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石墨烯有望成為百變納米材料

來(lái)源:科普時(shí)報(bào) 字號(hào): [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

近年來(lái),有關(guān)石墨烯的研究報(bào)道不斷涌現(xiàn),最新學(xué)術(shù)報(bào)道也讓人應(yīng)接不暇,而在大大小小的科技界展會(huì)上,各式各樣的石墨烯功能產(chǎn)品如雨后春筍般層出不窮。

石墨烯又名單層石墨片,是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體,是一種sp雜化(同一原子內(nèi)由1個(gè)ns 軌道和1個(gè)np 軌道參與的雜化)連接的碳原子,緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新型納米材料,具有很多奇特的電子和機(jī)械性能,吸引了物理、化學(xué)和材料等領(lǐng)域科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

石墨烯的研究最早始于20世紀(jì)70年代,科學(xué)家利用化學(xué)方法合成了石墨烯片,此后施密特等科學(xué)家在此技術(shù)上改進(jìn),合成了石墨烯衍生物。

直到2004年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,運(yùn)用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出了石墨烯,因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),從此打開(kāi)了石墨烯神話的創(chuàng)意大門(mén)。

兩位科學(xué)家首先從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開(kāi)膠帶就能把石墨片一分為二,一層又一層地撕下去,于是薄片越來(lái)越薄,最后得到了僅有一層碳原子構(gòu)成的薄片,這就是最早誕生的石墨烯。

由于石墨烯單層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,科學(xué)家歸結(jié)于“納米尺度上的微觀扭曲”,因此被認(rèn)定為具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性。

近年來(lái),隨著高功率與高速電子元器件的迅猛發(fā)展,對(duì)于電子元器件與裝備進(jìn)行有效熱管理,以避免器件因過(guò)熱導(dǎo)致熱失效有了迫切的需求。由于石墨烯具有高度穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)、比表面積大的吸附性能、電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn),因而可作為晶體管、傳感器、電極材料、儲(chǔ)蓄材料等。有研究表明,在高分子基底中引入石墨烯的立體互連結(jié)構(gòu),能夠提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,此研究有望廣泛應(yīng)用在熱管理與電子材料領(lǐng)域;石墨烯可以兼容有機(jī)材料,與其接觸的電阻小,因而可作為很好的電極材料應(yīng)用;石墨烯因其較高的能量轉(zhuǎn)換率也可以作為太陽(yáng)能電池的受體材料,制作成石墨烯薄膜材料。

石墨烯的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)也在不斷持續(xù)升溫,和石墨烯有關(guān)的材料逐漸廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器等方面。研究者們致力于在不同領(lǐng)域嘗試不同方法以求制備高質(zhì)量、大面積石墨烯材料,并通過(guò)對(duì)石墨烯制備工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn),降低石墨烯制備成本使其優(yōu)異的材料性能得到更廣泛的應(yīng)用,并逐步走向產(chǎn)業(yè)化,石墨烯有望在諸多應(yīng)用領(lǐng)域成為新一代百變的納米材料。

從生產(chǎn)角度看,作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨,在我國(guó)儲(chǔ)能豐富,價(jià)格低廉。許多國(guó)家也投入到建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中,嘗試使石墨烯商業(yè)化,進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得應(yīng)用專(zhuān)利。但石墨烯產(chǎn)業(yè)化還處于初期階段,一些應(yīng)用還不足以體現(xiàn)出石墨烯“百變理想”的性能,國(guó)內(nèi)外的科研學(xué)者正在探索其更多的可能性,未來(lái)在檢測(cè)及認(rèn)證方面也需要面對(duì)大量挑戰(zhàn),方式方法上也需不斷提高。

石墨烯有著很多特殊且優(yōu)異的性能,幾乎有多少優(yōu)異的性能就有多少個(gè)創(chuàng)意去開(kāi)發(fā)產(chǎn)品,并且可以誕生很多衍生品。如何讓石墨烯走下神壇,進(jìn)入大眾的視野,成本和技術(shù)相平衡,實(shí)現(xiàn)商品化、產(chǎn)業(yè)化將會(huì)是未來(lái)需要攻克的難題。

(作者單位:北京東方匯通教育科技有限公司創(chuàng)客教育事業(yè)部)

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