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第31集 新材料石墨烯

第31集 新材料石墨烯 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-07   浏览数:
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  在节目一开始,咱们先在脑海中想象几种场景:比如使用的手机是超薄可折叠的;当手机没电时,只需充上几秒钟,电量就满了,能连续使用半个月;驾驶的环保节能汽车只用充电几分钟,就能行驶上千公里。 

  这样的场景是不是很科幻?其实,在不久的将来,这些承载着人们无数想象的高科技都有可能成为现实,甚至更加令人震撼。而想要成功研究制造出这些神奇的高新产品,新材料石墨烯就是其中必不可少的组成部分。 

  石墨烯的出现可以说是给科学界带来了巨大反响,首先我们先来听听石墨烯是如何被发现的。 

  2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过“机械剥离法”来获取到石墨烯。简单来说,就是利用日常生活中的胶带,黏住一些大的石墨薄片后,在衬底表面反复地“揭开”,最后总能找到一些单层的石墨烯。 

  听过石墨烯的提取方法,或许你难以置信,但石墨烯的确是从石墨材料中发现的,我们也可以把石墨材料看作是由石墨烯层层堆叠而成的。这是因为石墨烯是结构最简单的碳材料,它可以薄到只有一个碳原子的厚度,1毫米厚的石墨薄片中甚至能剥离出300万层石墨烯,因此石墨烯也被人们称作是“单层石墨”。 

  除了石墨烯很薄之外,它还具有透明不透气的特性、非同寻常的导电性能、超出钢铁一百倍以上的强度、异常的整数量子霍尔行为、电子的迁移速率仅为光速三百分之一等等优点。也正是拥有这些优异性能,才会使得它在柔性触摸屏、光电探测器、新型晶体管、太阳能电池和液晶显示屏等方面都有着良好的应用前景。 

  石墨烯作为“新材料之王”,全球各个国家都在对它进行探索与研究。中国虽然不是第一个研发出石墨烯的国家,但在石墨烯的多个应用领域也都获得了丰硕成果,形成了40多种新材料,达到了国际领先水准。而在这辉煌的背后,则有很多中国科学家们与石墨烯共同创新开拓的故事。 

  2017年10月,上海大学吴明红科研团队的论文《通过离子控制石墨烯氧化膜层间距实现离子筛分》在《自然》杂志上发表,引起了世界瞩目。这是国际上首次提出可以通过溶液中的离子精确控制石墨烯氧化膜的层间距,控制精度达到十分之一纳米。并在2019年1月,上海大学牵头完成的“石墨烯微结构调控及其表界面效应研究”获得国家自然科学奖二等奖。 

  要知道,获得国家自然科学奖的都是基础研究成果,那么上海大学是如何推动这类成果转化为生产力的呢? 

  原来早在2016年,上海石墨烯产业技术功能型平台就开始关注上海大学科研团队发表的论文,并进行了持续深入的交流。到了2018年5月,上海大学科研团队在校园里成功完成了石墨烯复合材料治理小型水体试验,这是“精确控制石墨烯氧化膜层间距”成果的一个转化应用方向。 

  据上海大学环境与化学工程学院唐量教授的介绍,石墨烯与人为加工出来的新型微生物,也就是工程菌相结合的话,就会具有“1+1>2”的治水效果。 

  一方面,石墨烯可以凭借着巨大的比表面积和一定的催化活性,对水体污染物进行吸收并降解部分有机分子;另一方面,工程菌还能以石墨烯材料为载体生存繁衍,不断分解水体污染物,并把石墨烯吸附的有机碳污染物作为“食物”进行消除。这一过程是从生物链底端开始修复水生生态环境,对水体及水生生物无毒无害,不会造成二次污染。 

  既然理论研究上是成立的,而且小型水体实验也取得了成功,因此科学团队决定用这种新技术治理河道,想要知道会有什么样的效果。于是在校内试验结束后,便立即与上海宝山区科委和城市工业园区管委会沟通,启动了河道治理示范工程。 

  2018年6月底,上海大学领到一项艰巨任务,那就是治理园区内污染最严重的小孟家宅河。 

  当时正值盛夏,小孟家宅河散发着阵阵臭味。然而示范工程团队没有丝毫怨言,把一桶桶含有石墨烯复合材料的微生物制剂运到河畔,定时定量注入河中。他们还在河中安装了多台水泵,让石墨烯工程菌复合材料流到河道的各个地方。 

  事实证明他们的努力没有白费,在治理小孟家宅河一个月后,河道里的蓝藻和臭味都消失不见了,氨氮含量从每升13.6毫克降到了每升1.5毫克,透明度从20厘米升至90厘米。当地村民更是笑着对科研人员说:“这条河恢复到了30年前我小时候的模样。” 

  初战告捷后,这项治理河道的新技术在理论与实践相结合的情况下,取得了成功并让水体治理新技术快速在其他地区进行应用,助力我国的生态文明建设。 

  不过,石墨烯新材料的转化方向远远不止水体治理这一种。中国科学家凭借着精确控制石墨烯氧化膜层间距技术,还研制出了钠离子电池的石墨烯负极材料。 

  与传统电池负极材料相比,这种材料能储存大量钠离子,大幅提高电池容量,且安全性更高。由于巨大的应用前景,钠离子电池问世后,将有望在电网发电端、配送端、使用端投入使用。 

  事实上,石墨烯还有很多衍生产品,例如军用领域的防弹材料、飞机零部件,民用领域的空气净化口罩、黑色染发剂等等。 

  就拿“染发”来说吧,人们的毛发外部都有一层角质层,它们是由类似鳞片状的细胞重叠而成的。当给头发进行染色时,就必须先用化学物质打开这些鳞片,以便把染料藏在里面,这也就是为什么头发染得越频繁,它可能造成的伤害就越大,因为这时的头发会变得干枯而脆弱。 

  而如果用石墨烯材料生产的染发剂,就会避免头发干枯的情况发生。据科学家们研究发现,石墨烯的薄片状结构会让石墨烯不渗透进头发,而是像一次性染发剂那样,用喷涂的方式覆盖在头发上。但不同之处在于,石墨烯染发后,发色停留的时间足够长,可以认为是接近永久性的,至少可以持续30次一次性染发剂的时间。 

  不过,值得注意的是,虽然科研团队已经有了小规模的实验,但由于它仍然还处在研究阶段,且成本较高,因此目前人们并不能在超市的货架上找到它们。 

  总的来说,石墨烯的研究与日常生活的联系越来越紧密,并且随着我国对新材料领域的大力支持,石墨烯产业的发展具有非常巨大的前景。在中国科学院院士刘忠范看来,石墨烯主要有三种发展前景: 

  第一个是“碳纤维模式”。经过半个世纪的发展,碳纤维已经成为航空航天和国防军工领域的“重量”级材料。理论上来说,石墨烯材料在很多方面都要比碳纤维优秀,如果能够在材料制备上做到极致,未来的石墨烯材料必将成为某些领域“杀手锏”级别的存在。 

  第二个是“塑料模式”。100多年前,人们发明了塑料,给人类生活带来了极大的便利;而现在石墨烯更是拥有着很多优异的性能,显示出极为广阔的应用前景,在不远的将来,或许能够像塑料一样,浸透到人类生活的方方面面。 

  第三个是“硅材料模式”。硅是集成电路的核心材料,硅材料把人类带入了信息化时代,极大地改变了人类的精神生活;而石墨烯的载流子迁移率远高于硅材料,有望成为下一代集成电路的支柱材料,或许未来的某一天,人类就会进入“石墨烯时代”。 

  由于石墨烯具有非常优异的物理特性,所以科学家们都对它的应用给予了厚望。但目前来说,石墨烯的很多应用还停留在实验室层面,想要真正形成产业,不断地有新产品研发出来,还要科学家们努力地探索和研究石墨烯背后的种种奥秘。相信在不久的将来,与石墨烯有关的新技术、新发明都会走进人们的日常生活,给人类带来巨大福音。 


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