王瑞良

石墨烯：異軍突起的新材料

王瑞良

顯微鏡下的石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

石墨烯，現(xiàn)在可能你還相當(dāng)陌生，不過(guò)，相信看完本文，你會(huì)記住它。

超輕材料石墨烯

最薄的材料——石墨烯

天然石墨是由一層層按蜂窩狀有序排列的碳原子堆疊而成的，層與層間作用力較弱，所以很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。石墨片一層層被剝離到只有一個(gè)碳原子厚度的單層后，就是石墨烯。它是目前世界上已知的最薄、最硬的材料，其厚度只有0.335納米，若是把20萬(wàn)片石墨烯薄膜疊加到一起，厚度也只有一根頭發(fā)絲那么細(xì)。

很長(zhǎng)時(shí)間，石墨烯被認(rèn)為是一種假設(shè)性結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。直到2004年，英國(guó)物理學(xué)家安德利·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實(shí)驗(yàn)中分離制備出石墨烯，才證實(shí)了它可以單獨(dú)存在。這次發(fā)現(xiàn)意義非凡，但采用的方法很簡(jiǎn)單——利用特殊膠帶 住定向熱解石墨（經(jīng)高溫處理的新型石墨），通過(guò)撕拉將石墨薄片一分為二，再繼續(xù)不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程，使石墨片越來(lái)越薄，最終得到石墨烯。

兩位科學(xué)家因?yàn)橐蚤_(kāi)創(chuàng)性試驗(yàn)方法制備出石墨烯，榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

康斯坦丁后來(lái)介紹，他們?cè)谥芪逋砩嫌袀€(gè)小習(xí)慣，就是利用這段時(shí)間嘗試以各種瘋狂、簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法解決問(wèn)題，“膠帶撕開(kāi)石墨”這個(gè)異想天開(kāi)的想法就因此而誕生?？磥?lái)，科學(xué)研究不一定只能靠昂貴、精密的儀器哦！

石墨烯有什么特性？

石墨烯的出現(xiàn)引發(fā)了研究熱潮。經(jīng)過(guò)10多年的競(jìng)相研發(fā)，人們對(duì)它有了更加深刻的了解——石墨烯真是一種了不起的新材料。

石墨烯傳感器可用于研究人類(lèi)大腦

我們可以隨便列出幾個(gè)特性：電子在石墨烯中的運(yùn)動(dòng)速度極快，因此石墨烯是世界上電阻率最小、導(dǎo)電性最佳的物質(zhì)；它比鉆石還堅(jiān)硬；它的透光性、導(dǎo)熱性、柔韌性也非常好，比如透光率達(dá)到97.4%，幾乎是完全透明的；它具有高傳導(dǎo)性、高比表面積等。

所以，如果說(shuō)20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，石墨烯則開(kāi)創(chuàng)了21世紀(jì)的新材料紀(jì)元。

石墨烯有什么用途？

特性多多的石墨烯可以在電子、通信、能源、生物醫(yī)學(xué)和航天、軍工等諸多領(lǐng)域大顯身手。

我們都希望電子產(chǎn)品更小、網(wǎng)速更快，那就請(qǐng)石墨烯來(lái)吧。石墨烯有望替代硅成為芯片的基礎(chǔ)材料，用來(lái)制造超微型晶體管和集成電路，這種電路更小、更快、更便宜，但用它生產(chǎn)的電腦運(yùn)算速率超強(qiáng)，而且體積大幅度縮小——機(jī)器人大小如螞蟻甚至微塵。相當(dāng)于頭發(fā)1/400細(xì)的光學(xué)調(diào)制器有望提高網(wǎng)速一萬(wàn)倍，一秒鐘下載一部高清電影指日可待。

可折疊的石墨烯顯示器

電子產(chǎn)品的觸摸屏很貴很嬌氣，怕磕怕碰還不穩(wěn)定，好吧，請(qǐng)石墨烯來(lái)吧。它幾乎完全透明，穩(wěn)定、堅(jiān)固又廉價(jià)，而且它很柔韌，可以拉伸、折疊的顯示器就靠它了！

騎過(guò)電動(dòng)車(chē)嗎，充一次電是不是很辛苦，又騎不了多遠(yuǎn)？石墨烯怎么樣呢？它很棒??！石墨烯的功率密度比鋰電池高許多。據(jù)估算，石墨烯陽(yáng)極材料充放電速度，如果用于電動(dòng)汽車(chē)，只需8分鐘就能完成一次充電，續(xù)航里程可達(dá)1 000千米。

石墨烯超級(jí)傳感器的應(yīng)用

大腸桿菌會(huì)引起很多疾病，但服用抗生素容易產(chǎn)生抗藥性，怎么辦？醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的結(jié)構(gòu)會(huì)與大腸桿菌上的磷胎分子產(chǎn)生交互作用，在拉扯下會(huì)使大腸桿菌破裂，無(wú)法生存。這種物理性殺菌方式不易產(chǎn)生抗藥性，因此可用于制作止血繃帶、抗菌服裝、食品和藥品等的包裝材料。

全球首批石墨烯量產(chǎn)手機(jī)在重慶發(fā)布

石墨烯是優(yōu)良熱導(dǎo)體，可以制成節(jié)能降耗、保溫隔熱的功能材料，如保溫服、取暖器、散熱地板等。同時(shí)，石墨烯也能制造有效控制環(huán)境噪聲的隔音材料。

國(guó)內(nèi)首條石墨烯生產(chǎn)線在江蘇常州投產(chǎn)

此外，石墨烯超輕、超強(qiáng)、超堅(jiān)韌，是研發(fā)輕型飛機(jī)、航天器和高性能防彈衣的好材料。

你可能很關(guān)心，我國(guó)有石墨烯產(chǎn)品嗎？有！2014年5月，全球首款石墨烯電容觸摸屏手機(jī)在江蘇常州研制成功。之后，全球首批量產(chǎn)石墨烯手機(jī)在重慶發(fā)布。此外，我國(guó)在石墨烯粉體、液態(tài)、薄膜以及動(dòng)力電池、超級(jí)電容器等產(chǎn)品的研發(fā)方面，也取得不同程度的進(jìn)展。

當(dāng)然，全球石墨烯的研制總體上尚處在研發(fā)和概念機(jī)階段，但前景值得我們期待。

現(xiàn)在，你記住“石墨烯”了嗎？