石墨烯:神奇的“新材料之王”



石墨烯:神奇的“新材料之王”

  图为我国研发的全球首款石墨烯柔性屏可弯曲智能手机,可直接戴在手腕上。(资料图片)

  有没有这样一款坚韧的薄膜,它能以一支铅笔尖的承受面,撑住一头大象的重量,而不会被戳破?石墨烯可以做到。这种神奇的材料究竟是如何“炼成”的——记者近日走进“首都科学讲堂”,为您一探究竟。

  近日,在北京市科协主办、九三学社北京市委特别支持的第667期“首都科学讲堂”上,中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范与北京石墨烯研究院副院长、石墨烯器件技术研究部部长魏迪,向公众介绍了石墨烯——这款曾获得2010年诺贝尔奖的明星材料。

  透明胶带撕出来的诺贝尔奖

  石墨烯原本就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹可能就是几层石墨烯——它是由一层碳原子以六角形蜂巢结构周期性紧密堆积构成的二维碳材料。人们很早就发现了石墨,但直到2004年才发现石墨烯。这是因为,早在70多年前的理论研究表明,完美的二维结构晶体无法在非绝对零度的环境中稳定存在。

  2004年,两位英国科学家用一种非常简单的实验方法突破了原有理论认知。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断这样操作,薄片越来越薄,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片——这就是石墨烯。理论上虽不可能成功,实验中却偏偏被制备出来了。这个发现立即震撼了科学界,两位发现者共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

  “大家经常讲,石墨烯这个诺贝尔奖是用透明胶带撕出来的。实际上,我们不能小瞧这么一个简单但重要的发现。”刘忠范说,对于科学研究来说,像这两位科学家那样勇于探索、大胆尝试极其重要。

  石墨烯具有很多神奇性能,因此号称“新材料之王”:它是最薄的材料,因为它仅有一个原子层;它是强度最大的材料,理论上强度比钢强韧200倍;它是导电性最好的材料,电导率是银的1.6倍;它是导热性最好的材料,热导率是铜的13倍。

  刘忠范介绍,石墨烯是强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,可以弯曲,又具备超强导热性与导电性,这让它的应用前景十分广阔——它可以做触摸屏,因为它是透明导电薄膜;也可以用作超快集成电路,因为它里面的电子跑得非常快,室温下电子迁移率超过硅材料10倍;它是轻质高强材料,在航空航天领域具有非常广阔的应用前景;它的电磁屏蔽性质,也可以被利用制作隐形飞机、隐身材料……

  它,还可能产生一些类似于科幻电影场景的酷炫应用。

  “石墨烯的酷炫应用是基于其酷炫材料性能。它有超高载流子迁移率,能让电子跑得非常快。如果说,常用导电材料是高速路上行驶的汽车,石墨烯就是一辆超跑。”魏迪说,这个性能让它可以用作智能夜视眼镜这类的酷炫装备。

  人体能发射远红外光,由于石墨烯具有超高载流子迁移率,远红外光投射到它表面后产生的电子可以被迅速采集。这样一来,戴上用石墨烯镜片制成的眼镜就可以看到夜里的一切,还可以采集使用者本身的血糖、脑电等生理数据。同时,由于石墨烯具备透光性,它还能作为显示屏投射各种信息。当你外出旅行,它可以即时显示路况、附近酒店、景点、餐馆等服务信息。

  石墨烯产业哪家强

  不过,理想很丰满,现实仍骨感。现在你能在市场上买到的石墨烯,很可能都只是石墨。

  2018年,《先进材料》上曾发表一篇论文,作者之一是石墨烯诺贝尔奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫。在此,研究者们分析了来自美洲、亚洲与欧洲60家公司的粉体石墨烯样品,发现大多数公司样品中石墨烯含量低于10%,且没有一个样品石墨烯含量超过50%。

  单层石墨烯是实验室产物,可工业化大量制备的石墨烯一般有几层呢?

  “从应用角度讲,一般大家的共识是10层以下可称为石墨烯。尽管严格意义上讲,只有单层石墨片才是真正的石墨烯,而10层以上就是普通的、传统的粉体石墨。”刘忠范说。

  石墨烯一般分成两类,一类是粉体石墨烯,一类是薄膜石墨烯。这两类石墨烯制备方法完全不同,应用领域与场景也完全不同。




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