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行业动态--科普 | 生而不凡——新材料之王石墨烯

科普 | 生而不凡——新材料之王石墨烯

2020-12-17 15:33:48   


有没有这样一款坚韧的薄膜,它能以一支铅笔尖的承受面,撑住一头大象的重量,而不会被戳破?作为当今世界最受瞩目的材料之一,石墨烯可以骄傲地跟你说:“I can”。一不小心改变历史的石墨烯到底是何方神圣?到底有什么特性让它备受推崇?本期华高墨烯与您一起解密:生而不凡——新材料之王“黑金”石墨烯。


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。


2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)用一种非常简单的方法得到了越来越薄的石墨薄片。从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯,他们共同获得2010年诺贝尔物理学奖。


石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,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”。


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。


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。


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。


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。


而随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。


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了,展现了石墨烯材料极佳的研发前景。


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。


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。利用这一点可以用它来做绷带、食品包装甚至抗菌T恤衫。


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。


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。


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。


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。

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