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红外（热）图像显示了由蒸汽裂解焦油制成的加热设备，并用激光退火，该加热设备形成了MIT徽标，以证明该过程的可控制性。
麻省理工学院的研究小组认为，焦油是日常材料，可密封我们的屋顶和车道上的接缝，具有意想不到的复杂性：有朝一日，它可能会用作各种高科技设备（包括储能系统，热活性涂层和电子传感器）的原材料。
而且不只是焦油杰弗里·格罗斯曼（Jeffrey Grossman）教授对其他化石燃料的看法也截然不同。他发现，与其将这些材料用作廉价的商品来燃烧，密封裂缝或进行处理，他还认为，利用这些古老的生物质衍生碳化合物混合物中所嵌入的高度复杂的化学性质，其潜在的广泛应用前景十分广阔。
此类应用程序的显着优势在于，它们提供了一种重新利用可能会燃烧的材料，增加温室气体排放或垃圾掩埋的材料的方法。格罗斯曼说，这些用途可能导致对气候造成破坏的煤炭和其他碳基材料的“绿化”。
在他的最新研究中，格罗斯曼（Grossman）与博士后西宁（Zining Zang），研究科学家尼古拉·费拉里斯（Nicola Ferralis）以及其他五个人一起，找到了使用煤，焦油和沥青生产具有高度可控和可再现的电导率，孔隙率和其他特性的薄涂层的方法。使用激光，他们能够用廉价，无所不在的材料制造原型设备，包括用于存储电力的超级电容器，柔性应变仪和透明加热器。
这项工作在《科学进展》杂志上进行了介绍，探讨了使用碳质重烃的替代方法，这些碳质重烃是在数百万年通过热和压力对腐烂植物物质进行地质处理的过程中形成的。Grossman说，这些材料提供了多种具有不同化学和结构特性的原子构型，这是任何合成的，经过加工的碳基纳米材料所无法比拟的。
为了利用这些材料的特性，该团队使用了一种称为激光退火的工艺来制造沉积在基板上的碳质材料超薄层。他们通过在由不同碳基材料制成的层中沉积和蚀刻图案来生产特定的功能器件。
从某种意义上说，该团队所做的是与传统化石燃料加工相反的过程，在该过程中，碳氢化合物的复杂混合物经历了分解化学键并分离出不同化合物的一个又一个阶段。在这项工作中，使用了各种重质烃络合物，并使用了它们在各种材料中发现的多种特性，包括煤，石油蒸汽裂解的焦油和中间相沥青等，其中大部分是通常需要处理的副产品，或者是正在迅速淘汰的燃料。
通过仅选择正确的原料材料并改变用于退火材料的激光脉冲的时间和强度的组合，该团队能够控制一系列物理，光学，电，磁和其他属性。他们说，通过组合不同的材料，可以在单个基板上一次生产出各种器件。
Ferralis说：“然后，我们可以创建从石墨烯到某种类型的富芳族聚合物的各种产品，并且其属性可能会发生很大变化，从隔热和电绝缘体到导热和电导体。我们可以改变孔隙率，这样我们不仅可以创建固体膜，还可以创建高度多孔的材料，从而实际上可以制造膜。”
他说，各种各样的材料特性可以混合和匹配，例如，可以创建用于3D打印的各种含碳“油墨”。
Ferralis说：“但是，您无需改变颜色，而实际上可以改变制造的前驱物的类型。您添加了更多的焦油，更少的沥青或我们在本文中突出显示的其他任何东西。例如，这可以赋予按需在同一张薄膜内制造薄膜，电气设备和能量存储系统等的能力。”
这些材料实际上可以是任何种类的重烃，其中许多作为石油生产或化学加工产生的废品而大量存在。Zang说：“基本上，我们正在寻找的是芳烃中所含的任何重质物质，这意味着人们不知道该怎么用的重质碳氢化合物。”“因此，我们对可以使用的东西一无所知。”
通过使用来自二氧化碳激光器的精确定时和调谐脉冲，该团队能够控制涂层材料的特性，并通过脉冲进行喷砂处理，这些脉冲可能会产生高达2,000摄氏度的高度局部温度，同时又不影响周围区域他们说，该工艺甚至可以在诸如塑料之类的柔软基材上进行。
格罗斯曼说：“我们的原料非常不均一，杂乱无章，但它是如此便宜且富含有用的化学物质。”我们的想法是充分理解它，以便能够“应用简单，可扩展的制造工具，以便我们可以利用这种理解使它对我们有所作为。”简而言之，他说：“我们发现了以前被认为是有限用途的这种材料（例如，仅用作燃烧的燃料），并且通过了解其原子结构，我们能够应用原理材料设计和工程，以使其在更广泛的方面有用。”
Ferralis说，虽然最初的工作集中在薄膜上，但原材料是如此便宜，以至于最终这些材料也可能用于批量应用。“如果我们可以将此过程扩展到散装系统，则可以将其用于结构材料，例如，或用于房屋的隔热。实际上需要很多材料的东西。”他认为，这甚至可能为受煤炭动力发电厂产业崩溃之苦的煤炭生产地区提供经济刺激，使其成为一个全新的高价值产品家族的生产者。
参考：“激光工程重烃：藏有新机遇的旧材料”，X。Zang，C。Jian，S。Ingersoll，李华山，J。J. Adams，Z。Lu，N。Ferralis和J. C. Grossman，2020年4月24日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.aaz5231
研究团队还包括加拿大约克大学的C. Jian，麻省理工学院的S. Ingersoll和Z.Lu，中国中山大学的李华山，J.J。怀俄明州西部研究所的Adams和Z. Lu。这项工作得到了埃克森美孚公司和加拿大自然科学与工程研究委员会的支持。
