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解密:生而不凡——新材料之王石墨烯

手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中,似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯是什么?到底有什么特性让它备受推崇?本期解密:生而不凡——新材料之王石墨烯。

石墨烯

手机充电只需几秒钟?史上最薄电灯泡?光驱动飞行器?关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中,似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯是什么?到底有什么特性让它备受推崇?本期解密:生而不凡——新材料之王石墨烯。

石墨烯

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?盖姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

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实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

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石墨烯的诞生倒是一件趣事。当时盖姆把一大块儿高定向热解石墨和一台高级抛光机交给了一位新来的中国博士生,希望他做出尽可能薄的膜。三个星期后博士生给了盖姆一个10微米厚的培养皿。盖姆生气地问他能不能磨得更薄?博士生说:“那你就自己试试吧。”

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盖姆只得自己做了,不过他采用了一种非常“土”的方法。他用透明胶带在石墨上粘一下就会有石墨层被粘在胶带上,把胶带对折后粘一下再拉开,两端就都沾有石墨层,石墨层又变薄了。如此反复多次,终于薄到只有一个碳原子的厚度时,石墨烯就制成了。

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在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

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在随后三年内, 安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度物理学诺贝尔奖。

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石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证,例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的,是它那许多“极端”性质的物理性质。

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作为目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪。”

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石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克可以承受一只猫的重量。

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难以想象的是,石墨本身几乎是最软的矿物质(莫氏硬度只有1~2级),“切”成一个碳原子厚度的薄片时,“性格”会发生如此之大的变化,石墨烯的硬度比莫氏硬度10级的金刚石还要高,但却又有很好的韧性,可以弯曲。

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因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料,电子在其中的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

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石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。据相关专家分析,用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

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另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

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石墨烯具有很强的化学敏感性,可以制成高效探测器等。涂有石墨烯的传感器可以检测到含有用于炸药、氨等化学物质的低浓度的蒸汽。

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石墨烯的这些特性注定要给诸多产业带来翻天覆地的变化。但是我们普通人最关心的还是石墨烯可能会给我们的生活带来什么样的便捷。虽然现在仍有制备上的困难和成本限制等问题,但已经有一些优秀研究成果问世,展现了极佳的研发前景。

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在塑料里掺入百分之一的石墨烯,就能使塑料具备良好的导电性;加入千分之一的石墨烯,能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料,用于制造汽车、飞机和卫星。

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中国的科研人员发现细菌的细胞在石墨烯的纸上无法生长,而人类细胞则不会受损。利用这一点可以利用它来做绷带、食品包装甚至抗菌T恤衫。

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针对将石墨烯的强度和韧性, 微软创始人比尔?盖茨的“比尔和梅琳达盖茨基金会”早前制定出“新世代安全套”计划,将提供10万美元赞助款给英国曼彻斯特大学,以研发更薄更坚韧的安全套。

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西班牙Graphenano公司同科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。最重要的是其成本将比锂电池低77%,消费者完全可承受。

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一直以来,石墨烯都是科研人员眼中的宠儿。近日,一个由美韩研究人员组成的联合小组报告称他们将小片石墨烯连接到金属电极上,悬空于基底材料上方并加载一定的电流使其加热,制成了只有一层原子的世界最薄电灯泡,或将制成最薄的显示器。

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南开大学的一个联合科研团队通过3年的研究,获得一种光照即可移动的特殊石墨烯材料。据悉,这是迄今为止科学界第一次用光推动一个宏观物体并实现的宏观驱动。介绍这一成果的论文一经发表就迅速引起了国际科学界关注。

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像石墨烯这种具有革命性的新材料的发展,需要长期的资本投入,以创建完整的价值链和实现与终端市场应用领域的有效对接。随着科技的进步,石墨烯制备和应用的产业化浪潮必将在全球范围内展开。

本文来自OFweek,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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