乐鱼,关注身边的前沿科技：石墨烯，有惊喜
时间：2024-08-18
浙江年夜学操纵石墨烯制成的“碳海绵”很轻，很轻易被博璃棒上的静电吸附。龙 巍摄不久前，清华年夜学的研究团队发布了一项“智能石墨烯人工喉”的发现，操纵多孔石墨烯材料的劣势，制造出一种收发同体、合适穿着的集成声学器件，无望在将来处理聋哑人的“措辞”困难。在国际上，英国剑桥年夜学等机构的研究人员则陈述说，他们找到一种新方式来“叫醒”石墨烯的超导性，“被叫醒”后的石墨烯可以或许用在制造超等计较机等。石墨烯，可谓当前最热的全新材料。在航空范畴，人们用“可贵的元素”描述轻得像空气、坚固得像钢铁的机能完善的材料。此前，钛合金算是最接近这一质量的抱负之选，而“后起之秀”石墨烯则被认为向人类胡想的“可贵的元素”更近了一步。甚么是石墨烯今朝世界上最薄最轻最强的材料，硬度比最强的钢铁还要强100倍和金刚石一样，石墨是碳元素的一种具有情势。分歧的是，因为原子布局分歧，金刚石是地球上最坚固的工具，石墨则是最软的矿物之一，常做成石墨棒和铅笔心。石墨烯就是从石墨材猜中剥离出来的，只由一层碳原子在平面上组成。能够说，石墨烯的特点之一就是薄，可谓今朝世界上最薄的材料，只要一个原子那末厚，约0.3纳米，是一张A4纸厚度的十万分之一，头发丝的五十万分之一。同时，它又能导电，电子在石墨烯中的活动速度达1000千米/秒，是光速的1/300。轻浮、强韧、导电、导热……石墨烯这些特征付与人们良多想象空间。中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点尝试室副主任孔月婵博士引见说，石墨烯的硬度很是强，比此刻最强的钢铁还要强100倍；石墨烯的电子运转速度也很是高，是硅的10倍，很是合适成长下一代超高频电子器件。另外，石墨烯仍是传导热量的高手，比最能导热的金属银还要强10倍。石墨烯的特征，也表示得很“好玩”。好比当一滴水在石墨烯概况转动时，石墨烯能灵敏地“发觉”到细微的活动，并发生延续的电流。这类特征给科学家们供给了一种新思绪来从水的活动中获得电能。“石墨烯能够对单个电子进行感应，带电粒子在石墨烯概况的挪动可引发石墨烯内电子的快速挪动，实现传感和发电进程。”浙江年夜学消息电子项目学院副传授林时胜引见说，石墨烯的这一特征在能源与电子传感方面能够有良多利用，好比在雨天能够用涂有石墨烯的雨伞来进行发电，或能够做成活络的传感器件等。恰是这些周全的机能，让石墨烯遭到了史无前例的存眷，一些人乃至最先预言，石墨烯的呈现将引领一场由材料前进而激发的工业革命。如何获得石墨烯世界上第一次获得单层石墨烯，是靠通明胶“粘”出来的人们第一次获得到石墨烯，用的是“简单粗鲁”的法子。石墨烯自己具有在天然界。石墨烯是一层碳原子构成的薄片，原子之间构成一个六角形的环，环环相连构成蜂窝状的平面。它一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨年夜约包括300万层石墨烯。铅笔在纸上悄悄划过，留下的陈迹便可能是几层到几十层石墨烯。此前，碳的这类二维布局情势一向具有在人们的料想中，只是难以剥离出单层布局。要害的困难，就是如何让石墨分层到极薄的薄片。很多人在学生时期也都有如许的履历，当在纸上写错字的时辰，就会用通明胶带，把错字粘失落。但谁也没有想到，就是如许一个简单的方式，让人们发觉了奥秘的石墨烯。制造石墨烯，简单说就是要把石墨变薄，不克不及靠切，不克不及靠磨，而要靠粘。2004年，英国曼彻斯特年夜学的海姆和诺沃肖洛夫，用通明胶将一块石墨片频频粘贴与扯开，石墨片的厚度逐步减小，终究构成了厚度只要0.335纳米的石墨烯，也就是只要一个原子厚度的石墨烯。这是世界上第一次获得单层的石墨烯，两位科学家是以取得了2010年度诺贝尔物理学奖。中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点尝试室高级项目师吴云博士给记者做了演示。他把一小片石墨片粘在胶带上面，然后对它进行交叠的撕拉。粘了半个小时后，胶带上面已布满了灰色的石墨，然后再用胶带把这些石墨转移到了一块清洁的硅片上。吴云说，这时候候看到的都不是石墨烯，由于石墨烯不但很是薄，并且透光度到达97%以上，几近完全通明，人的肉眼是底子看不到的，要找到它，还得经由过程公用手艺手段。但这已是多层的石墨片，再经由过程手艺手段定位并肯定层数，终究才能找到建造出的单层石墨烯。专家说，这只是最后出产石墨烯的方式。胶带纸粘贴法演变而来的机器剥离法，只是尝试室制备石墨烯的一种方式。今朝，跟着手艺前进，高质量的石墨烯能够被更多地出产出来。石墨烯将带来甚么利用石墨烯材料，手机屏幕能够等闲曲折乃至折叠石墨烯的呈现，无望给我们的糊口带来欣喜。手机充电能够“秒充”，手机屏幕能够等闲曲折乃至折叠，汽车可使用石墨烯导静电轮胎，避免磨擦起电产生爆燃……从航空航天、电子消息到节能环保，操纵石墨烯的特征，良多范畴极可能城市产生庞大的转变。用石墨烯替换硅，能够提高电子芯片的机能。科研人员今朝正把石墨烯的出产和利用引入半导体行业，石墨烯激发的手艺革命极可能从我们常见的小小芯片最先。电子芯片的根本材料是硅。但是，跟着芯片上元器件愈来愈稠密，最高真个芯片上，两个元器件之间的距离已不到10个纳米，几近达到硅材料的极限。想要继续提高机能，该怎样办？科研人员最先测验考试用石墨烯部门取代硅的感化。“由石墨烯建造的器件，理论上频次能够到达硅的十倍乃至上百倍，能够在雷达上利用，年夜幅提高雷达的分辩率。并且在通信、成像上都有比力普遍的利用。”孔月婵引见说，并且，当前石墨烯的研产生产装备和通俗半导体器材出产装备一样，现有的手艺开辟都能够基在成熟的装备和工艺，为后续的项目化研制奠基了根本。科研人员还在做另外一件年夜事。他们让石墨烯附着在厚度只要50纳米的金箔上，然后用一套新的法子，把石墨烯完全地转移到柔嫩的塑料片上。孔月婵说，石墨烯能够经由过程矫捷的方式转移到肆意科研人员但愿的衬底上，好比电子器件上公用的一个塑料衬底，它具有柔性，也合适晶体管的制备进程。经由过程特殊的石墨烯转移手艺，将带有石墨烯的金箔附着在了塑料片上，以之为根本在这块塑料片上制备出具有必然功能的电子器件。最要害的是，如许的电子器件能够轻松曲折。将来不管是能够折叠的显示屏幕，仍是可以或许植入人体的可穿着装备，都可能靠如许的石墨烯器件来实现。石墨烯另外一个被寄与厚望的利用范畴是电能的贮存。在天津电源研究所，这里的科研人员正在展开最早进电容器的研究。电容器与电池一样，都能用来贮存电能。它的劣势在在充电速度快，几分钟就可以布满，并且能够反复利用几万次。但它存储的电量不如电池多，还没法经由过程存储足够多的电能在糊口里派上年夜用处。“这是我们已做好的改性石墨烯配成的浆料，下一步我们就把这些浆料经由过程涂布机涂到铝箔上，成为我们石墨烯电容器所用的正极。”中国电科18所化学与物理电源手艺国防科技重点尝试室常务副主任丁飞博士说，电容材料对电容器的机能有着相当主要的影响。经由过程对石墨烯材料进一步改性研究，科研人员正在让电容器的储电能力一步一步向电池挨近，而同时它具有的超快充电速度，可以或许为人们的糊口带来更多的便当。“我们正在做的改性石墨烯电容器，能够几分钟布满，其能量密度无望在一段时候以后，接近现有锂电池的能量密度。”能量密度是指在必然空间或质量的物资中贮存能量的巨细，能量密度越高，就暗示这类物资的储电能力越强。据丁飞引见，今朝他们所研制的改性石墨烯电容器的样品，能量密度已到达保守电容器的3倍以上。固然还处在尝试室研究阶段，可是石墨烯材料的壮大能力让研发团队看到改性石墨烯电容器利用的广漠前景。将来，当充电举措措施愈来愈完美时，电动汽车利用石墨烯电池，可能花两三分钟便可以把电布满。中国电科55所所长、微波毫米波单片集成和模块电路重点尝试室主任高涛认为，即便在尝试室前提下，石墨烯的奇异机能仍然没有完全释放出来。同时，手艺层面还具有着很多挑战，真正年夜面积利用还很长的路要走。但经由过程增强需乞降研究的连系，不竭在石墨烯材料的制备和器件研制方面获得主要冲破，石墨烯这类新一代计谋性新兴材料将会极年夜改变人们的糊口。
石墨烯的“硬”是指强度高，与凡是讲的硬有区分
为什么石墨软，石墨烯“硬”（延长浏览）
《 人平易近日报 》（ 2017年03月27日 20 版）
为何石墨那末软，而石墨烯又表示得那末“硬”呢？浙江年夜学消息电子项目学院副传授林时胜引见说，其实这里触及两个分歧的概念，一个是强度，这是力学概念，一个是硬度，属在物理概念。
石墨烯的“硬”，是指强度高，权衡强度的目标是杨氏模量，按照杨氏模量的凹凸能够把物资分为硬物资和软物资。石墨烯的模量很是高，可达1T帕（压强单元），是材料里最高的，所以石墨烯是硬物资，能够说是很硬。响应的像橡胶这些，模量只要几千帕，就是软物资，很软。
材料力学上有刚度、强度、韧度、硬度等分歧物理概念，这与我们凡是讲的硬与软有区分。从通俗意义上说，石墨烯的“硬”指的是石墨烯的强度很好，就是它抗断裂的能力很强，这也和它的韧性很好相关系，由于轻易延展而不竭裂。模量就是代表了材料能被拉伸的轻易水平。
再说石墨的软，这是物理概念，指的是硬度。硬度的权衡，是用一种材料去粉碎另外一种材料，被粉碎的硬度就小。石墨的片����APP层之间是范德华力，很是弱，只需用固体去划它，都能把它的片层错开，所以石墨很轻易被粉碎，就是说石墨很软。
（本报记者 余建斌清算）
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