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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    石墨烯:異軍突起的新材料

                    2017-11-21 16:53:00

                      墨烯(Graphene),也許你現在還對它相當陌生,但過不了多久,它就會像虛擬現實、基因編輯、人工智能一樣,成為人們耳熟能詳、津津樂道的熱門科技話題。

                      作為目前人類發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,石墨烯被材料科學家親切地稱為“黑金”。那么它究竟會給我們的生活帶來怎樣的變化呢?

                      石墨烯是什么?

                      石墨烯的命名來自英語 Graphite(石墨)和-ene (烯類結尾)的結合,天然石墨由一層層按蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而成。

                      石墨的層間作用力較弱,很容易互相剝離,形成薄薄的石墨片。如果我們把石墨片剝離到只有一個碳原子厚度的單層,那它就成為了石墨烯。如果要對它下一個科學定義,那就是:

                      一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜,一種只有一個原子層厚度的準二維材料。它是目前世界上已知的最薄、最硬的材料,其厚度只有0.335納米,就算把20萬片石墨烯薄膜疊加到一起,也只有一根頭發絲那么厚。

                      石墨烯是怎樣被發現的?

                      曾經,石墨烯一度被人們認為是一種假設性結構,根本無法單獨穩定存在。直到2004年,英國曼徹斯特大學的物理學家安德利·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,在實驗中用“微機械剝離法”分離制備出石墨烯,才證實了它可以單獨存在。

                      雖然這次發現意義非凡,但其采用的方法卻很簡單 — — 利用透明膠帶黏住高定向熱解石墨,把有粘性的一面對折,再把膠帶撕開,石墨薄片就會被一分為二。不斷重復這個過程,石墨片就會越來越薄,最終得到只有一層碳原子厚度的二維晶體材料石墨烯。

                      此后,經過近5年的發展,科研人員發現了更多制備石墨烯的方法,預示著這種新材料距離進入工業化生產領域已為時不遠。而海姆和諾沃肖洛夫也因為以開創性的試驗方法制備出石墨烯這種新材料,獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

                      諾沃肖洛夫在接受諾貝爾獎基金會采訪時,談到制備石墨烯的想法,主要來自于兩人在每周五晚上的一個小習慣 — — 他們會在這段時間嘗試以各種“粗暴”的、簡單的實驗方法解決復雜的科學問題,用“膠帶撕開石墨”這個異想天開的想法由此誕生。

                      石墨烯有什么特性?

                      石墨烯的出現在科學界激起巨大波瀾,引發了人們的研究熱潮。經過十多年的研發,人們逐漸認識到石墨烯所具備的獨特價值。

                      首先,電子在石墨烯中的運動速度極快,達到光速的 1/300,遠遠超過在一般導體中的運動速度,與相對論中所謂的中微子非常相似。同時,石墨烯的電阻率只有10^-6歐姆·米,遠低于銅或銀,是世界上電阻率最小、導電性最佳的物質。

                      其次,石墨烯比鉆石還堅硬,強度是鋼的100倍,是目前已知強度最高的物質。如果用石墨烯制成厚度約100納米的薄膜,那么它將能承受大約兩噸重物體的壓力。此外,石墨烯的透光性、導熱性、柔韌性也非常好 — — 透光率達到97.4%,幾乎是完全透明的;導熱系數高達5300W/(m·k),是銅的10倍,鋁的25倍;柔韌性優于常用的觸摸屏材料氧化銦錫,不易損毀,可與單碳納米管媲美。

                      石墨烯還具有高傳導性、高比表面積,3克石墨烯的比表面積相當于一個足球場,將其用于電極材料上,特殊的中孔結構可使電解液離子快速移動至石墨烯表面,利用比面積儲存電荷,可在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池等方面發揮重要作用。

                      當然,科學家對于石墨烯的研究還遠未止步,人們還陸續發現了石墨烯的一系列超常特性。在材料科學界流傳著這樣一個說法:如果說20世紀是硅的世紀,那么石墨烯則開創了21世紀的新材料紀元。

                      石墨烯有什么用途?

                      由于具有種種優異特性,目前石墨烯已經被研發人員廣泛應用于電子科技、網絡通訊、潔凈能源、生物醫學、航天軍工、復合材料以及智能家居等諸多領域。

                      在電子科技領域,石墨烯由于導電性能極佳,非常適用于高頻電路。目前的電子設備往往需要攜帶巨量的信息,因此必須使用更高的工作頻率,然而工作頻率越高,熱量功率也就越高,高頻的提升便受到限制。不過石墨烯的出現,可以代替硅成為芯首次制備出石墨烯的兩位科學“奇葩”片的基礎材料,用以制造超微型晶體管和集成電路,這種電路將會更小、更快、更便宜,用它生產的電腦,不僅運算速率超高,而且體積也能大幅縮小 — — 最小的機器人能做到像螞蟻一樣大小。而由石墨烯制造的超薄光學調制器(只有頭發厚度的 1/400)也將具備高速信號的傳輸能力,有望將互聯網速度提高一萬倍,要在一秒鐘內下載一部高清電影對它毫無壓力。

                      石墨烯幾乎完全透明的特性,則適用于制造電子產品的觸摸屏,代替目前使用的昂貴、易碎、不穩定的氧化銦錫。利用石墨烯的柔韌性,可制作能拉伸、折疊的顯示器。也許過不了多久,我們就能用上速度更快、容量更大、可折疊的電子設備了。

                      石墨烯的功率密度要比鋰離子電池高許多,約為傳統電容器的30倍,創造了儲能技術新的可能,有在新能源開發領域大顯身手,應用于電動汽車、電動工具以及太陽能電池等方面。據估算,石墨烯陽極材料比鋰離子電池中常用的石墨陽極充放電速度快10倍,如果用于電動汽車,只需8分鐘就能完成一次充電,續航里程可達1000千米。如果在發電站的冷凝器上涂上石墨烯,節能效率可提高2%~3%。用石墨烯制造的光電化學電池,則可取代基于金屬的發光二極管和傳統燈具的金屬石墨電極,使之更易于回收,利于環保。

                      醫學家研究發現石墨烯的二維結構會與大腸桿菌上的磷脂分子產生交互作用,在拉扯下使大腸桿菌破裂,無法生存,而人類的細胞卻能正常生長。這種物理性殺菌的方式,遠優于目前普遍采用的化學性療法,因此石墨烯材料可廣泛用于制作止血繃帶、抗菌服裝,以及食品、藥品等的包裝材料。

                      在物理學領域,石墨烯還有望幫助科學家在量子物理學研究方面取得新的突破。在一種格芬石墨烯礦物涂料中添加納米纖維后,會在涂料中形成納米網狀結構,從而使其附著力更加牢固,更耐腐蝕,不易龜裂。石墨烯由于是優良熱導體,能散射99%的紅外線和85%的紫外線,因此可以制成節能降耗、保溫隔熱的功能材料,用于保溫服、取暖器、散熱地板等。同時,通過雙層石墨烯之間生成的強電子結合,還可制造出能有效控制環境噪音的隔音材料。

                      最新研究還發現,石墨烯可產生兆赫范圍的輻射 — — 將紅外線照射到石墨烯薄膜上,只需很短時間就能放射出兆赫的光源,進而開發出能在溫室條件下工作的高性能兆赫激光器和調制器。這有助于高溫超導體的研究。美國加州大學的物理學家,最近用石墨烯制成了超聲揚聲器和麥克風,它們能夠對亞音速(20赫茲以下)和超音速(2萬赫茲以下)之間的頻率作出反應。如此一來,今后諸如手機之類的通訊設備,將不僅能使用電磁波,還可使用聲波和超聲波。

                      此外,利用石墨烯的超輕、超強、超堅韌等特性,人們還有望研發出制造輕型飛機和航天器的新材料、高性能的防彈衣,甚至借此打造一座3.7萬千米長、可直通宇宙的“太空電梯”,讓人類“一步登天”的夢想成為現實。

                      進展與困境

                      從科學家發現石墨烯至今,經過十多年的研發,已取得了不少可喜的成績和進展。早在2008年7月,美國國防部高級計劃署(DARPA)就發布了碳電子射頻應用項目,總投資2200萬美元,用于開發超高速和低耗能的石墨烯電晶體。2015年,美國加州理工學院又開發出一種在室溫下(常規溫度需 1000℃)快速制備石墨烯的全新技術,將原來需要10個步驟、10小時的制備過程縮減為1個步驟、5分鐘,從而使石墨烯材料向商業化邁出了堅實一步。

                      歐盟于2013年啟動了石墨烯旗艦計劃,這是一個投資10億歐元執行長達10年的大型計劃。諾基亞將從歐盟未來與新興技術組織處(FET)獲得13.5億美元研究經費,用于開發石墨烯材料。英國將投資6100萬英鎊建設石墨烯研究所(NGI),并在石墨烯誕生地曼徹斯特大學成立國家級研究院和工程創新中心,大力推動石墨烯的商業化進程。韓國政府整合了40余家科研機構和6家企業,打造了石墨烯聯盟,在手機觸屏、智能顯示、揚聲器、晶體管等石墨烯實際應用方面走在了世界前列,其中三星公司借助石墨烯材料打造的可折疊式智能手機已在2016年上市。

                      2014年5月,全球首款石墨烯電容觸摸屏手機在我國江蘇省研制成功,當諾獎得主諾沃肖洛夫獲贈首部樣機時,連聲稱贊這是“史上最快的諾獎成果轉化”。目前,中國上海、沈陽、廈門、青島、泰州等地的科研生產企業,在石墨烯的粉體、液態、薄膜以及動力電池、超級電容器和涂料等產品的研發方面,都取得了不同程度的進展。

                      盡管如此,石墨烯的許多相關產品仍處在研發和概念階段,目前我們對于石墨烯材料的應用還遠未成熟,距離大規模制造和商業化應用還有較大距離。這種差距,從技術層說,主要是石墨烯的合成方法還不夠簡便,所制備的產品難以滿足要求。石墨烯的合成主要有機械方法和化學方法兩類:前者包括微機械分離法(即海姆和諾沃肖洛夫的撕膠帶法)、取向附生法(于金屬釕上生成)和加熱氧化法(透過加熱氧化一層層分離石墨片);后者包括化學還原法(利用肼將氧化石墨烯紙還原成單層石墨烯)和化學解離法。運用微機械分離法,雖可制備出單層或多層的石墨烯,但尺寸和厚度不易掌控,難以可靠地制備出大面積且具有單一厚度的薄片樣本。其次,從化學角度看,石墨烯存在許多潛在的應用價值,然而由于缺乏適用于傳統化學方法的樣品,其在化學領域的研發、應用還存在許多困難,短期內恐怕難有重大突破。

                      英國曼徹斯特大學副校長科林·拜利曾說: “石墨烯有可能徹底改變數量龐大的各種應用,從智能手機和超高速寬帶到藥物輸送和計算機芯片?!庇纱丝梢?,這個“新材料之王”極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。

                      今天的石墨烯雖然還只是一種新興材料,人們也還無法充分發揮它的特性,徹底釋放它的潛能,但隨著科學家對它的研究日漸深入,相信在不久的未來,它極有可能成為基礎性材料,帶動價值數萬億美元的高科技產業鏈,改變21世紀。

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