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石墨烯Graphene是一种由构成的单层片状结构的新材料是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜只有一个碳原子厚度的二维材料石墨烯一直被认为是假设性的结构无法单独稳定存在直至2004年英国曼彻斯特大学物理学家(Andre Geim)和(Konstantin Novoselov)成功地在实验中从中分离出石墨烯而证实它可以单独存在两人也因在二维石墨烯材料的开创性实验共同获得2010年诺贝尔物理学奖石墨烯是已知的世上最薄最坚硬的它几乎是完全透明的只吸收2.3%的光导热系数高达5300 W/m·K高于碳纳米管和金刚石常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s又比纳米碳管或硅晶体高而电阻率只约10-8 Ω·m比铜或银更低为世上电阻率最小的材料因其电阻率极低电子迁移的速度极快因此被期待可用来发展更薄导电速度更快的新一代电子元件或晶体管由于石墨烯实质上是一种透明良好的导体也适合用来制造透明触控屏幕甚至是外文名graphene发现时间2004年发现人Geim、 Novoselov电子迁移率15000cm2/(v s)断裂强度130GPa导热系数5000W/(m K)理论比表面积2630m2/g可见光透过率≥97%应用领域能源、材料、电子、生物医药
石墨烯出现在中是在2004年当时英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片他们从中剥离出石墨片然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上撕开胶带就能把一分为二不断地这样操作于是薄片越来越薄最后他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片这就是石墨烯这以后制备石墨烯的新方法层出不穷经过5年的发展人们发现将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了因此两人在2010年获得
石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜人们发现石墨烯具有非同寻常的导电性能超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命在石墨烯中电子能够极为高效地迁移而传统的半导体和导体例如和远没有石墨烯表现得好由于电子和原子的碰撞传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能石墨烯则不同它的电子能量不会被损耗这使它具有了非比寻常的优良特性在饱和溶液中时间(小时天数)和产生电压的关系
实验制成电路其中包含用电线连接到带状石墨烯他们只是把石墨烯放在氯化铜(copper chloride)溶液中进行观察LED灯亮了实际上他们需要6个石墨烯电路形成串联这样就可产生所需的2V使LED灯发亮就可以得到这个图片
徐子涵和同事说这里发生情况就是铜离子具有双重正电荷穿过溶液的速度约每秒300米因为溶液在室温下的热能量当离子猛烈撞入石墨烯带时碰撞会产生足够的能量使不在原位的电子离开石墨烯电子有两种选择可以离开石墨烯带和铜离子结合也可以穿过石墨烯进入电路
原来流动的电子在石墨烯中更快超过它穿过溶液的速度所以电子自然会选择路径穿过电路正是这一点点亮了LED灯释放的电子更倾向于穿过石墨烯表面而不是进入电解液设备就是这样产生电压的徐子涵说
因此这个装置产生的能量来自周围环境的热量他们可以提高电流只需加热溶液也可用超声波加快铜离子只依靠周围热量就可以使他们的石墨烯电池持续运行20天但是还有一个重要的问号另一个假设是某种化学反应产生电流就像普通的电池
然而徐子涵和同事说他们排除了这一点因为进行了几组控制实验然而这些是在一些补充材料中介绍的他们似乎并没有放在arXiv网站上他们需要赶在别人做出严肃声明之前公开从表面价值来看这看起来是一项非常重要的成果其他人也在石墨烯中产生过电流但只是让水流过它所以这并不真的使人吃惊移动的离子也可以产生这样的效果这预示着清洁的绿色电池只依靠环境热量驱动徐子涵和同事说这代表着一个巨大的突破研究的是自驱动技术随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破石墨烯的产业化应用步伐正在加快基于目前已有的研究成果最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备航空航天新能源电池领域
消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目成为未来移动设备显示屏的发展趋势柔性显示未来市场广阔作为基础材料的石墨烯前景也被看好有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片到2015年平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片为石墨烯的应用提供了广阔的市场韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏相信大规模商用指日可待
另一方面新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米图层的柔性光伏电池板可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本这种电池有可能在夜视镜相机等小型数码设备中应用另外石墨烯超级电池的成功研发也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题极大加速了新能源电池产业的发展这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路
由于高导电性高强度超轻薄等特性石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器就能很好的对地球高空大气层的微量元素航天器上的结构性缺陷等进行检测而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用.美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性开发出一种新的电池这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟分析人士认为未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后将带来电池产业的变革从而也促使新能源汽车产业的革新
作为导电性机械性能都很优异的材料素来有黑金子之称的石墨烯之前在中国市场上的价格近十倍于黄金超过2000元/克目前最低降到3元/克
新型石墨烯电池实验阶段的成功无疑将成为电池产业的一个新的发展点电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段石墨烯储能设备的研制成功后若能批量生产则将为电池产业乃至电动车产业带来新的变革[1]
由于其独有的特性石墨烯被称为神奇材料科学家甚至预言其将彻底改变21世纪曼彻斯特大学副校长Colin Bailey教授称石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片
最近美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器该电容器不仅外形小巧而且充电速度为普通电池的1000倍可以在数秒内为手机甚至汽车充电同时可用于制造体积较小的器件
微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展目前主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术需要投入大量的人力和成本阻碍了产品的商业应用而现在只需要常见的DVD刻录机甚至是在家里利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多个微型石墨烯超级电容
正是看到了石墨烯的应用前景许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心尝试使用石墨烯商业化进而在工业技术和电子相关领域获得潜在的应用专利欧盟委员会将石墨烯作为未来新兴旗舰技术项目设立专项研发计划未来10年内拨出10亿欧元经费英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI)力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场
中国在石墨烯研究上也具有独特的优势从生产角度看
作为石墨烯生产原料的石墨在我国储能丰富价格低廉另外批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题制造成本已从5000元/克降至3元/克解决了这种材料的量产难题利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上制备出了7英寸石墨烯触摸屏
中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性
随着研究的不断深入技术难题的接连攻克应用范围也在不断拓宽相信石墨烯器件时代已为期不远现在也可以期待一下这一21世纪的神奇材料会带来怎样的惊喜根据美国环保局公布的信息我们知道特斯拉广受好评的Model S电动汽车一次充电可以行驶265英里然而该公司的CEO伊隆·马斯克上个月在接受媒体采访时表示一次充电行驶500英里也是有可能的而且我们很快就能做到这一点
特斯拉可能很快就会推出一次充电即可行驶500英里的电动汽车因为高性能石墨烯电池的研发取得了不错的进展而这种电池的输出密度是锂离子电池的四倍
尽管特斯拉实现这种高性能的量产可能需要数年的时间但是只要能够做出高性能石墨烯电池那么电动汽车就没有什么值得挑剔的了这也意味着离成为主流又更近了一步[1]前不久任正非在接受媒体采访时声称未来10至20年内会爆发一场技术革命我认为这个时代将来最大的颠覆是石墨烯时代颠覆现在芯片有极限宽度硅的极限是七纳米已经临近边界了石墨是技术革命前沿这里提到的石墨烯究竟是何方神圣它真的能带来颠覆吗
石墨烯一种只有一个原子厚的二维碳膜的确是种令人惊讶的材料虽然名字里带有石墨二字但它既不依赖石墨储量也完全不是石墨的特性石墨烯导电性强可弯折机械强度好看起来颇有未来神奇材料的风范如果再把它的潜在用途开个清单保护涂层透明可弯折电子元件超大容量电容器等等那简直是改变世界的发明连2010年诺贝尔物理学奖都授予了它呢
但它诞生至今都十年了我的透明手机在哪呢
其实就在2012年因石墨烯而获得的Konstantin Novoselov和他的同事曾经在自然上发表文章讨论石墨烯的未来两年来的发展也基本证明了他们的预测他认为作为一种材料石墨烯前途是光明的道路是曲折的虽然将来它也许能发挥重大作用但是在克服几个重大困难之前这一场景还不会到来更重要的是考虑到产业更新的巨大成本石墨烯的好处可能不足以让它简单地取代现有的设备它的真正前景或许在于为它的独到特性量身定做的全新应用场合石墨烯是人们发现的第一种由单层原子构成的材料之间相互连接成六角网格铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起而就是石墨烯卷成了筒状
由于碳原子之间化学键的特性石墨烯很顽强可以弯曲到很大角度而不断裂还能抵抗很高的压力而因为只有一层原子电子的运动被限制在一个平面上为它带来了全新的电学属性石墨烯在可见光下透明但不透气这些特征使得它非常适合作为保护层和透明电子产品的原料
但是适合归适合真的民用还没那么快[2-3]
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