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石墨烯:比钢强200倍,比纸轻1000倍

作者:管理员

一片石墨烯看起来像原子尺度的蜂窝。

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,研究可能改变世界的后果。研究人员安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃索洛夫正在玩石墨,石墨是铅笔尖里的东西。石墨由超薄的纯碳片制成,彼此叠在上面。盖姆和诺沃塞洛夫想看看他们能否分离出一块石墨,一层不可能薄的碳层,只测量一个原子厚。

于是,他们抓起一卷胶带。是的,塑料施用器中的透明胶带和垃圾抽屉里放的一样。据英国广播公司报道,盖姆这样描述他的技术。

"你把[粘性胶带]放在石墨或云母上,然后剥去顶层。磁带上有石墨片脱落。然后将胶带折成两半,粘在上面的薄片上,然后再次拆分。重复此过程 10 或 20 次。每一次,薄片分裂成越来越薄的薄片。最后,磁带上还贴着非常薄的薄片。你溶解磁带,一切都进入解决方案。

胶带方法奏效了!通过隔离单层碳,盖姆和诺沃塞洛夫发现了一种称为石墨烯的全新的材料,这种材料现在被认为是地球上最强、最轻、导电性最强的物质。

2010年,盖姆和诺沃塞洛夫分享了诺贝尔物理学奖,他们发现了石墨烯,世界各地的研究人员开始大声疾呼,想方设法利用这种非凡的"超材料"来制造更强大、更持久的电池、更快的微芯片、灵活的电路、可植入的生物传感器等。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,在未来几年中,我们最终将看到智能手机、电动汽车和传感器使用石墨烯技术。

为什么石墨烯是一种超材料?

一块石墨烯只测量一个原子厚,检查超材料的所有盒子:

石墨烯的重量比钢强200倍。

它比纸轻1000倍。

它是98%的透明。

它在室温下比任何其他已知材料都具有更好的导电性。

它可以将任何波长的光转换为电流。

最后,但最不重要的一点,石墨烯是由碳,宇宙中第四最丰富的元素,所以我们不太可能用完

石墨烯从结构中获取其超能力。如果你能放大足够近,你会看到一张石墨烯看起来像一个原子规模的蜂窝。单个碳原子排列在类似于鸡丝的六边形图案中。石墨烯片中的每个碳原子都与另外三个碳项目共价结合,这给材料提供了令人难以置信的强度。

为什么石墨烯导电这么好?同样,因为这些碳原子的粘结方式。每个碳原子的外壳有四个电子,但其中只有三个电子与邻近的三个碳原子共享。剩余的电子被称为pi电子,在三维空间中自由移动,这使得它几乎可以无电阻地在石墨烯的片上传输电荷。事实上,石墨烯是任何已知物质室温下最快的电导体。

在卡博特公司,高级研究员马特·海斯克思在三个小瓶中研究石墨烯的进度。左边的小瓶是石墨,中间的石墨是膨胀的,右边的小瓶是石墨。

"魔法角度"

最近的一项发现可能会为石墨烯的吹嘘名单再增加一个超级大国。麻省理工学院(MIT)的一个研究小组正在试验双层石墨烯——两层单原子石墨烯堆叠在一起——当他们偶然发现了石墨烯的一种新的、几乎神奇的属性。当层稍微彼此旋转时——位移正好为1.1度——石墨烯就变成了超导体。超导体是导电最稀有的材料,具有绝对无电阻和零热。

石墨烯"神奇角"的发现在科学界掀起了冲击波。虽然实验是在极端低温下进行的(接近0开尔文或零下459.67华氏度),但它开辟了一种可能性,即通过将石墨烯与其他超导元件相结合,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到整个电网的所有东西的能源效率。

石墨烯如何改变技术?


纳米技术教授、剑桥石墨烯中心主任安德里亚·费拉里说,超导性还有几十年的时间,但革命性的石墨烯产品正更快地进入市场。

"到2024年,市场上将有许多石墨烯产品,"法拉利表示,"包括电池、光子、夜视相机等。

多年来,消费者一直急切地等待着基于石墨烯的电池。我们所有的小工具中的锂离子电池充电速度相对较慢,快速失去果汁,并在一定循环次数后烧坏。这是因为为锂离子电池供电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,因此在充电或放电时产生的热量会少得多。基于石墨烯的电池的充电速度比锂离子电池快五倍,电池续航时间延长三倍,在需要更换前的循环次数是锂离子电池的五倍。

三星和胡伟等电子公司正在积极开发用于智能手机和其他小工具的石墨烯电池,但最早上市的是2021年。至于电动汽车中的石墨烯电池——这可能会显著增加其驾驶半径——这还有几年时间。整个行业都建立在锂离子技术之上,不会一夜之间改变。

"电池行业非常保守,"Graphanea公司的首席执行官耶稣·德拉富恩特说。该公司向学术研究人员和研发部门生产和销售纯石墨烯芯片。它可能会每五到十年改变一次电池的组成,这使得在这个行业中引入新产品变得非常困难。

市场上有一些石墨烯电池,包括一些来自一家名为"真石墨烯"公司的有线和无线充电器,但这些只是冰山一角, 法拉利说, 他也是石墨烯旗舰公司的科技官员,欧盟为加快石墨烯技术的发展而与石墨烯公司合作了10亿欧元。与旗舰公司合作的研究合作伙伴已经在生产石墨烯电池,其容量和能量都优于当今最好的高能电池 20% 的容量和 15% 的能量。其他团队已经建造了石墨烯太阳能电池,这种太阳能电池在将阳光转化为电能方面效率提高20%。

石墨烯的其他用途

虽然石墨烯电池可能首先上市,但研究人员正忙于为这种奇迹材料开发无数其他应用。

生物传感器是件大事。想象一下,一个令人难以置信的薄和灵活的芯片,可以注入到血液中,以监测实时健康数据,如胰岛素水平或血压。或石墨烯接口,发送信号来回到大脑,以检测即将到来的癫痫发作,甚至防止它。薄的、可拉伸的传感器也可以戴在皮肤上,也可以编织成衣服的面料。

物理教授严丰博士,拥有低成本半透明太阳能电池与石墨烯电极在中国红红的聚聚大学,2015年的新发明。

光子学是另一个领域,已经结合石墨烯。通过将石墨烯集成到光敏芯片中,摄像机和其他传感器可以大大提高对可见和不可见光谱中最微弱的光波的灵敏度。这不仅将提高照相机和望远镜的图像质量,而且将提高医学图像。

过滤是石墨烯的又一有前途的应用。用石墨烯聚合物制成的简单净水过滤器可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基于石墨烯二极管创造了脱盐技术,这种二极管可以去除海水中60%以上的盐,用于农业和其他用途。

所有这些发展需要时间,但法拉利在剑桥石墨烯中心有信心,石墨烯将不辜负它的炒作。事实上,他同样对估计的2,000种其他单层材料尚未被发现的属性感到兴奋,这些材料也被隔离、胶带或其他方法。

"我们说石墨烯,但我们确实在谈论大量的选择,正在探索,"法拉利说。"事情正朝着正确的方向发展。