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石墨烯时代即将来临?超级材料“突围战”开启,中国已抢占先机
更新时间:2021-08-26 浏览数:

从茹毛饮血的原始社会到王权初现的部落时代,再到如今文明守礼的现代社会,人类经历了数万年的发展,而推动人类发展的正是材料工具的发现与使用。

石墨烯时代即将来临?超级材料“突围战”开启,中国已抢占先机

Tips:文明的起源。人类意识的诞生为文明起源奠定了基础。意识具有感知和认知两大功能:感知赋予人感觉体验,人在感觉基础上建立了认知观。

远古时代,人们用石头制作各式各样的工具用于采集食物,出现早期的部落文明。秦汉时期,各种铁器、弓弩的发明使我们能够横扫草原,成为屹立东方的天汉之国。中世纪时,纸张,火药、指南针的发明推动了文明、探索的进步

近代,石油的发现更是推动了工业革命的发展,将人类引进一个崭新的文明的世界。20世纪,各类半导体材料的出现,引领我们走向高度发达的信息化时代。

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Tips:中国四大发明是造纸术、指南针、火药、印刷术。四大发明是中国古代创新的智慧成果和科学技术,四大发明的概念却来源于西方学者,并在之后被中国人接受。

纵观世界的发展史,就是一部材料的进化史。每一个新型材料的出现都引领着一个时代的发展,改变着人类的生活方式。而引领21世纪发展的超级材料就是石墨烯。那么石墨烯时代的来临会给我们的社会生活带来怎样的变化呢?

什么是石墨烯?

说起石墨烯,大家可能会一头雾水,不清楚这是个什么东西,但要说到石墨,大家的认识就深刻多了。石墨是碳的同素异形体,简单来讲他俩都是由碳原子组成的,但是因为排序方式不同,导致性质不同的同卵双胞胎。石墨在日常运用中,因其质地偏软具有一定的延展性,常用做铅笔的笔芯

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Tips:石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。

在我们用这些铅笔在纸上勾勒未来的蓝图时,我们并不知道这些黑色的线条竟然能诞生出影响世界走向的超级材料。这种引领人类未来走向的材料就是石墨烯。石墨烯与石墨仅有一字之差,两者的关系十分紧密,可以说石墨烯就是从石墨身上带下来的孩子。

我们知道,石墨是由一层一层的六边形碳原子层有序堆叠而形成,看起来就像是一个蜂窝状的立体图形。由于石墨各层面的分子间作用力较小,因此石墨层间很容易剥离,形成薄的石墨片,这也正是铅笔在纸上留下痕迹的原因。当石墨剥离成一个单层的,只有一个碳原子层时,所获得的就是石墨烯

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Tips:石墨是碳的一种同素异形体,为灰黑色、不透明固体,化学性质稳定,耐腐蚀,同酸、碱等药剂不易发生反应。

科学界在很长一段时间中,认为石墨烯的结构不稳定,无法单独存在,仅将其当做一种假设性结构。直到2004年,英国物理学家海姆与同事成功在实验中将石墨烯从石墨中分离出来,从而证实了它可以单独存在,石墨烯才从人类的假想来到真实的世界。两位得出开创性发现的物理学家,也凭此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

事实上,早在20世纪初,科学家就开始寻找石墨烯的身影,特别是在X射线晶体学创立后,科学家可以通过X射线来研究晶体中原子的排列顺序,极大的方便了科学家对石墨性质结构的描述和石墨烯的发现。1918年,物理学家V. Kohlschütter和P. Haenni详细地描述了石墨氧化物质的性质

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Tips:X射线晶体学是一门利用X射线来研究晶体中原子排列的学科。运用X射线晶体学 [1] 可以了解大分子如蛋白质与DNA的结构和功能。

1948年,物理学家发布了用透射电子显微镜拍摄的少层石墨烯(层数在3层至10层之间的石墨烯)图像,这也是最早的石墨烯图像。以上种种发现振奋了科学家们好奇、探索的心理,他们试图开始分离、制造石墨烯。

但是囿于时代的局限和设备的落后,科学家并没有见到梦想中的石墨烯。2004年,英曼彻斯特大学与俄国微电子工艺研究所合作共同研究开发石墨烯项目。在两个团队的精诚合作之下,成功分离出了单独的石墨烯平面,这是世界上首个成功的石墨烯分离实验。在分离石墨烯的过程中,曼彻斯特大学家教授海姆与其团队偶然地发现了一种简便的易于操作的石墨烯新型制备方法。

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Tips:透射电子显微镜Transmission Electron Microscope,简称TEM,可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构,这些结构称为亚显微结构或超微结构。

他们巧妙地利用了石墨的层状结构特征,将石墨片放在胶带上,用胶带粘住石墨片的两侧,轻轻撕开胶带后,石墨片也一分为二,然后重复进行以上操作使石墨片的厚度越来越小,直到再也无法分离。最后用显微镜在浩如烟海的薄片中寻找到了厚度只有0.34纳米的石墨烯。在海姆及其团队日以继夜、苦心孤诣的专研下,石墨烯从虚幻来到了现实世界,并绽放出璀璨的光彩。

石墨烯的结构与性质

石墨烯是一种由碳原子经SP2电子杂化轨道形成的,是碳元素的一种同素异形体,是碳原子六边形结构组成的二维单层石墨层材料。它可以翘曲成零维的富勒烯,卷成一堆碳纳米管或者堆垛成三维石墨,它是众多碳质材料的最基本单元。

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Tips:碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构,径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口的一维量子材料。

如果对石墨烯有更深入的了解,人们就有可能依据自己的意愿定向制作某种碳质材料。石墨烯的外观并不是平滑如镜的,在微观上它的表面呈现出一种粗糙性,表面的起伏如同波浪一般。关于这种粗糙性的由来,科学家们猜测这可能是衬底与石墨烯相互作用导致的。

完美的石墨烯结构是二维的,并且只包括六边形结构,可以将其看作是一层被剥离的石墨分子。我们知道碳原子的原子数量是6,在电子轨道的排列中,P轨道上没有排满。在石墨烯结构中,碳原子的连接方式是苯环状六边形连接,所以每个碳原子在连接之后会剩下一个P电子,能够在晶体中自由移动,赋予石墨烯良好的导电性

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Tips:物体传导电流的能力叫做导电性。各种金属的导电性各不相同,通常银的导电性最好,其次是铜和金。

石墨烯有单双多层之分,其中,单层石墨烯厚底为0.334纳米,约为人体头发的十万分之一,而石墨烯的性能也与其层数密切相关。

石墨烯的结构十分稳定,是平面六边形结构。石墨烯内部的碳原子之间的连接十分柔韧,当外力施加在石墨烯上,其碳原子面会弯曲变形,以极其柔韧的身姿来承接外力,使内部的碳原子不必重新排列来抵抗外力的入侵,从而保持结构稳定。这种稳定的结构使石墨烯具有良好的导热性

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Tips:导热硅脂具有高导热率,极佳的导热性,良好的电绝缘性,只针对绝缘导热硅脂,较宽的使用温度,很好的使用稳定性,较低的稠度和良好的施工性能。

另外石墨烯中的电子在sp2轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生不必要的散射。由于石墨烯的原子间作用力十分强大,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯内部电子受到的干扰也非常小,可以应用在各种高新技术领域。

石墨烯的应用前景

目前石墨烯行业正在摸索之中,不过石墨烯材料的前景十分广大得益于石墨烯良好的导电性和透光性,使它能够应用在透明导电电极上。手机触摸屏、液晶显示器、有机发光二极管、电脑的显示屏等等元件,都需要良好的透明导电电极材料。更不必说,石墨烯同时具备优秀的导电性、导热性、柔韧性和高强度性,堪称全能复合型材料之王。

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Tips:OLED又称为有机电激光显示、有机发光半导体。OLED属于一种电流型的有机发光器件,是通过载流子的注入和复合而致发光的现象,发光强度与注入的电流成正比。

通过化学气相沉积法,我们可以得到大面积的、透明的单层石墨烯薄膜,用于光伏器件的阳极,能量转化率为1.71%。此外,石墨烯材料可以用来制备太阳能电池。

除了应用于化学方面,石墨烯还可以应用于生物、医学方面。研究表明石墨烯制作的过滤器比目前市面上的任何一种过滤技术更强更陷阱,可用于海水淡化,将其变为淡水,供人类饮用和农田灌溉,缓解干旱地区的旱情。

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Tips:太阳能电池,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,又称为“太阳能芯片”或“光电池”,它只要被满足一定照度条件的光照度,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。

石墨烯氧化物还是一种抗菌物质。我国科学家发现,石墨烯氧化物对大肠杆菌有着优异的抑制作用,它就像是大肠杆菌的天敌一样。在这个抑制过程中就像装感应器一样只针对大肠杆菌,不影响人体其他的细胞。如果这种氧化物能够对其他的细菌也有抗菌性,那么在抑制其他细胞方面如癌细胞的生长,就能拯救人类的生命,为医学打开一条通天坦途。

石墨烯材料强大的应用空间和领域,让世界各国都为之着迷,认为得石墨烯材料之先者可得天下。世界各国出台许多政策和计划来大力开发和扶持石墨烯项目,争取把握住改变世界的机遇,成为时代的弄潮儿。

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Tips:大肠杆菌Escherichia coli,又叫大肠埃希氏菌,在1885年发现的。大肠杆菌是条件致病菌,在一定条件下可以引起人和多种动物发生胃肠道感染或尿道等多种局部组织器官感染。

作为最先发现和分离出石墨烯材料的国家,英国在石墨烯材料的研发和开拓中占尽先机,不仅将石墨烯作为战略性新兴材料之一,还投入大把的金钱在石墨烯的商业应用领域之中,身体力行的扶持石墨烯产业。并在2018年,建成石墨烯工程创新中心,在石墨烯基础研发领域领跑全球

美国十分重视石墨烯材料的研发。目前已经建成了相对完善的产业链,国家高度支持研发石墨烯晶体管、储能设备,并在以上领域取得多项重大技术突破。日本从2007年开始在石墨烯领域发力,目前产业发展较为全面,主要在电子领域的研发有所突破。欧盟更是豪掷10亿欧元投入到石墨烯产业的研发之中。

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Tips:英国是由大不列颠岛上的英格兰、威尔士和苏格兰以及爱尔兰岛东北部的北爱尔兰以及一系列附属岛屿共同组成的一个西欧岛国。

在这场看不见硝烟的石墨烯研发大战中,我国已经取得了战绩,领先于世界各国。我国丰富的石墨含量是支撑我们的根源与底气。我国的石墨资源为5500万吨,仅位于巴西之下,是全世界第二大石墨资源储备大国。强大的石墨资源储备,使我们能够进行大量的石墨烯制备,并应用在研究之中。截止目前,我国的石墨烯专利数量位于世界第一,占全世界石墨烯专利申请总数的66.57%,专利申请数达35570件。

我国十分重视石墨烯产业发展,出台了许多利好政策扶持石墨烯产业。目前,我国已经形成以长三角区域和珠江三角区为中心向四周辐射的石墨烯产业格局。在宁波实行石墨烯产业三年攻坚计划,在2017年到2019年间,建成相对完善的石墨烯产业链。在北京建立18个实验室重点开展石墨烯共性技术研究及应用。

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Tips:宁波是国家历史文化名城,公元前2000多年的夏代,宁波的名称为“鄞”,春秋时为越国境地,秦时属会稽郡的鄞、鄮、句章三县,唐时称明州。

我国举全国之力,来应对这一场时代风向之战,通过政策扶持、社会引导、积极攻坚等几个方面多管齐下,造就了我国石墨烯产业的辉煌成就。在这个决定世界走向的超级材料大战中,取得领先地位

每一个新技术的诞生都会推动世界的发展,给社会带来新的气象、新的生活方式。石墨烯材料的出现,无疑是引领时代潮流的力作

石墨烯时代即将来临?超级材料“突围战”开启,中国已抢占先机

Tips:石墨烯作为近年来备受关注的新型材料,其用途非常广泛,在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。

我国能够在石墨烯材料的发展中取得领先地位,是无数的科研人员从青丝到白发,日以继夜,夙兴夜寐所取的辉煌成就,是强大国力支撑下的无双战绩。这场胜利是中华儿女从富起来到强起来的标志,是中华民族伟大复兴道路的基石,是无数研究人员的心血。

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