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石墨烯是什么?

最简单的描述石墨烯的方法是,它是一层薄薄的石墨——用在铅笔芯上的柔软的片状材料。石墨是碳元素的一种异形体,这意味着它拥有相同的原子,但它们以不同的方式排列,赋予材料不同的性质。例如,金刚石和石墨都是碳的形式,但它们有着截然不同的性质。金刚石是非常坚硬的,而石墨是易碎的。石墨烯的原子排列成六角形排列。

有趣的是,当石墨烯从石墨中分离出来时,它具有一些神奇的特性。它仅仅是一个原子的厚度,是第一个被发现的二维材料。尽管如此,石墨烯还是已知宇宙中最强的物质之一。它的抗拉强度为130 GPa (gigapascals),比钢强100倍。

尽管石墨烯如此之薄,但它的惊人力量已经足以让它令人惊叹,然而,它独特的特性并没有就此结束。它还具有柔性、透明、高导电性,而且对大多数气体和液体来说似乎是不透水的。似乎没有哪个领域是石墨烯不占优势的。

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这种石墨烯完全由碳原子构成,1mm的石墨含有。石墨是一种三维晶体结构,而石墨烯是一种只有原子厚度的二维晶体。碳原子在六边形的蜂窝状结构中完美地分布,只有0.3纳米厚,每个原子之间只有0.1纳米。

石墨烯的导电性比铜强。它比钢强200倍,但比钢轻六倍。它几乎完全透明,因为它只吸收2%的光。它不能渗透到气体中,即使是像氢或氦那样轻的气体,如果这还不够,化学成分就可以被添加到它的表面来改变它的性质。

石墨烯既透明又具有良好的导体,它可以替代触摸屏中使用的铟电极。由于它是轻的,石墨烯可以被集成到复合材料中,以消除闪电对飞机机身的影响。它也是防水的,适合在氢储层中使用。

由于没有任何东西能阻止电子,所以石墨烯不能被“切断”,所以理论上它在晶体管中几乎没有用处,而晶体管是现代电子产品的关键组成部分。然而,研究正在进行,以创造一种人为的带隙,使它能够被关闭,因此用于这一目的。

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潜在的应用

如果石墨烯仅仅具有众多的超级特性之一,那么它将成为对潜在用途进行深入研究的主题。从许多方面来说,石墨烯都是如此引人注目,它激发了科学家们思考各种各样的材料用途,在各种领域,如消费科技和环境科学。

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石墨烯除了具有强大的电气性能外,还具有高度的柔韧性和透明度。这使得它非常适合在便携式电子设备中使用。使用石墨烯,智能手机和平板电脑可以变得更加耐用,甚至可以像纸一样折叠起来。可穿戴电子设备最近越来越受欢迎。使用石墨烯,这些设备可以变得更有用,设计成适合四肢和弯曲来适应运动。

石墨烯的灵活性和微观宽度提供了超越单纯消费设备的机会。它在生物医学研究中也很有用。小机器和传感器可以用石墨烯制成,能够在人体中轻易地、无害地移动,分析组织,甚至将药物输送到特定的区域。碳已经是人体的重要组成部分;一个小的石墨烯可能不会造成伤害。

石墨烯具有很高的导电性和透明性。因此,它在太阳能电池中具有巨大的潜力。通常情况下,太阳能电池使用硅,当光子撞击材料时,硅会产生电荷,从而破坏自由电子。硅只释放每个光子的一个电子。研究表明,石墨烯可以为每一个撞击它的光子释放多个电子。因此,石墨烯可以更好地转换太阳能,与目前硅电池所能达到的大约25%的效率相比,它的效率达到了60%。

不幸的是,这都是理论上的。目前的石墨烯电池还没有达到与硅电池同等的水平。值得庆幸的是,石墨烯太阳能电池的研究正在进行中,而且这种电池的效率正在提高。不久,更便宜、更强大的石墨烯电池将会产生大量的可再生能源。

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石墨烯研究的未来

鉴于石墨烯似乎无穷无尽的优点,人们希望它能随处可见。那么,为什么石墨烯没有被广泛采用呢?和大多数事情一样,这取决于钱。石墨烯的生产成本仍然极高,限制了它在任何需要大规模生产的产品中的使用。此外,当大量的石墨烯产生时,材料中出现微小裂隙和其他缺陷的风险也会增加。无论科学发现多么令人难以置信,经济学总是会决定成功。

抛开生产问题不谈,石墨烯研究绝不是放慢脚步。世界各地的研究实验室——包括最初发现石墨烯的曼彻斯特大学——正在不断地申请专利,以创造和使用石墨烯的新方法。欧盟(eu) 2013年批准为一项旗舰项目提供资金,该项目将为石墨烯用于电子产品的研究提供资金。或许更重要的是,亚洲的许多大型科技公司正在研究石墨烯,包括移动巨头三星。随着欧盟试图在亚洲经济爆炸式增长的面前站稳脚跟,石墨烯可能成为未来几年国际政治的一个重要战场。再一次,帝国的崛起和衰落是基于对资源的控制。

另外祝贺我国科学家首次实现原子级石墨烯可控折叠

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以科学家而言,石墨烯“折纸术”意味着材料实现了从二维到三维的空间转化。经过多年研究攻关,中国科学院物理研究所首次实现了对石墨烯纳米结构原子级精准的可控折叠,这是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠。这一成果在国际学术期刊《科学》上发表,对构筑量子材料和量子器件(机器)具有科学和技术上的双重意义。也许在未来,人们有望利用这种“折纸术”,折叠出其他新型二维原子晶体材料和复杂的叠层结。这些新型的二维原子晶体材料有可能由没有超导特性变成具有超导特性,由没有磁性变成有磁性,科学家进而可制备出功能纳米结构及其量子器件,研究其新奇物理现象,例如探索魔角旋转堆垛双层二维原子晶体材料的超导电性、拓扑特性和磁性,以及研究一维异质结的输运性质及其应用等。

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加油中国!

原创文章,作者:solo科学,如若转载,请注明出处:http://www.zgsmx.cn/3105.html

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