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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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石墨烯:异军突起的新材料

2017-11-21 16:53:00

  墨烯(Graphene),也许你现在还对它相当陌生,但过不了多久,它就会像虚拟现实、基因编辑、人工智能一样,成为人们耳熟能详、津津乐道的热门科技话题。

  作为目前人类发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被材料科学家亲切地称为“黑金”。那么它究竟会给我们的生活带来怎样的变化呢?

  石墨烯是什么?

  石墨烯的命名来自英语 Graphite(石墨)和-ene (烯类结尾)的结合,天然石墨由一层层按蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而成。

  石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。如果我们把石墨片剥离到只有一个碳原子厚度的单层,那它就成为了石墨烯。如果要对它下一个科学定义,那就是:

  一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,一种只有一个原子层厚度的准二维材料。它是目前世界上已知的最薄、最硬的材料,其厚度只有0.335纳米,就算把20万片石墨烯薄膜叠加到一起,也只有一根头发丝那么厚。

  石墨烯是怎样被发现的?

  曾经,石墨烯一度被人们认为是一种假设性结构,根本无法单独稳定存在。直到2004年,英国曼彻斯特大学的物理学家安德利·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,在实验中用“微机械剥离法”分离制备出石墨烯,才证实了它可以单独存在。

  虽然这次发现意义非凡,但其采用的方法却很简单 — — 利用透明胶带黏住高定向热解石墨,把有粘性的一面对折,再把胶带撕开,石墨薄片就会被一分为二。不断重复这个过程,石墨片就会越来越薄,最终得到只有一层碳原子厚度的二维晶体材料石墨烯。

  此后,经过近5年的发展,科研人员发现了更多制备石墨烯的方法,预示着这种新材料距离进入工业化生产领域已为时不远。而海姆和诺沃肖洛夫也因为以开创性的试验方法制备出石墨烯这种新材料,获得了2010年诺贝尔物理学奖。

  诺沃肖洛夫在接受诺贝尔奖基金会采访时,谈到制备石墨烯的想法,主要来自于两人在每周五晚上的一个小习惯 — — 他们会在这段时间尝试以各种“粗暴”的、简单的实验方法解决复杂的科学问题,用“胶带撕开石墨”这个异想天开的想法由此诞生。

  石墨烯有什么特性?

  石墨烯的出现在科学界激起巨大波澜,引发了人们的研究热潮。经过十多年的研发,人们逐渐认识到石墨烯所具备的独特价值。

  首先,电子在石墨烯中的运动速度极快,达到光速的 1/300,远远超过在一般导体中的运动速度,与相对论中所谓的中微子非常相似。同时,石墨烯的电阻率只有10^-6欧姆·米,远低于铜或银,是世界上电阻率最小、导电性最佳的物质。

  其次,石墨烯比钻石还坚硬,强度是钢的100倍,是目前已知强度最高的物质。如果用石墨烯制成厚度约100纳米的薄膜,那么它将能承受大约两吨重物体的压力。此外,石墨烯的透光性、导热性、柔韧性也非常好 — — 透光率达到97.4%,几乎是完全透明的;导热系数高达5300W/(m·k),是铜的10倍,铝的25倍;柔韧性优于常用的触摸屏材料氧化铟锡,不易损毁,可与单碳纳米管媲美。

  石墨烯还具有高传导性、高比表面积,3克石墨烯的比表面积相当于一个足球场,将其用于电极材料上,特殊的中孔结构可使电解液离子快速移动至石墨烯表面,利用比面积储存电荷,可在新能源领域如超级电容器、锂离子电池等方面发挥重要作用。

  当然,科学家对于石墨烯的研究还远未止步,人们还陆续发现了石墨烯的一系列超常特性。在材料科学界流传着这样一个说法:如果说20世纪是硅的世纪,那么石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元。

  石墨烯有什么用途?

  由于具有种种优异特性,目前石墨烯已经被研发人员广泛应用于电子科技、网络通讯、洁净能源、生物医学、航天军工、复合材料以及智能家居等诸多领域。

  在电子科技领域,石墨烯由于导电性能极佳,非常适用于高频电路。目前的电子设备往往需要携带巨量的信息,因此必须使用更高的工作频率,然而工作频率越高,热量功率也就越高,高频的提升便受到限制。不过石墨烯的出现,可以代替硅成为芯首次制备出石墨烯的两位科学“奇葩”片的基础材料,用以制造超微型晶体管和集成电路,这种电路将会更小、更快、更便宜,用它生产的电脑,不仅运算速率超高,而且体积也能大幅缩小 — — 最小的机器人能做到像蚂蚁一样大小。而由石墨烯制造的超薄光学调制器(只有头发厚度的 1/400)也将具备高速信号的传输能力,有望将互联网速度提高一万倍,要在一秒钟内下载一部高清电影对它毫无压力。

  石墨烯几乎完全透明的特性,则适用于制造电子产品的触摸屏,代替目前使用的昂贵、易碎、不稳定的氧化铟锡。利用石墨烯的柔韧性,可制作能拉伸、折叠的显示器。也许过不了多久,我们就能用上速度更快、容量更大、可折叠的电子设备了。

  石墨烯的功率密度要比锂离子电池高许多,约为传统电容器的30倍,创造了储能技术新的可能,有在新能源开发领域大显身手,应用于电动汽车、电动工具以及太阳能电池等方面。据估算,石墨烯阳极材料比锂离子电池中常用的石墨阳极充放电速度快10倍,如果用于电动汽车,只需8分钟就能完成一次充电,续航里程可达1000千米。如果在发电站的冷凝器上涂上石墨烯,节能效率可提高2%~3%。用石墨烯制造的光电化学电池,则可取代基于金属的发光二极管和传统灯具的金属石墨电极,使之更易于回收,利于环保。

  医学家研究发现石墨烯的二维结构会与大肠杆菌上的磷脂分子产生交互作用,在拉扯下使大肠杆菌破裂,无法生存,而人类的细胞却能正常生长。这种物理性杀菌的方式,远优于目前普遍采用的化学性疗法,因此石墨烯材料可广泛用于制作止血绷带、抗菌服装,以及食品、药品等的包装材料。

  在物理学领域,石墨烯还有望帮助科学家在量子物理学研究方面取得新的突破。在一种格芬石墨烯矿物涂料中添加纳米纤维后,会在涂料中形成纳米网状结构,从而使其附着力更加牢固,更耐腐蚀,不易龟裂。石墨烯由于是优良热导体,能散射99%的红外线和85%的紫外线,因此可以制成节能降耗、保温隔热的功能材料,用于保温服、取暖器、散热地板等。同时,通过双层石墨烯之间生成的强电子结合,还可制造出能有效控制环境噪音的隔音材料。

  最新研究还发现,石墨烯可产生兆赫范围的辐射 — — 将红外线照射到石墨烯薄膜上,只需很短时间就能放射出兆赫的光源,进而开发出能在温室条件下工作的高性能兆赫激光器和调制器。这有助于高温超导体的研究。美国加州大学的物理学家,最近用石墨烯制成了超声扬声器和麦克风,它们能够对亚音速(20赫兹以下)和超音速(2万赫兹以下)之间的频率作出反应。如此一来,今后诸如手机之类的通讯设备,将不仅能使用电磁波,还可使用声波和超声波。

  此外,利用石墨烯的超轻、超强、超坚韧等特性,人们还有望研发出制造轻型飞机和航天器的新材料、高性能的防弹衣,甚至借此打造一座3.7万千米长、可直通宇宙的“太空电梯”,让人类“一步登天”的梦想成为现实。

  进展与困境

  从科学家发现石墨烯至今,经过十多年的研发,已取得了不少可喜的成绩和进展。早在2008年7月,美国国防部高级计划署(DARPA)就发布了碳电子射频应用项目,总投资2200万美元,用于开发超高速和低耗能的石墨烯电晶体。2015年,美国加州理工学院又开发出一种在室温下(常规温度需 1000℃)快速制备石墨烯的全新技术,将原来需要10个步骤、10小时的制备过程缩减为1个步骤、5分钟,从而使石墨烯材料向商业化迈出了坚实一步。

  欧盟于2013年启动了石墨烯旗舰计划,这是一个投资10亿欧元执行长达10年的大型计划。诺基亚将从欧盟未来与新兴技术组织处(FET)获得13.5亿美元研究经费,用于开发石墨烯材料。英国将投资6100万英镑建设石墨烯研究所(NGI),并在石墨烯诞生地曼彻斯特大学成立国家级研究院和工程创新中心,大力推动石墨烯的商业化进程。韩国政府整合了40余家科研机构和6家企业,打造了石墨烯联盟,在手机触屏、智能显示、扬声器、晶体管等石墨烯实际应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叠式智能手机已在2016年上市。

  2014年5月,全球首款石墨烯电容触摸屏手机在我国江苏省研制成功,当诺奖得主诺沃肖洛夫获赠首部样机时,连声称赞这是“史上最快的诺奖成果转化”。目前,中国上海、沈阳、厦门、青岛、泰州等地的科研生产企业,在石墨烯的粉体、液态、薄膜以及动力电池、超级电容器和涂料等产品的研发方面,都取得了不同程度的进展。

  尽管如此,石墨烯的许多相关产品仍处在研发和概念阶段,目前我们对于石墨烯材料的应用还远未成熟,距离大规模制造和商业化应用还有较大距离。这种差距,从技术层说,主要是石墨烯的合成方法还不够简便,所制备的产品难以满足要求。石墨烯的合成主要有机械方法和化学方法两类:前者包括微机械分离法(即海姆和诺沃肖洛夫的撕胶带法)、取向附生法(于金属钌上生成)和加热氧化法(透过加热氧化一层层分离石墨片);后者包括化学还原法(利用肼将氧化石墨烯纸还原成单层石墨烯)和化学解离法。运用微机械分离法,虽可制备出单层或多层的石墨烯,但尺寸和厚度不易掌控,难以可靠地制备出大面积且具有单一厚度的薄片样本。其次,从化学角度看,石墨烯存在许多潜在的应用价值,然而由于缺乏适用于传统化学方法的样品,其在化学领域的研发、应用还存在许多困难,短期内恐怕难有重大突破。

  英国曼彻斯特大学副校长科林·拜利曾说: “石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用,从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。”由此可见,这个“新材料之王”极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

  今天的石墨烯虽然还只是一种新兴材料,人们也还无法充分发挥它的特性,彻底释放它的潜能,但随着科学家对它的研究日渐深入,相信在不久的未来,它极有可能成为基础性材料,带动价值数万亿美元的高科技产业链,改变21世纪。

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