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石墨烯:最有前途的材料?

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 要说最近几年里在材料世界里最火的明星,那非得石墨烯莫属。


 
它到底有几个“最”
 
  石墨烯是目前世界上最坚硬的材料,比金刚石还要硬!悉尼科技大学研发的一种新型的石墨烯纳米纸,和同样大小的钢片相比,其质量只有钢片的1/6,密度也只有1/5到1/6,却拥有2倍硬度,10倍拉伸强度和13倍抗弯强度,还让不让别人钢铁活了!(钢铁侠要发话了:马上把我身上的钛合金换成石墨烯,我以后不叫Iron man了,请叫我Graphene man)

  石墨烯是最薄的材料,这是因为它是由碳原子构成的二位晶体,每一层只有一个原子的厚度!这使得它几乎是透明的,只吸收2.3%的光。也就是说如果在空中固定一块由石墨烯做成的材料,你可以站在上面走,别人却根本看不到那层膜的存在,你就可以像怪盗基德那样耍酷了。
  
  石墨烯还是世界上电阻率最小的材料,电子在其中的运动速度远比其他导体要快。现在的电脑芯片都是基于半导体硅制成的,如果可以用石墨烯来代替硅,那么以后计算机的频率可以大幅度提高,加州大学伯克利分校的研究员研发出了一种基于石墨烯的光调制器,直接使数字通信速度提高10倍。用石墨烯做成柔软的透明电极代替传统的氧化铟锡,可以让触屏变得像纸一样柔软,想象一下我们以后的手机或者上网本随时可以像纸那样卷起来,那该有多酷!这样的世界已经离我们不远了,三星公司已经可以用气相沉积法制得了对角长度为30英寸的石墨烯了。

如何制备石墨烯

要说Geim和Novoselov在2004年制备出了石墨烯,2010年就获得了诺贝尔物理学奖。回过头去看他们当初是怎么制得石墨烯的真的会让人吓一跳。他们用超市就能买到的透明胶带,从一块高序热解石墨中剥离出了仅有一层碳原子厚度的石墨薄片——石墨烯。这样方便但是可控性并不那么好,而且只能获得大小在一百微米(十分之一毫米)以下的石墨烯,能够拿来做实验但是很难拿来做实际的应用。

08年由机械剥离法制备得到的石墨烯人发截面尺寸的微小样品也需要花费$1,000,而现在成本已经降低了很多,都能够用吨来卖了。如今制造石墨烯的方法主要有撕胶带法、碳化硅表面外延生长、化学气相沉积法、金属表面生长、氧化减薄石墨片法、切割碳纳米管法等。

莱斯大学的一个团队用饼干就提取出了石墨烯,只需要一层铜箔,以及1900度以上的超高温氢气和氩气。他们将待提取物放置于铜箔的一侧,另一侧用混合气体加热。在高温下,被加热的物质开始分解,于是石墨烯便留在了一侧,另一侧则是杂质残渣。按照他们的计算,根据目前的市场价,以每平方厘米10美元计,一盒饼干产生的石墨烯,其利润可达到150亿美元!下次吃饼干的时候想着你吃了多少财富。

当然你如果想在家自制石墨烯也不是不可能的,你需要的材料很简单:铅笔和胶布。下面这个视频介绍了石墨烯的特性功能以及自制方法。

石墨烯能用来干嘛
 
刚才讲过石墨烯可以用来制作透明导电电极,触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等,都需要良好的透明电导电极材料。特别是,石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。想象一下可以像纸一样折叠的屏幕你就知道这有多拉风了。
 
除此之外石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,或保存食品新鲜的包装。
 
石墨烯也有望取代硅从而掀起一场新的革命,今年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管,该产品每秒能执行1550亿个循环操作,比之前的试验用晶体管快50%,石墨烯的连续能隙流使得其处理模拟信号的能力更强。但同时这点也是它的一大硬伤,由于它没有能带隙,没有晶体管所需的开和关状态,所以想取代硅还很难做到。科学总是在发展的,有研究小组称可以通过中红外激光通断开关,可以把石墨烯材料变成半导体,使它能够控制的电子流。

 


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