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比黄金还贵的“黑金”石墨烯,神奇在哪里?

2020/6/24 0:45:19 来源:科研之友 浏览:

石墨烯,被誉为最接近《三体》“二向箔”的神秘物质,也被预言是能改变21世纪的“神奇材料”。石墨烯价值比黄金还珍贵,究竟神奇在何处呢?


石墨烯和石墨二氧化碳、钻石一样,都是由碳元素构成,但是它们的结构式却是千差万别,也造成了性质与功能的不同。




/石墨烯的结构/



石墨烯是从天然石墨材料中剥离出来单纯由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。完全由碳原子组成,1毫米的石墨含有大约300万层的石墨烯。


可以这么说,石墨烯由碳原子组成的平面薄膜,厚度是头发丝的20万分之一,它的强度是钢的200倍,但比钢轻六倍。它几乎完全透明,因为它只吸收2%的光。它对气体是不渗透的,即使是像氢或氦那样轻的气体,如果还不够的话,化学成分可以被添加到它的表面来改变它的性质。


/石墨烯的发现/


长期以来,人们对二维结构的晶体了解不多。二维晶体以平面形式存在,犹如将三维晶体减薄至一个原子层厚。传统理论认为,准二维晶体结构因其热力学不稳定性在自然界中根本不可能找到。直到2004年,安德烈˙海姆与其同事康斯坦丁˙诺沃肖洛夫首次从高定向热解石墨上成功分离出单层石墨片——石墨烯,用事实证明二维材料可在常温常压下稳定存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。这以后,制造石墨烯的新方法层出不穷。



2018年3月31日,中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动,该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池(下称石墨烯OPV),破解了应用局限、对角度敏感、不易造型这三大太阳能发电难题。

2018年6月27日,中国石墨烯产业技术创新战略联盟发布标准——《含有石墨烯材料的产品命名指南》。这项标准规定了石墨烯材料相关新产品的命名方法。


/石墨烯的好处/



导电性好:石墨烯同金属一样属于优秀的导电体,而不像其它碳材料那样为半导体。石墨烯的电阻率只有约10-6Ω·cm,比金属铜或银更低,为目前世上电阻率最小的材料。


高导热性:石墨烯的导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,是一种新型高导热材料。


导电奇快:石墨烯作为单质,在室温下传递电子的速度比已知任何导体都快。其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

石墨烯最有潜力的应用是成为硅的替代品制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机,用石墨烯取代硅计算机处理器的运行速度将会快数百倍。


阻隔性高:虽然石墨烯已薄到极致,但其分子排列非常紧密,即使原子尺寸最小的氦也无法穿透它,因而具有很好的阻隔性能。


超薄性能:石墨烯是至今发现的厚度最薄的材料,薄是因为石墨烯是由碳原子构成的二维晶体,厚度只有一个原子。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬。


磁性极强:石墨烯有强大的磁场力,通过将片状石墨烯变形为“纳米泡泡”,科学家通过观测电子的行为估算出它们在其中受到300特斯拉的磁场力,而这之前的所有试验最高测到的是85特斯拉。这一发现有助于了解石墨烯的光电磁性质。


强度甚高:石墨烯完美的晶格结构,堪称是人类已知强度最高的物质,具有超出钢铁数十倍的强度。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。


高热稳定:石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质,结构非常稳定,热稳定性很好。


完全透明:石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,具有极好的透光性。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板等等。

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