石墨烯:强度是钢的200倍,重量却是纸的1000分之1

2004年,曼彻斯特大学(University of Manchester)的两名科学家进行了一项看似简单的实验,结果改变了世界。研究人员安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在摆弄石墨,也就是铅笔尖上的东西。石墨是由超薄的纯碳片叠放而成的。海姆和诺沃肖洛夫想看看他们能否分离出一层薄得不可思议的石墨,只有一个原子那么厚。

所以,他们拿了一卷胶带。是的,和你放在抽屉里的的透明胶带一样。下面是海姆对他的技术的描述:

“你把胶带粘在石墨上,然后剥掉最上面的一层。有石墨薄片从你的胶带上脱落。然后你把胶带对折,粘在薄片上,再把它们分开。重复这个过程10到20次。每一次,薄片都变成越来越薄的薄片。最后你会得到附着在胶带上的非常薄的薄片,然后把胶带溶解,所有的东西都变成了溶液。”

胶带法起作用了!通过分离单层碳,海姆和诺沃肖洛夫发现了一种叫做石墨烯的新材料。石墨烯现在被认为是地球上最强、最轻、导电性最强的物质。

2010年,海姆和诺沃肖洛夫因发现石墨烯而共同获得诺贝尔物理学奖,世界各地的研究人员开始寻找方法,利用这种非凡的“超材料”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,石墨烯仍未兑现其大肆宣传的承诺,但业内人士有信心在未来几年内,我们最终会看到使用石墨烯技术的智能手机、电动汽车和传感器。

为什么石墨烯是一种超材料?

一层石墨烯只有一个原子那么厚:

按重量计算,石墨烯的强度是钢的200倍。

它比纸轻1000倍。

它有98%的透明度。

它在室温下的导电性比任何其他已知材料都好。

它能把任何波长的光转换成电流。

最后但最不重要的一点是,石墨烯是由碳组成的,碳是宇宙中含量第四丰富的元素,所以我们不太可能用完。

石墨烯的超能力来自它的结构。如果你能放大到足够近的距离,你会看到石墨烯薄片看起来像原子尺度的蜂巢。单个碳原子排列成类似铁丝网的六角形。石墨烯薄片中的每个碳原子共价结合到其他三个碳原子上,这赋予了这种材料难以置信的强度。

为什么石墨烯导电这么好?因为这些碳原子的结合方式。每个碳原子的外层有4个电子,但只有3个电子与相邻的3个碳原子共用。剩下的电子被称为pi电子,可以在三维空间中自由移动,这使得它可以在几乎没有阻力的情况下通过石墨烯薄片传输电荷。事实上,在任何已知物质中,石墨烯是室温下速度最快的导体。

最近的一项发现可能会为石墨烯的吹嘘名单增添另一种超级力量。麻省理工学院(MIT)的一个团队正在试验双层石墨烯——两层单原子石墨烯叠放在一起——他们偶然发现了石墨烯的一种几乎不可思议的新特性。当这些层稍微偏离彼此的直线时——位移正好为1.1度——石墨烯就变成了超导体。超导体是最稀有的一类导电材料,它完全没有电阻,产生的热量为零。

石墨烯“魔法角”的发现在科学界掀起了轩然大波。尽管实验是在极低的温度(接近0开尔文或负459.67华氏度)下进行的,但它打开了一种可能性,即通过将石墨烯与其他超导元素结合,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电子产品到汽车到整个电网的一切能源效率。

石墨烯将如何改变技术现状?

剑桥大学石墨烯中心主任、纳米技术教授安德里亚·法拉利(Andrea Ferrari)表示,超导还需要几十年的时间,但革命性的石墨烯产品将很快进入市场。

“到2024年,市场上将会有各种石墨烯产品,”法拉利说,“包括电池、夜视相机等。”

多年来,消费者一直在热切期盼石墨烯电池的问世。我们所有电子产品的锂离子电池充电速度都相对较慢,很快就会失去活力,在一定次数的循环后就会耗尽。这是因为驱动锂离子电池的电化学过程会产生大量热量。

但由于石墨烯是世界上效率最高的导体,它在充电或放电时产生的热量要少得多。石墨烯电池的充电速度是锂离子电池的5倍,电池寿命是锂离子电池的3倍,更换之前的循环次数是锂离子电池的5倍。

三星(Samsung)和华为(huawei)等电子公司正在积极开发用于智能手机和其他设备的石墨烯电池,但这些电池最早将于2021年上市。至于用于电动汽车的石墨烯电池——这可能会大幅增加它们的驾驶距离——还需要几年的时间。整个行业已经建立在锂离子技术上,这不会在一夜之间改变。

石墨烯的其他用途

虽然石墨烯电池可能是第一个进入市场的,但研究人员正忙于开发这种神奇材料的无数其他应用。

生物传感器是其中之一。想象一下,一种极其薄而灵活的芯片可以注射到血液中,监测实时的健康数据,如胰岛素水平或血压。或者一种石墨烯接口,它可以向大脑发送信号来检测即将到来的癫痫发作,甚至阻止癫痫发作。轻薄、可伸缩的传感器也可以穿在皮肤上或编织到衣服的织物上。

光子学是另一个已经融入石墨烯的领域。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光波的灵敏度。这不仅会提高相机和望远镜的成像质量,也会提高医学图像的质量。

过滤是石墨烯另一个很有前景的应用。用石墨烯聚合物建造的简单水净化过滤器可以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发明了基于石墨烯二极管的海水淡化技术,可以从农业和其他用途的海水中去除超过60%的盐。

所有这些发展都需要时间,但剑桥石墨烯中心的法拉利相信石墨烯将实现其宣传。事实上,他对另外大约2000种单层材料尚未发现的特性同样感到兴奋,这些材料也被分离出来,如胶带法或其他方法。

“我们说的是石墨烯,但实际上我们谈论的是正在探索的大量选择,”法拉利说。“事情正在朝着正确的方向发展。”

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/huaxue/679.html