石墨烯:比钢坚固200倍,比纸轻1000倍

由:戴夫·罗斯|

石墨烯
一片石墨烯看起来像一个原子级的蜂窝。enot-poloskun /盖蒂图片社

2004年,曼彻斯特大学的两位科学家进行了一项看似简单的实验,结果可能会改变世界。研究人员安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫正在研究石墨在你的铅笔尖上塞满东西石墨是由超薄的纯碳层叠而成的。Geim和Novoselov想看看他们是否能分离出一片石墨,一层厚度只有一个原子的薄得不可思议的碳层。

于是,他们抓起一卷胶带。是的,就是你放在垃圾抽屉里的塑料涂抹器里的透明胶带。下面是Geim的做法他的技术描述据英国广播公司(BBC)报道。

“你把(胶带)贴在石墨或云母上,剥去表层。你的胶带上会脱落石墨片。然后把胶带对折,粘在上面的薄片上,再把它们分开。你重复这个过程10到20次。每次,薄片都分裂成越来越薄的薄片。最后只剩下非常薄的薄片粘在胶带上。你把胶带溶解,一切就都解决了。”

胶带法奏效了!通过分离单层碳层,海姆和诺沃谢洛夫发现了一种名为石墨烯的全新材料。石墨烯目前被认为是地球上最强、最轻、导电性最强的物质。

2010年,海姆和诺沃肖洛夫分享了诺贝尔物理学奖为了发现石墨烯,世界各地的研究人员开始叫嚣如何使用这种非凡的“超级材料”“制造更强大、更耐用的电池、更快的微芯片、灵活的电路、植入式生物传感器等等。十年后,石墨烯尚未兑现其大肆宣传的承诺,但业内人士相信,在未来几年内,我们将最终看到智能手机、电动汽车和传感器使用石墨烯技术。

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为什么石墨烯是超级材料?

石墨烯的厚度仅为一个原子,它符合超级材料的所有条件:

  • 石墨烯的强度是钢的200倍。
  • 它是轻1000倍而不是纸。
  • 它的透明度高达98%。
  • 导电比任何已知的材料在室温下都要好。
  • 它可以转换光任何波长的电流。
  • 最后但同样重要的是,石墨烯是由碳制成的第四个最丰富的元素在宇宙中,所以我们不可能用完

石墨烯的超能力来自其结构.如果你能把它放大到足够近的距离,你会看到一片石墨烯看起来就像一个原子尺度的蜂巢。单个碳原子排列成类似铁丝网的六边形。石墨烯薄片中的每个碳原子都与其他三个碳元素共价结合,这赋予了这种材料惊人的强度。

为什么石墨烯导电性能这么好?还是因为碳原子的键合方式。每个碳原子的外层有4个电子,但只有3个电子与相邻的3个碳原子共用。剩下的电子称为aπ电子并且可以在三维空间中自由移动,这使得它可以在几乎没有电阻的情况下在石墨烯片上传输电荷。事实上,石墨烯是最重要的室温下最快的电导体任何已知物质的。

石墨,石墨烯
在卡伯特公司,高级研究员马特·赫斯基在三个小瓶中检查了石墨烯的进展情况。左边的小瓶是石墨,中间的是膨胀石墨,右边的是石墨烯。
约翰·特鲁马基/波士顿环球报

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“魔角”

最近的一项发现可能会为石墨烯增添另一种超能力。麻省理工学院(MIT)的一个研究小组在对双层石墨烯(两层单原子石墨烯堆叠在一起)进行实验时,偶然发现了石墨烯一种近乎神奇的新特性。当这些层被稍微旋转的时候,它们就会彼此偏离直线——位移正好是1.1度——石墨烯成为超导体超导体是最稀有的一类导电材料,它完全没有电阻,也没有热量。

石墨烯“神奇角度”的发现给科学界带来了冲击波。尽管该实验是在极低温度(接近0开尔文或-459.67华氏度)下进行的,但它揭示了一种可能性,即通过石墨烯与其他超导元素的结合,我们比以往任何时候都更接近室温超导性。这一成就将从根本上提高从小工具到汽车再到整个电网的能源效率。

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石墨烯如何改变技术?

纳米技术教授兼该中心主任安德里亚·法拉利(Andrea Ferrari)表示,虽然超导还需要几十年的时间,但革命性的石墨烯产品将很快进入市场剑桥石墨烯中心

法拉利说:“到2024年,市场上将会有各种各样的石墨烯产品,包括电池、光子学、夜视摄像机等。”

多年来,消费者一直热切期待石墨烯电池。的锂离子电池在我们所有的电子产品中,充电速度相对较慢,耗电很快,在一定次数的循环后就会耗尽。这是因为驱动锂离子电池的电化学过程会产生大量的热量。

但由于石墨烯是世界上最高效的电导体,它在充电或放电时产生的热量要少得多。石墨烯电池是有前途的充电速度是锂离子电池的五倍,电池寿命是锂离子电池的三倍,在需要更换之前的循环次数是锂离子电池的五倍。

三星(Samsung)和华为(huawei)等电子公司正在积极开发用于智能手机和其他设备的石墨烯电池,但最早进入市场的是石墨烯电池2021.至于电动汽车中的石墨烯电池——这可能会大幅增加其行驶半径——还有几年的时间。整个行业都建立在锂离子技术之上,不会在一夜之间改变。

“电池行业非常保守,”该公司首席执行官Jesus de la Fuente表示葡萄属,一家向学术研究人员和研发部门生产和销售纯石墨烯和石墨烯基芯片的公司。“它可能每五到十年改变几次电池的成分,这使得在这个行业推出新产品非常困难。”

市场上有一些石墨烯电池,包括Real Graphene公司的一些有线和无线充电器,但这些只是冰山一角,法拉利说,他也是该公司的科学和技术官员石墨烯的旗舰该项目耗资10亿欧元,旨在加快石墨烯技术的发展。旗舰的研究合作伙伴是已经在制造石墨烯电池了这比当今最好的高能电池的容量高20%,能量高15%。其他团队已经制造了石墨烯基太阳能电池,将阳光转化为电能的效率提高了20%。

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石墨烯的其他用途

虽然石墨烯电池可能是第一个上市的,但研究人员正忙于开发这种神奇材料的无数其他应用。

生物传感器是一件大事。想象一下,一个超薄且灵活的芯片可以被注入血液,以监测实时健康数据,如胰岛素水平或血压。或者一个石墨烯接口,向大脑来回发送信号,以检测即将发生的癫痫发作,甚至预防癫痫发作。薄而可伸缩的传感器可以所以穿在皮肤上或织入衣服的织物中。

低成本半透明钙钛矿太阳能电池
2015年,中国,香港,香港,香港,香港,香港,香港,香港,香港,香港,香港。
黄大卫/南华早报通过盖蒂图片

光子学是另一个已经加入石墨烯的领域。通过将石墨烯集成到光敏芯片、相机和其他传感器中,可以极大地提高对可见和不可见光谱中最微弱光波的灵敏度。这不仅会提高相机和望远镜的图像质量,也会提高医学图像的质量。

过滤是石墨烯的另一个有前途的应用。用石墨烯聚合物制成的简单净水过滤器可以与饮用水中的有机和无机污染物结合。石墨烯旗舰公司的研究人员还开发了基于石墨烯二极管的脱盐技术,可以从海水中除去超过60%的盐分用于农业和其他用途。

所有这些发展都需要时间,但剑桥石墨烯中心的法拉利相信,石墨烯将不负众说。事实上,他同样对大约2000种其他单层材料尚未发现的性质感到兴奋,这些材料也正在被隔离,无论是胶带法还是其他方法。

法拉利说:“我们说的是石墨烯,但实际上我们说的是正在探索的大量选择。”。“事情正朝着正确的方向发展。”

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