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石墨烯 真神奇
[ 發布時間:2017-12-01 ]   [ 信息來源: 《人民日報》 ]  [ 字號: ]

 
石墨烯結構示意圖


  日前,在深圳舉辦的第十九屆中國國際高新技術成果交易會上,石墨烯作為獨具特色的新材料再次引起人們的關注,成為這個國內最大規模、最具影響力的科技展會上一個耀眼的“明星”。石墨烯到底有哪些神奇之處,能為人們帶來什么驚喜?記者采訪了相關專家。


  人類正行進在以硅為主要物質載體的信息時代,下一個量子時代,石墨烯很可能嶄露頭角


  和金剛石一樣,石墨是碳元素的一種存在形式。有趣的是,由于原子結構不同,金剛石是地球上自然界最堅硬的東西,石墨則成了最軟的礦物之一,常做成石墨棒和鉛筆芯。


  科學家介紹說,石墨烯是從石墨材料中剝離出來,只由一層碳原子構成、按蜂窩狀六邊形排列的平面晶體。通俗地講,石墨烯就是單層石墨。一塊厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯;鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡就可能是好多層石墨烯。


  這種只有一個原子厚度的二維材料,一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在。直至2004年,兩位英國科學家成功地從石墨中分離出石墨烯,證實了其可以單獨存在,并因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。


  據中國電科55所所長、微波毫米波單片集成和??櫚緶分氐閌笛槭抑魅胃嚀尾┦拷檣?,石墨烯獨特的結構讓它具有更導電、更傳熱、更堅硬、更透光等優異的電學、熱學、力學、光學等方面的性能。輕薄、強韌、導電、導熱……石墨烯這些特性賦予人們很多想象空間。


  石墨烯的特點首先是薄,堪稱目前世界上最薄的材料,只有一個原子那么厚,約0.3納米,是一張A4紙厚度的十萬分之一、一根頭發絲的五十萬分之一。與此同時,石墨烯比金剛石更硬,透光率高達97.7%,是世界上最堅硬又最薄的納米材料。


  同時,它又能導電。石墨烯的電子運行速度達1000千米/秒,是光速的1/300,非常適合制造下一代超高頻電子器件。石墨烯還是傳導熱量的高手,比最能導熱的銀還要強10倍。


  石墨烯的特性,也表現得很“好玩”。比如當一滴水在石墨烯表面滾動時,石墨烯能敏銳地“覺察”到細微的運動,并產生持續的電流。這種特性給科學家提供了一種新思路——從水的流動中獲取電能。比如,在雨天可以用涂有石墨烯的雨傘進行發電,或者可以做成靈敏的傳感器件等。


  “人類經歷了石器、陶器、銅器、鐵器時代,正行進在以硅為主要物質載體的信息時代;而下一個量子時代哪種材料將嶄露頭角呢?很可能是石墨烯。”浙江大學高分子科學與工程學系教授高超說。


  未來電動汽車使用石墨烯電池,花兩三分鐘就可能把電充滿


  由于石墨烯的神奇性能,加上制備簡便、研究視角多維,其應用潛力巨大、適用行業寬廣,成為搶眼的材料“新星”一點不奇怪。石墨烯從發現到現在僅10余年的時間,已取得了許多令人震撼的研究成果,稱得上是人類歷史上從發現到應用最快的材料。


  高超說,從材料化學角度看,石墨烯會帶來資源、環境、化工、材料、能源、傳感、交通機械、光電信息、健康智能、航空航天等領域的變化或變革。我國石墨礦儲量豐富,約占全世界的75%,其高效開發將引起碳資源及我國大資源策略的新定位、新思考、新規劃。


  石墨烯的工業化生產則將促進化工、機械、智造、自控等行業的技術提升。石墨烯的添加可以產生多功能復合材料,用來制造高性能電池、電容器。石墨烯傳感器可以在生物檢測、光電探測方面大顯身手,石墨烯及其它二維材料的異質疊合材料可制造高性能晶體管。


  可以說,石墨烯技術將對我們的吃、穿、住、行、用、玩都產生影響。石墨烯復合膜阻氧阻水性能好,可提高食品保質期;石墨烯纖維可制成發熱服飾和醫療保健用品;石墨烯電熱膜電熱轉換效率高,可逐步代替暖氣供熱;石墨烯系列材料可用于汽車、火車等交通工具,石墨烯導熱膜可用于手機高效散熱……


  石墨烯另一個被寄予厚望的應用領域是電能儲存。它的優勢在于充電速度快,而且可以重復使用幾萬次。但目前石墨烯存儲的電量不如電池多,還無法存儲足夠多的電能。未來,隨著充電設施的日益完善和相關技術的進步,電動汽車使用石墨烯電池,花兩三分鐘就可能把電充滿。


  中國電科55所微波毫米波單片集成和??櫚緶分氐閌笛槭腋敝魅慰自駱坎┦拷檣芩?,石墨烯的電子運行速度是硅的十倍,由石墨烯制作的高頻器件理論上工作頻率可以達到硅的十倍甚至上百倍。石墨烯引發的技術革命很可能從人們常見的小小芯片開始。


  此外,科研人員已完成柔性襯底晶體管的研制,正在嘗試柔性通訊電路的研制。未來無論是可以折疊的顯示屏幕,還是能夠植入人體的可穿戴設備,都可能靠這樣的石墨烯器件來實現。


  高濤認為,即使在實驗室條件下,石墨烯的神奇性能依然沒有完全釋放出來。由于技術層面還存在著不少挑戰,真正大面積應用還有很長的路要走。但通過加強需求和研究的結合,不斷在石墨烯材料的制備和器件研制方面取得重要突破,創造更多更新更具顛覆性的應用,石墨烯這種新一代戰略性新興材料將會極大改變人們的生產生活。


  國內石墨烯研究與國外基本同步,有望在不久的將來形成石墨烯產業


  石墨烯一直是國際上的研究熱點,并在不斷升溫。近幾年來,全球石墨烯相關的論文和發明專利幾乎呈指數式增長,不僅各類優異的物理化學性能被預測、證實,而且由此生發出很多具體的研究方向。


  據了解,許多國家正在爭奪石墨烯技術的制高點。歐盟石墨烯旗艦計劃以石墨烯傳感為主要研究方向,美國正在嘗試利用石墨烯實現通信的柔性化并取得了顯著的成果,韓國持續支持石墨烯柔性顯示的研究并制備出了演示產品。


  高濤說,總體來講,國際上石墨烯各項優異性能正逐漸從實驗室研究向產品應用過渡,同時一些潛在的性能或應用還在不斷被發掘。但這個工程化是一個長期而艱難的過程,給我國實現趕超國際水平、占領技術制高點帶來了絕好的機遇。


  高超認為,目前國內石墨烯研究與國外基本同步,一些方面有原創和引領性成果。國內研究偏重化學和材料,國外更偏機理和器件。國內石墨烯的研究在理論研究方面可說是已實現與國際先進水平“并跑”,論文、專利無論數量還是質量都具有很強的國際競爭力。截至2016年3月,中國石墨烯的專利總數占全世界的56%。與此同時,國家資助了大量有關石墨烯的基礎研究項目,初步形成了政府、科研機構和企業協同創新的產學研合作對接機制。


  例如,清華大學開發出米級石墨烯單晶薄膜的快速制備技術;中國電科55所研制出了世界上最快的柔性石墨烯晶體管;浙江大學納米高分子團隊則通過近十年研究,開發出了石墨烯纖維、石墨烯連續組裝膜、石墨烯超輕氣凝膠及石墨烯無紡布等。


  受訪專家指出,各個方向不斷出現令人驚喜的研究成果,讓人們對石墨烯的未來充滿期待。但總體來講,石墨烯技術成熟度還比較低。對于石墨烯的發展,其制約因素或者說難點,主要在材料制備技術、全新設計理念和二維操控技術等方面。其中,高品質、大批量的石墨烯原料問題暫時沒有根本解決,還需要進行大量技術攻關。有些技術如單層氧化石墨烯、石墨烯單晶等在實驗室制備成功了,但實現工程化、連續性、低成本、高效穩定制備還有較長的路要走。只有真正高品質的石墨烯量產了,顛覆性應用才會出現。


  不過科學家們也比較樂觀,近兩年石墨烯的可控低成本制備技術已取得了突破性進展,有望在不久的將來形成石墨烯產業。

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