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石墨烯到底有多么神奇,离我们生活有多远?

来源:稀碳资讯  作者:Cef114.Com  发布:2017-03-01  点击:

现在,说到最火的新装备,大家会想到无人机,说到最火的新技术,大家会想到人工智能、3D打印,说到最火的新材料,那肯定就是石墨烯。到底石墨烯是“何方神圣”,根据已知的信息,石墨烯的厚度是头发丝的20万分之一,强度是钢的200倍,是世界上已知的最轻最薄、最强的材料。

目前已有公司宣称用石墨烯来做快速充电电池,只需20秒就可以给手机充满电。除了电池,还有公司用石墨烯做内衣、袜子等。

那么,石墨烯到底是何方神圣呢?我们一起来揭开它的神秘面纱。

石墨烯离我们生活有多远1

石墨烯——激动人心的“难得的元素”

在电影《阿凡达》里,导演通过电脑特技向我们描绘了一个虚构的星球潘多拉。强大的人类舰队跨越几个光年来到这里,不惜破坏这里的生态,屠戮原住民,为的就是得到这个星球上一种特殊的资源-Unobtainum,价值2000万美金每公斤。这个在电影里一闪而过的材料Unobtainum,翻译成中文字面意思就是“难得的元素”。这可不是瞎编出来的词,在航空领域,热门用难得的元素来形容性能完美的材料。比如轻如空气同时强如钢铁的材料。而今天,一种神奇的材料正在接近人类梦想当中“难得的元素”。这就是石墨烯。

石墨烯材料结构

他和我们常见的铅笔芯一样,是由碳原子构成。只不过,石墨烯是由一层碳原子在平面上构成,可以说,它的特点就是薄,薄到不能再薄。

中国电科第55研究所重点实验室副主任孔月婵博士

中国电科第55研究所重点实验室副主任孔月婵博士:首先,石墨烯的硬度非常强,比现在最好的钢铁还要强100倍,它的电子的速度非常高,是硅的10倍。同时,石墨烯还是传导热量的高手。比最能导热的金属银还要强10倍。正是这样全面的性能,让石墨烯得到了前所未有的关注。在资本市场上,任何一家和石墨烯有关的上市公司都会引来热钱的追捧,人们甚至开始预言,石墨烯的出现将带来一场由材料进步引发的工业革命。

电影阿凡达里的难得的元素

原来《阿凡达》和我们的现实世界还有如此巧妙的链接。先来解释下石墨烯的超凡性能,大家可以换算一下。比如说“超薄”,1mm石墨的薄片,可以剥出来150万片的石墨烯,也就是说把一毫米分成150万片。比如说“超轻”,1g的石墨烯做出来之后能做多大?1g石墨烯能够覆盖一个足球场。

再说“超硬”,石墨烯做成食品保鲜膜厚度的膜,想拿铅笔戳穿,上面得需要一头大象。这些特性在自然界是无可匹敌的,放在工业领域,也是无所不能。

所以说石墨烯是新材料之王,人称”黑金“。石墨烯真的有这么神奇吗?人类是如何制备出石墨烯的呢?

科学家用胶带粘出石墨烯

白纸上写错字

我们在学生时代可能都会有这样的经历,就是在我们的白纸上写错字的时候,就会用透明胶把写错的字粘掉。谁也没有想到的是,就是凭借这样简单的办法让人类找到了神秘的石墨烯。制作石墨烯,简单说就是把石墨变薄,不能靠切,不能靠磨,而是要靠粘。

2004年英国曼彻斯顿大学的两位科学家——安德烈海姆和诺沃肖洛夫尝试用胶带粘出了石墨烯。别小看这个方法,自从有了这个点子之后,两位科学家就拿了诺贝尔奖。那么用胶带怎么就能产生这个具有革命性的新材料呢?我们特意请中国电科第55研究所重点实验室高级工程师吴云博士做了一个现场试验。

石墨片粘到胶带上面

1、将石墨片粘到胶带上面,粘一小片就够了;

2、然后我们对它进行折叠的、交叠的撕拉,这样它中间的分子粒会脱落,一片变两片,两片变四片,会越剥越薄;

3、重复四五十次。

足足粘了有半个小时,胶带上现在已经布满了灰色的石墨,然后吴博士用胶带将这些石墨转移到了一个硅片上。吴博士提示我们说,现在我们看到的都不是石墨烯,因为石墨烯不仅非常薄,厚度甚至不到头发丝的万分之一,而且它的透光率达到了97%以上,几乎完全透明,人的肉眼是根本看不到的,要找到它还得用技术手段。

通过显微镜的观察

通过显微镜的观察,吴博士指着显示器呈现出来的画面说:“这一块是比较明显的,这个应该是多层的石墨片结构。而我们看到这种很淡的形状的,它可能就稍微薄一些,因为我们石墨烯透光率非常好,所以我们在这里面显现越模糊的就越有希望是这种比较薄的石墨结构。”

石墨烯电容器,未来或可超快充电

石墨烯电容器,未来或可超快充电

其实,大家刚才看到的这个办法是人类最初生产石墨烯的方法,而现在随着技术进步,高质量的石墨烯已经可以大规模量产。当然,只是生产出来还不够,必须要和应用接轨。大家最关心的就是石墨烯在人们日常生活中能发挥什么作用。

目前,最令人期待的就是石墨烯可能改变手机的充电方式。未来的石墨烯电池容量更大、寿命更长,充电时间更短。而电动汽车的充电问题也可以迎仍而解了。这并不是空想,事实上,相关的研究工作正在进行当中。

在天津电源研究所,这里的科研人员正在进行最先进的电容器的研究。电容器和电池一样,都能用来储存电能。它的优势在于充电速度快,几分钟就可以充满,而且可以重复使用几万次。但是,它存储的电量不如电池多。

中国电科第18所重点实验室副主任丁飞博士

中国电科第18所重点实验室副主任丁飞博士:这是我们已经做好的改性石墨烯配成的浆料。下一步我们将浆料通过涂布机涂到铝箔上,变成我们石墨烯电容器的正极材料。电容材料对电容器的性能有着至关重要的影响。科研人员正在将电容器的储电能力,一步一步向电池靠拢。而同时,它拥有的超快充电速度,也能够为人们的生活带来便利。

中国电科第18所重点实验室副主任丁飞博士:我们做的改性石墨烯电容器,它的能量密度基本上是传统电容器的10倍左右,接近目前锂离子电池的能量密度,可以使电动车充一次电行驶更远的距离。

石墨烯代替硅,电子芯片性能提高

石墨烯代替硅,电子芯片性能提高

其实除了电池之外,石墨烯在其他领域还给我们带来很多的可能性。比如说可以用来做更轻薄的防弹衣,用它制作曲面的手机和电脑显示屏等等,曾经有科学家预言,石墨烯将彻底改变21世纪,甚至引发新一轮工业革命,为什么这么说呢?

电子芯片的基础材料是硅,然而随着芯片上原器件越来越密集,在最高端的芯片上,两个原器件之间的距离已经不到10nm,几乎达到了硅材料的极限。要继续提高性能,该怎么走呢?科研人员已经在研究用石墨烯部分代替硅的作用。

中国电科第55研究所重点实验室副主任孔月婵博士:这个是我们用石墨烯做好的一个器件。由它制备的器件的工作频率,理论上可以达到硅的十倍甚至上百倍。比如说它在雷达上面应用,可以大幅提高雷达的分辨率。还有在通讯、成像等系统都有比较广泛的应用。除此之外,这里的科研人员还在做另一件大事,他们让石墨烯附着在厚度只有50nm的金箔上,然后用一种新的技术,把石墨烯完整的转移到塑料片上。

中国电科第55研究所重点实验室高级工程师吴云博士

中国电科第55研究所重点实验室高级工程师吴云博士:在电子器件里面,专用的这样一个塑料衬底,它具备柔性,并且比较适合我们晶体管的制备过程。石墨烯转移技术是我国具有自主知识产权的技术,有了这个独门秘籍之后,在这个塑料片上,就能够生成一定功能的电子器件。最关键的是,这样的电子器件是可以轻松弯曲的。

未来,无论是可以折叠的显示屏还是可以植入人体的可穿戴设备,都离不开这样的石墨烯器件。而利用石墨烯制造新一代器件,也有望让我国的芯片制造业实现弯道超车,达到国际先进水平。

石墨烯使我们对未来的世界充满期待,手机充电可以秒充,电子屏幕可以随意弯曲,汽车使用石墨烯导静电轮胎可以去除静电,避免摩擦静电引发爆燃。此外,从航空航天、武器装备到节能环保、电子信息,石墨烯在未来很多领域都大有作为。

其实早几年,石墨烯的概念早已刷屏,但是能够发挥它的优异特性的商用产品迟迟未能出现。真正好的石墨烯产品的问世究竟要到什么时候?我们看到很多科研机构、大学都在积极研发当中。但是,采访中,石墨烯的科研人员也告诉记者,目前即使是在实验室条件下,石墨烯的神奇性能仍然没有完全释放出来,技术层面还存在不少的挑战。因此,真正大面积的应用还需要很长的路要走,让我们共同期待。

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