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“石墨烯时代”距离我们有多远?

来源:   作者:    发布时间: 2016-03-14   浏览:

石墨烯到底是什么?

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

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%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,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毫克可以承受一只一千克的猫。

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。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

石墨烯被证明非常适合可穿戴设备

最近,英国曼彻斯特大学的研究者用实验证明,低价,柔软的无线通信器件如移动电话、健康状况传感器等,可以直接打印在衣服上甚至皮肤上。

这一发表在《科学报告》上的突破性的成果显示,由于高导电性以及突出柔软性,石墨烯在可穿戴电子应用中非常重要。这一研究为智能的、无电源的健康监测、手机等联网设备与衣物融合,以及“智能皮肤”等应用方面开辟了新的道路——打印石墨烯传感器可以与其他二维材料集成贴到皮肤上用以监测温度,压力及湿度等各种信息。

在医院,患者在手臂上带上一个打印石墨烯的射频识别标签。这一标签与其他二维材料结合在一起,能够感应患者体温,血压等信息并自动传回读取器。医护人员能够无线监控患者状态,这将大大简化患者的护理。在疗养所,无需电源的打印石墨烯传感器能印在老年人衣服上。这些传感器可以感知收集老年人健康状况,并传回监测点从而被实时监测到,这将有助于实现远程医护并提高生活质量。

充电7秒钟续航35公里

中科院上海硅酸盐所科学家已研制出一种高性能超级电容器电极材料——氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”:充电只需7秒钟,即可续航35公里。

通过反复试验、设计、合成,黄富强研究团队发现,氮掺杂有序介孔石墨烯的性能表现最佳。不仅能实现高能量密度、高功率密度,而且还可以通过使用水基电解液,做到无毒、环保、价格低廉、安全可靠。

据介绍,该新型石墨烯超级电容器体积轻巧、不易燃也不易爆,可采用低成本制备,实现规模生产。因性能较铅酸、镍氢等电池有明显的竞争优势,且在快速充放方面又远远优于锂电池,因此该“超级电池”可广泛应用于现有混合电动汽车、大功率输出设备的更新换代。

石墨烯将颠覆未来战场

石墨烯以其优于其他材料的特性必将在军事领域大显身手。

石墨烯的厚度为0.34纳米,比表面积约为2630平方米/克,为已发现的最薄的材料,但其强度却达到180吉帕(约为普钢钢材的100倍),是人类已知强度最高的物质。哥伦比亚大学的物理学家用金刚石制成的探针测试石墨烯的承受能力,在被实验的石墨烯样品微粒开始碎裂前,每100纳米距离上的石墨烯可承受的最大压力达到2.9微牛左右。这意味着如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。石墨烯兼具轻薄而坚硬的材料特性可以使得其在军队轻型运输装备、防御型武器装备的材料生产中发挥出巨大的潜力。

石墨烯吸收约2.3%的光,而其透光率则在97%以上,这使得它能够做到几乎完全透光,加之石墨烯具备良好的柔性。可以设想,如果手机、平板电脑上的其他部件和材料也应用石墨烯进行相应的改进,那么未来电子产品的显示屏就有可能真正实现可折叠。而这样的技术将使得未来的军事装备设计更加得心应手,富有人性化。美国辉锐科技公司研发并制造出大面积柔性触控屏,率先进军大面积石墨烯柔性触控屏市场,并获专业的科技行业投资基金IDG资本入股成为其股东之一。可见,石墨烯不仅在国防科技领域具有重要的发展前景,其广阔的应用范围也引发了民营企业的密切关注。除辉锐科技公司外,韩国三星去年便宣称已将石墨烯成功应用于触摸平板显示器,并制造出多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏,可广泛应用于移动设备。

科学人员通过对机械剥离法制备的石墨烯进行研究发现,在石墨烯的导带和价带之间有重叠,而电子和空穴在其中均有很高的迁移率,其电子迁移的速度仅为光速的三百分之一,远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。一方面,由于石墨烯电阻率极低,这样高的电子迁移速率使得石墨烯的能量损耗极低。中国科学技术大学教授曾长淦曾说:“电子在石墨烯里边好像没有质量一样,运动速度非常快。”另一方面,相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G,这对于提高芯片性能具有显著影响。这将使得未来国防科技装备具备更快更强的“大脑”。

此外,石墨烯对于气体、液体等几乎是“零渗透”。这意味着,如果给舰艇涂上石墨烯涂层,就好似穿上一身“刀枪不入”的防腐铠甲。这些令人感到惊奇的特性也让石墨烯在短短数十载中逐渐成为人们公认的“新材料之王”。

工信部、发改委和科技部联合发布《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,提出将石墨烯产业打造成先导产业,逐渐实现石墨烯材料在部分工业产品和民生消费品上的产业化应用,并提出到2020年,形成完善的石墨烯产业体系。根据此次三部门印发的《意见》,未来,石墨烯将在航空航天、武器装备、重大基础设施,以及新能源、新能源汽车、节能环保、电子信息等领域有广泛应用。