以石墨烯为燃料的新未来比以往任何时候都更近

石墨烯是世界上最坚固、最薄的材料，有望彻底改变从电子产品到建筑材料的一切。正如 Kjirstin Breure 报道的那样，在石墨烯被发现 15 年多之后，我们可能终于即将实现其近乎无限的潜力。Hydrograph Clean Power Inc.（一家领先的高质量石墨烯商业制造商）总裁 Kjirstin深入介绍了最新的石墨烯生产方法以及这种卓越纳米材料的创新应用。

2004 年，世界发生了变化，尽管大多数人没有注意到。那一年，安德烈·海姆 (Andre Geim) 和康斯坦丁·诺沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 两位物理学家使用所谓的透明胶带法发现了石墨烯：从石墨中拉出超薄层，直到得到只有一个原子厚的层——比金属薄 100 万倍。人的头发。

通常情况下，这样的发现会受到其他物理学家的庆祝，该团队会赢得一些奖项（在本例中是 2010 年诺贝尔物理学奖），仅此而已。然而，在这种情况下，整个行业围绕着他们的微小发现而兴起，要么用预先存在的石墨生产石墨，要么用含碳物质合成石墨。

这是因为石墨烯不仅是有史以来最薄的物体，而且重量轻（显然）、透明、灵活且坚固。事实上，它可能是世界上最坚固的材料，比钢强 200 倍。它还具有比大多数材料更好的导电性、防水性，并具有许多其他令人惊叹的特性。以下是世界各地的物理学家、工程师和科学家正在努力开发这种新材料的一些用途。

生物医学

石墨烯作为一种纳米材料是前所未有的，因为它可以很容易地修饰为疏水性（排斥水）或亲水性（吸水），为药物、生物传感器以及植入物和假体制造商提供了前所未有的设计机会。因为它具有很大的表面积并且可以与几乎任何东西结合，所以它是靶向药物输送的理想选择。

储能

石墨烯的高导电性意味着它是增强锂电池的理想材料，使它们充电更快、使用寿命更长。石墨（石墨烯的主要原料）已广泛用于电动汽车电池，而且一些石墨烯公司根本不需要石墨来制造石墨烯。例如，一家公司甚至可以用氧气和乙炔生产它。

电子产品

想象一下，您可以像报纸一样卷起平板电脑，或者可以戴在手腕上的智能手机。或者，从更普通的角度来看，想象一下不会破裂的手机触摸屏。石墨烯拥有的灵活性和强度使它们在未来成为现实。中国的研究人员已经利用石墨烯制造出了世界上最小的晶体管栅极。研究还表明，由石墨烯制成的计算机芯片的速度比硅树脂芯片快 10 倍。

复合材料

当石墨烯与其他材料混合时，它的属性可以与原始物质结合，但将其提升到新的高度。自 2017 年以来，石墨烯一直被用来改进运动鞋，使它们的耐用性延长 50%，因此可以穿着 1,000 英里以上。越野跑鞋中使用的石墨烯增强泡沫比其他泡沫鞋底能提供多 25% 的能量回报，而不是因热量而损失能量。

在建筑中，在混凝土和水泥中添加石墨烯可减少40% 至 50% 的碳排放。这相当于每浇筑 1,500 吨混凝土就减少 100 辆汽车的行驶。作为奖励，添加石墨烯：

• 将所需混凝土和水泥总量减少 30% 至 50%，每生产 1.1 吨混凝土可减少略高于 983 磅的碳排放。
• 将养护期从 28 天缩短至 7 天（这也减少了碳排放）。
• 通过在钢筋周围形成保护屏障、阻挡水和其他腐蚀性元素来提高耐用性。
• 同样的屏障几乎消除了季节性冻结/收缩和解冻/膨胀造成的损害

污染控制

石墨烯基材料可用于捕获和去除空气和水中的污染物。一个例子是一种光催化剂，它已被开发出来并被证明可以有效降低至少 70% 的氮氧化物（又名酸雨），这是一种在烟雾中发现的高腐蚀性气体。正在探索的其他用途包括使用石墨烯像海绵一样吸收泄漏的石油，然后释放出捕获的石油，使其焕然一新。

所有这些用途只是中国现在限制石墨出口的原因之一，石墨是大多数石墨烯的制造原料。作为世界最大的石墨生产国，中国有能力停止所有这些开发和研究。

但是，正如一开始所指出的，还有第二种生产石墨烯的方法，它不需要石墨——它只需要碳——而碳无处不在且丰富。事实上，它是整个宇宙中第四常见的元素。这种方法产生了所谓的合成石墨烯，而不是天然存在的石墨烯。两种形式的分子结构相同；只是过程不同。

合成石墨烯的一种方法是使用甲烷。甲烷气体富含碳，当与在真空室中加热到 1000 摄氏度的铜接触时，会产生石墨烯。然而，它很难与铜分离，而且整个过程需要很长时间。正如加州理工学院所做的那样，在混合物中添加一些氮气会有所帮助，而且只需要将铜加热到 400 多度即可。

在短短几秒钟内生产石墨烯的其他方法使用等离子体，即继固体、液体和气体之后的所谓物质的第四态。它是气体被加热时产生的，就像加热液体产生气体或蒸汽一样。介质阻挡放电（DBD）就是这样的一种方法。它涉及两个电极，其中一个电极涂有陶瓷、塑料或其他介电材料，这意味着它不导电，但善于保持电荷。当碳和氦气等气体存在时，电荷穿过电极，产生等离子体，并在涂层电极上形成石墨烯。

第三个过程是在堪萨斯州立大学发现的，涉及将氧气和乙炔气体混合，然后添加火花以产生爆炸。加拿大一家名为 HydroGraph 的公司已经对这种方法进行了改进，用于商业规模的制造。它目前可以以每周超过 440 磅的速度生产石墨烯，并被独立石墨烯委员会（世界上最大的石墨烯专家、监管机构等团体）评为迄今为止纯度最高的石墨烯之一。

这些只是在不使用石墨的情况下制造石墨烯以及制造绿色混凝土和电动汽车电池等可持续产品所需的商业所需的大量石墨烯的成功示例中的一些。

铝于 1825 年被发现。二十五年后，它被用于制作昂贵的珠宝。三十年后，发明了一种新的制造工艺，现在它被用于从航空航天设计到包装剩菜剩饭的各个领域。塑料于 1855 年由纤维素发明。第一个合成塑料要再过 50 年才能问世，而大规模生产则要等到二战后。

随着世界各地许多人致力于低成本、大量生产石墨烯的多种方法，石墨烯商业化的难题已经得到解决。如上所述，它现在不仅用于高性能鞋，还用于加热夹克、赛车轮胎、网球拍、曲棍球杆、智能手机电池和冷却系统、新冠病毒口罩等。它甚至被混合到油漆中并应用于战舰以减少噪音和振动。

2004 年，世界发生了变化。我们终于迎头赶上了。