观点丨三维石墨烯VS二维石墨烯,谁更胜一筹?

他们在石墨烯的合成过程中,加大了热量和压力,用3D打印机让小片石墨烯压缩到一起,产生了类似于珊瑚那种复杂海绵状结构,他们称为「螺旋状复杂几何结构的放大3D打印模型」。

要问世界上最结实坚固是神马东西?多数人的答案会是石墨烯(少数吃瓜群众也可能会答钻石)。

是啊,这个早在20世纪40年代就开始研究的神奇材料,被认为史上最结实、最轻薄、也是最有前途的跨世纪材料。英国曼彻斯特大学两位科学家因为石墨烯的突破性实验,还拿到了2010年诺奖。由于石墨烯具有优异的力学性能、热学性能,电学性能以及良好的延展性,使其在高性能电子器件、导热、催化及能源领域有着巨大的潜在应用价值。甚至未来学派、材料学家断定,一百年后的世界都是由石墨烯建造的。

石墨烯Graphene跟钻石一样,都是纯碳,由六边形网状原子构成,通过电子显微镜观察,它就像蜂巢或者一块细铁丝网。厚度只有0.335纳米,把20万片薄膜摞起来,也只有一根头发丝那么厚。

观点丨三维石墨烯VS二维石墨烯,谁更胜一筹?

这种原子厚的碳原子链不仅超级结实,而且超级轻薄,柔韧性也超好,甚至跟塑料包装一样,可以随意弯曲、折叠,像卷轴一样卷起来。石墨烯的应用非常广泛,触摸屏、太阳能电池、能量储存装置、高速电脑芯片、建筑材料、防水涂层、过滤清污……

观点丨三维石墨烯VS二维石墨烯,谁更胜一筹?

说了这么多都是为了「但是」做铺垫的,石墨烯有个显著缺点,正因为它太薄了,难以造出令人满意的厚度,这大大限制了大显身手的机会。所以呢,技术攻关——创建3D版的石墨烯成为世界顶尖科技高手的隐形擂台。

终于这个世界级技术难关,被美国麻省理工学院MIT一帮子科技大神给攻下啦。就在2017年1月9日,Science Advances杂志详细报道了这一科研成果,MIT研究团队在实验室里创造出【地球上最结实的新材料——多孔的三维石墨烯材料】。它是钢材强度的10倍,密度却不到钢材的5%,甚至比多孔石墨烯还结实。 到底人家是怎么做到的?这个项目研究员Zhao Qin解释说,他们在石墨烯的合成过程中,加大了热量和压力,用3D打印机让小片石墨烯压缩到一起,产生了类似于珊瑚那种复杂海绵状结构,他们称为「螺旋状复杂几何结构的放大3D打印模型」。最最重要的是,从理论上看,这是能够形成新的超强和轻质材料的基础模型,这些材料的基材甚至不必局限于石墨烯。明白了吧,重要的是几何模型,而不是材料本身。当然了,人家用这种几何模型设计下的石墨烯,自然要比该团队此前创造的最强多孔石墨烯更坚固更结实,堪称世界最强材料!

观点丨三维石墨烯VS二维石墨烯,谁更胜一筹?

这就是被MIT科研团队称为「螺旋状复杂几何结构的放大3D打印模型」,计算机效果合成的三维石墨烯模型结构图。看懂的,厉害了word哥。看不懂,接着看。

观点丨三维石墨烯VS二维石墨烯,谁更胜一筹?

这是不同原子材料3D打印出来的模型,看得直观些。还是那句话:重要的是几何模型,而不是材料本身。尽管对于这种超级新材料,麻省理工材料研究团队还没来得及给TA取个正式名称,但他们还是迫不及待地希望,这种超级材料和背后的几何模型能够尽早投入应用,从个人设备到建筑物……

大PK:

二维石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。

其性能的具体参数包括:

1、吸光率约为2.3%

2、导热系数高达5300 W/m·K(高于碳纳米管和金刚石)

3、常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s(比纳米碳管或硅晶体高)

4、电阻率约10E-8 Ω·m(比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料)

三维石墨烯(多孔石墨烯)材料是在石墨烯的片层中通过物理或化学的方法制造一些具有纳米尺寸的孔洞,这些方法包括:化学气相沉积法,溶液法,水热法等。由于三维石墨烯的制备方法比较多,所以具体的性能参数尚没有统一的数据。根据目前的进展,可以大致得出这样的结论:

1、孔结构较好

2、表面活性较高

3、导电性及负载量较好(可以负载酶用作生物燃料电池)

4、传质速率较高(可用作传感器)

其实,他俩孰优孰劣只有用他们的材料人才好说,不同的研究方向,不同的应用场合都会出现不同的观点,或许二维石墨烯在高性能电子器件上更胜一筹,又或许三维石墨烯在超级电容器中后来居上。小编想知道,你的观点是什么呢?

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材料牛石小梅编辑整理。

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