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石墨烯:潜力无穷、未来科技的神奇材料

石墨烯:潜力无穷、未来科技的神奇材料

石墨烯(Graphene),到底是什么东西?或许你连听都没听过,它是一种被视为很可能改变未来世界的神奇材料,由于它可以应用于信息、能源、航天、运输、医疗等产业,具有相当大的潜质,各国学术机构以及产业界纷纷投资研发,以期抢下市场大饼。

石墨烯是由碳原子组成,形状如六角形蜂巢晶格的平面薄膜,仅一个碳原子那么薄,若把20万片石墨烯薄膜叠在一起,也只有一根发丝那么厚。它是目前世界上已知最薄、最坚硬、电阻率最小的奈米材料(1奈米等于10亿分之1米)。同样1平方米,石墨烯膜比1张纸轻1,000倍,强度是钢的200倍,导电性优于铜10倍、高于硅200倍。比橡胶更有弹性,有如皮肤,吸光率仅2%,透明度极高。假如你手上拿一片石墨烯,你会发现它平到无可挑剔,透明又薄如纱,令人惊艳。

这些让其他材料相形失色的物理特质使得石墨烯别具魅力,前景看好,成

石墨烯:潜力无穷、未来科技的神奇材料

为与5G(第5代行动通信)与AI并列为21世纪热门的新科技,每年有关石墨烯的论文多达6万篇,全球不管大企业或小型创投公司都想参一脚。据悉,英特尔、苹果、IBM、三星、华为、鸿海等大厂,都有意利用石墨烯来创造产品优势。

以往石墨烯被认为是一种假设性的结构,无法单独存在,直到2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆(Andre Konstantin Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov),为了证明石墨烯具有导电性与韧性,使用透明胶带成功的分离出一片单层的石墨烯,因而证实它可以单独存在,两人也因为这个发现一同获得2010年诺贝尔物理奖。

石墨烯是用途极为多样的材料,它可以跟包括玻璃、金属的其他元件结合,变成具有超级性能的材料,世界各国的研究人员持续探讨石墨烯未来的应用领域,据他们推断,石墨烯可能应用于下列产品:触控屏幕如LCD或OLED、晶体管、电脑芯片、能源生成、超级电容器、DNA排序、滤水器、天线、太阳能板以及自旋电子相关(Spintronics-related)的产品。

有些人预测,石墨烯未来将篡夺硅的地位,成为集成电路的骨干,数据处理速度将大跃进,改写由英特尔合伙创办人戈登·摩尔(Gordon Moore)所提出的摩尔定律(Moore'sLaw)。而采用石墨烯的信息产品也会更轻、更薄、更灵活,人们使用的手机可以摺叠起来,放在口袋里。但也有专家不认为石墨烯可以取代硅的地位,因为它只是导体,不是半导体,虽然有敏锐的导电率,却无法阻断电子流,这就是导体与半导体的差异所在,若要用于电脑处理器,它必须跟其他材料结合,因而削弱了石墨烯的特异功能,威力将不如预期,不过石墨烯处理器仍会强过硅处理器。

石墨烯:潜力无穷、未来科技的神奇材料

石墨烯的诞生将大幅改善电池的效益,采用石墨烯做的锂电池,将扩充目前锂电池2到3倍的储能量,许多研究人员正在实验用石墨烯或石墨烯复合材料来做电池的电极,如果实验有成果,未来的电动车、手机和笔记型电脑,只需几分钟即可完成充电。

石墨烯材质既轻又韌,可以用来创造下一代的复合材料,让工程师设计出更轻、更快、更安全的汽车与飞机。未来汽车的钣金不容易生锈、更省油,而飞机也不再笨重,不怕闪电,洲际飞行时间缩短,机票可能会比较便宜。

在不久的未来,使用石墨烯墨水印刷的轻型电路,可以嵌入产品包装、衣服里,甚至短暂的纹身在皮肤上,这些价廉、效率高的无线电路,可以驱动物联网(Internet of Things,IoT),有些可充当聪明的电子标签,传递有用的产品资讯到手机上。有些则可作为生命感测器(biosensors),追踪你的健康状况。

在这种竞争激烈的资本主义社会,无创新就被淘汰的时代,石墨烯也成了行销的卖点,由于石墨烯超强的导电性,涂抹一点石墨烯,即可强化原有产品的性能,英国有家公司推出可调光的「石墨烯灯泡」,在LED灯外层会涂上石墨烯,可以让灯泡使用寿命更长,同时可减少10%的能源消耗。也有些厂商作广告推销网球拍、雪橇、脚踏车轮带,号称其产品是采用石墨烯做成的。有的科学家正在研发以石墨烯来制作假牙,利用石墨烯来净化水质。石墨烯似乎成了人们争做发财梦的材料。

石墨烯:潜力无穷、未来科技的神奇材料

Graphenea是一家成立于2010年,专门生产石墨烯卖给学术机构和企业研发部门的西班牙公司,该公司执行长戴拉芬特(de laFuente)表示,目前那些使用微量石墨烯设计出来的产品,其实并无真正的技术优势,只是噱头而已。石墨烯真正可能广泛应用于商业用途,首推生命感测(biosensing)领域。生命感测器是医疗诊断和药物发现过程的关键组成部分。植入石墨烯芯片的现代生命感测器内可以检测出最细微的标的分子(targeted molecules),由于石墨烯具有极高的传导效率,能测量磁场最小的变化,因此,石墨烯是感测器最理想的材料。该公司生产的感测器已经行销医疗市场,颇受欢迎。

剑桥大学的奈米科技教授安得烈‧费拉利(AndreaFerrari),对石墨烯应用于生命感测器的趋势,感到兴奋。他指出,完全由碳原子组成的石墨烯,具有高度的生物兼容性,植入人的身体不会产生生理恶化或不良的反应,已经有研究人员将感测器复在牙齿上侦测呼吸,或植入脑里来预测脑溢血发生率,有的人则正在尝试为视力障碍的病患做出人工的石墨烯视网膜。费拉利谈到的这些石墨烯应用于医疗的新趋势,对许许多多病患而言,是一大福音。

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