神奇材料石墨烯

神奇材料石墨烯

石墨烯是一種由單層碳原子組成的透明薄膜，它是一種蜂窩狀晶格。它是世界上為數(shù)不多的具有透明、導(dǎo)電和柔韌特性的材料之一。這三種屬性很少出現(xiàn)在同一種材料上，所以又稱神奇材料，十年前石墨烯還不為人所知。今天，它巨大的潛力引發(fā)了無盡的遐想。

石墨在我們的日常生活中經(jīng)常被使用，例如筆芯；然而，與之分離的石墨烯就像從科幻電影中提取的石墨烯一樣神奇。鉛筆芯的發(fā)現(xiàn)為發(fā)現(xiàn)石墨烯的人帶來了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，石墨烯有可能顛覆目前所有的電子學(xué)。是材料和電子工業(yè)未來的救命稻草。

2004年，物理學(xué)家安德烈·海姆（AndreHeim）和康斯坦丁·諾沃索洛夫（ConstantineNovosholov）在一張紙上用透明膠帶粘在一起，紙上用鉛筆寫字。

這兩個(gè)人偶然發(fā)現(xiàn)，他們可以把像鉛筆芯一樣的石墨撕成小塊，從碎片中剝離出薄薄的石墨片，然后用普通膠帶粘在石墨片的兩邊，撕下膠帶，在重復(fù)的過程中，使石墨片越來越薄，最后制成圖形。由一層碳原子組成的烯。

通過這種結(jié)合，他們剝離了石墨烯，然后發(fā)現(xiàn)石墨烯原子有潛力成為新材料，因?yàn)樗鼈儶?dú)特的六邊形排列，像金屬絲網(wǎng)一樣。它由排列成特殊結(jié)構(gòu)的碳原子組成，具有比任何其他材料更好的熱導(dǎo)率和導(dǎo)電率。更令人驚訝的是，它是n它不僅是世界上最硬的材料，也是最靈活的。

石墨烯是世界上為數(shù)不多的具有透明、導(dǎo)電和柔韌性能的材料之一。專家們聲稱這三種特性很少出現(xiàn)在同一種材料上。石墨烯只是一層厚碳原子，因此被稱為神奇材料。

2010年，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的最高榮譽(yù)，他們?cè)诙S材料石墨烯上進(jìn)行了開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)。評(píng)審委員會(huì)認(rèn)為，這將有助于物理學(xué)家在量子物理學(xué)領(lǐng)域取得新的突破。

盡管石墨烯早在10年前就被發(fā)現(xiàn)了，但在2010年，兩位研究人員在真正引起人們注意之前就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究人員和大公司開始關(guān)注如何將石墨烯的生產(chǎn)商業(yè)化。與石墨烯有關(guān)的應(yīng)用研究已經(jīng)顯示出初步的結(jié)果。

物理學(xué)家和研究人員說，由于石墨烯可以使電子產(chǎn)品的屏幕更清晰、更靈活，這些產(chǎn)品將比過去使用硅材料的設(shè)備更薄、更快、更便宜。此外，使用壽命長(zhǎng)的電池也可以防水。

2011年，美國(guó)西北大學(xué)的研究人員用石墨烯和硅制造電池。該大學(xué)說，這些電池可以用于手機(jī)電池一周，每次只充電15分鐘。

2012年，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)（American Chemical Society）表示，石墨烯的技術(shù)進(jìn)步將使手機(jī)像紙一樣薄，并折疊成口袋。媒體報(bào)道稱，研究人員正在開發(fā)一系列基于石墨烯的傳感器，包括比以往更小的氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器。

不久前，三星先進(jìn)技術(shù)研究所的研究人員與韓國(guó)的關(guān)承軍大學(xué)合作，稱三星已經(jīng)找到了一種在硅片上生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的方法。三星在一份聲明中說，這些技術(shù)進(jìn)步意味著公司可以開始生產(chǎn)柔性顯示器，我們耕地產(chǎn)品和其他下一代電子產(chǎn)品。一些批評(píng)人士指出，三星的突破最終將成為石墨烯商業(yè)化的救命稻草。三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司。IBM、Nokia和Sandisk的研究人員正試圖用石墨烯材料制造新的傳感器、晶體管和存儲(chǔ)器。

石墨烯最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉。當(dāng)今電子行業(yè)的許多產(chǎn)品都可以使用石墨烯使其更好、更小、更便宜。加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家去年制造了一種石墨烯揚(yáng)聲器，其音質(zhì)與森海塞爾耳機(jī)相同或更好，而且更小。什么是迷人的AB石墨烯可以不被氧化而浸入液體中，這與其他導(dǎo)電材料完全不同。研究人員說，石墨烯研究正朝著將電子產(chǎn)品與生物系統(tǒng)結(jié)合的方向轉(zhuǎn)變。換句話說，未來的石墨烯產(chǎn)品可以植入人體，閱讀神經(jīng)系統(tǒng)信息或與細(xì)胞交談。

傳統(tǒng)的集成電路晶體管是由硅制成的。著名的摩爾定律在20世紀(jì)70年代預(yù)測(cè)晶體管的性能將每?jī)赡攴环?。但近年來，由于晶體管的尺寸在縮小，集成度越來越接近其物理極限，越來越多的科學(xué)家質(zhì)疑這一著名的預(yù)測(cè)。微型化使F晶體管導(dǎo)致元件發(fā)熱，也大大降低了電子器件的性能。每升高10度，電子設(shè)備的壽命就會(huì)受到一半的損壞。

石墨烯材料制成的芯片可以使元器件的溫度保持在較低的水平，從而進(jìn)一步促進(jìn)電子設(shè)備的小型化，電子工業(yè)甚至相信石墨烯將來將在任何地方取代硅，這將引發(fā)電子工業(yè)的革命。

在國(guó)外，石墨烯材料的研究和開發(fā)受到了極大的關(guān)注，2013年1月，歐盟委員會(huì)宣布將石墨烯和人腦工程作為未來兩個(gè)新的旗艦技術(shù)項(xiàng)目，并制定了專門的研發(fā)計(jì)劃，每項(xiàng)計(jì)劃在未來10年內(nèi)將獲得10億歐元的收益。我國(guó)石墨烯材料的奇異性逐漸引起了政府、學(xué)術(shù)界和商界的關(guān)注，2012年工業(yè)和信息化部發(fā)布了《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展十二五規(guī)劃》。計(jì)劃中最先進(jìn)的新材料包括石墨烯?？萍疾恳裁鞔_表示將支持石墨烯材料的研究。

我國(guó)石墨烯的研發(fā)起步較晚，但發(fā)展迅速，2013年7月13日，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立，江蘇、浙江、深圳、上海、山東、福建、遼寧、重慶、黑龍江、中國(guó)科學(xué)院于年成立。多種形式的產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，促進(jìn)創(chuàng)新資源優(yōu)化和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，研究人員已經(jīng)齊心協(xié)力開發(fā)這種材料的商業(yè)用途，例如用晶體硅代替芯片應(yīng)用，用負(fù)材料制造離子電池和超級(jí)電容器，以及制造柔性觸摸屏。

目前，研究的重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到石墨烯與其它屬的結(jié)合應(yīng)用上，以太陽能研究與開發(fā)為例，麻省理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種由石墨烯和二硫化物構(gòu)成的新型光伏電池，與目前最小的光伏電池相比，這種新型的光伏電池l每單位體積能產(chǎn)生30倍的能量?？茖W(xué)家目前正在研究如何將石墨烯與硫族化合物結(jié)合，形成新的材料，使涂層能夠發(fā)電。

然而，科學(xué)家眼中沒有奇跡，石墨烯的工業(yè)化不是一朝一夕就能實(shí)現(xiàn)的，目前石墨的成本仍然很高，而且在某些情況下，石墨的性能不如硅，同時(shí)，石墨的微量毒性還沒有得到充分考慮，更重要的是，工業(yè)界對(duì)石墨烯的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。美國(guó)使用傳統(tǒng)的硅芯片和晶體管制造電子產(chǎn)品，而大型公司可能很難接受石墨烯。

2011年，美國(guó)西北大學(xué)的研究人員用石墨烯和硅制造電池。該大學(xué)說，這些電池可以用于手機(jī)電池一周，每次只充電15分鐘。

此外，特斯拉在電池技術(shù)上的創(chuàng)新也將引起市場(chǎng)對(duì)提高鋰電池能量密度的材料的關(guān)注，石墨烯具有高導(dǎo)電性和良好的柔韌性，是柔性儲(chǔ)能裝置的理想候選材料之一，石墨烯復(fù)合材料是鋰的陽極材料。M離子電池可以大大提高陽極材料的電容和高速充放電性能。

隨著石墨烯的出現(xiàn)，高頻上升的發(fā)展前景似乎無限廣闊，這也使得石墨烯在微電子領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，研究人員甚至將石墨烯視為硅的替代品，可用于制造未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

據(jù)三星先進(jìn)技術(shù)研究所的研究人員與韓國(guó)城軍關(guān)大學(xué)合作，三星已經(jīng)找到了在硅片上制造高質(zhì)量石墨烯的方法。三星在一份聲明中說，這些技術(shù)進(jìn)步意味著三星可以開始制造柔性顯示器、可穿戴產(chǎn)品和其他新一代電子產(chǎn)品。

中國(guó)科學(xué)院上海分院的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，石墨烯氧化物在抑制大腸桿菌生長(zhǎng)的同時(shí)不損害人體細(xì)胞，是非常有效的。如果石墨烯氧化物對(duì)其他細(xì)菌也具有抗菌作用，則可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一系列新的應(yīng)用，如自動(dòng)除臭的鞋子，或是抗真菌的鞋子。保存食物的ESH包裝。

去年，比爾和梅林達(dá)蓋茨基金會(huì)為使用石墨烯制造更薄、更輕、更強(qiáng)避孕套的科學(xué)家頒發(fā)了100000美元的獎(jiǎng)金。

南洋理工大學(xué)的學(xué)者們開發(fā)了一種以石墨烯為感光材料的新型光敏元件。預(yù)計(jì)通過其特殊的結(jié)構(gòu)，光敏元件的光敏性能比傳統(tǒng)的CMOS或CCD高1000倍，能耗僅為原器件的1/10。

基于石墨烯的一系列傳感器已經(jīng)被開發(fā)出來，包括氣體傳感器、生物傳感器和光傳感器，它們比以前更小，可以植入人體，閱讀神經(jīng)系統(tǒng)信息或與細(xì)胞交談。

基于石墨烯的新材料可以減輕飛機(jī)重量，從而降低燃油消耗和二氧化碳排放。此外，氧化是制造飛機(jī)駕駛艙屏蔽電極不可缺少的材料，但成本非常昂貴，石墨烯有望取代它。

由于導(dǎo)電石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的距離以及DNA中四個(gè)堿基之間的電子指紋，因此石墨烯有望實(shí)現(xiàn)直接、快速、低成本的基因電子測(cè)序技術(shù)。

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