功能，提供了導電性（相當於石墨粉的30%）和在多種溶劑中的長期分散性（可達一個月）的獨特平衡，這在傳統功能化方法中極少實現。」
該方法的產率達到80%，這在固態石墨烯加工中異常高，氮含量約為2.3%。石墨氮的存在尤為重要，因為它提供額外的電子，有助於保持電導性。研究人員還量化了環境表現，該過程的E因子為88，意味著每單位產品產生的廢物相對較少。這與基於三聚氰胺的固態方法（E因子約為135）相比，表現良好，並且大大優於濕法球磨法，後者的廢物產生量可高達17,000。
二氧化碳排放因子的計算，包括電力使用和化學品生產，也顯示出相對於水熱和高溫技術的明顯優勢。結果材料解決了最初的問題。雖然原始石墨的電導率極高（約3000 S/m），但其在常見液體中的分散性卻幾乎為零。單純磨碎石墨會破壞導電性，降低至約30 S/m。而氮掺雜的石墨烯則達到了1170 S/m的導電率——大約是原始石墨的三分之一——並且在水、乙醇、檀香油、賽倫和己二醇中的分散性極佳。穩定的分散液可持續長達一個月，並在水和乙醇中顯示出強負的電位。
為了確認是氮而非氧導致了這一行為，研究人員在保持氮不變的情況下減少了氧官能團的含量。即使氧含量下降，分散性仍然不變，而導電性則進一步提高至1478 S/m，清楚地顯示出氮功能化是關鍵因素。
接著，研究團隊測試了這種更清潔的石墨烯是否可以實際改善材料。他們將少量納米片添加到一種可回收塑料（vitrimers）中，這種塑料在加熱時可以重新排列其內部鍵結。使用不到1%的重量，將拉伸強度提高了73%，並使材料的分解溫度提高了11°C，表現遠超出傳統碳填料，後者通常需要十倍以上的材料。
電氣性能也大幅改善。vitrimer的電阻從接近3,000 兆歐姆下降至僅0.013歐姆，允許電流輕鬆流過。施加16伏特的電壓使複合材料在兩分鐘內加熱至158°C，觸發聚合物內部的鍵結交換反應。寬達176微米的刮痕在六分鐘內完全癒合，而未填充的塑料則完全失敗，因為它無法有效分配熱量。氮掺雜的石墨烯還改變了材料對應力的反應。例如，普通石墨填料使應力鬆弛時間延長至近400秒，但氮掺雜的納米片將其縮短至僅16秒，於200°C時的表現尤為突出。
儘管工業規模的生產仍需進一步優化，特別是在降低磨粉時間上，這項研究顯示出高性能的石墨烯並不必然與環境成本相悖。通過用自然存在的分子和機械能量取代有毒的掺雜劑和極端條件，研究人員為可持續導電填料提供了一條切實可行的道路。該研究已發表於《ACS Sustainable Chemistry Engineering》期刊。
