石墨烯:到底是商业噱头还是革命性材料?

来源:今日头条 编辑:jianping 石墨烯商业噱光伏组件

一种革命性材料?


这是单层石墨烯二维结构的样子


想象一下,我们可以制造一种材料,它比金刚石坚硬,具有极高的柔韧性和透明性,它比硅具有更高的电荷迁移率,它还可以被制造成一个原子厚的“二维结构”,之所以被称为二维结构,是因为它们仅在两个维度上延伸:长度和宽度。另外依靠极其优秀的延展性,它可以根据需要变成任何形状。这就是石墨烯,毫无疑问,石墨烯正在改变我们生活,也在改变着科学极限。


石墨很不普通,也很普通,石墨由简单的元素碳组成,碳是地球上所有已知生命的基础,也是宇宙中按质量计算的第四大物质,仅次于氢,氦和氧。如此普通多见的材料却能被制造成应用极为广泛的不普通的物质,这确实跟有趣。石墨烯最初是由曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年制造的,由于他们在分离和表征石墨烯方面的工作而赢得了2010年的诺贝尔物理学奖。


石墨烯的应用已经被展开


石墨烯原子片呈六边形环排列,非常类似于铁丝网的结构,典型的碳原子直径约为0.33纳米,因此1毫米石墨中就会有大约300万层石墨烯。石墨烯的六边形环结构赋予了其独特的光学,热,机械和电的卓越性能。它是迄今为止人类发现的,宇宙中最薄最轻的物质,也是有史以来最强的物质。石墨烯比钻石硬,但它比橡胶更有弹性,石墨烯比钢坚硬,但比铝的质量轻。


石墨烯是一种革命性材料,这样描述大家可能无法体会,我们可以举一个例子。拿一片厨房保鲜膜为例,假设这片保鲜膜具有与单层石墨烯相同的参数,则需要2吨的重物或大型汽车施加的力,才能让铅笔穿过它,当然了,这支铅笔也需要拥有金刚不坏的“超能力”。除了强度,石墨烯还具有其他令人惊奇的特性,其电子迁移率比硅快100倍,它的导热性是钻石的2倍,它的电导率比铜高13倍,它仅吸收2.3%的反射光,它是不可渗透的,也就是说即使最小的氦原子也无法穿过无缺陷的单层石墨烯片。


科学家们为我们展示了一种将石墨烯超级电容器嵌入防水织物中的激光打印工艺


石墨烯的未来应用


一听到石墨烯,我们就会想到石墨烯电池。确实,石墨烯在室温下就具有最高的电流密度,是铜电流密度的百万倍。这意味着与其他任何材料相比,石墨烯可以承载更多的电流,速度更快,而其出色的热性能也将意味着石墨烯相比于其他材料,在导电过程中更不容易发热。


石墨烯的六边形晶格结构具有任何已知材料中最好的平均自由长度,通俗来说就是电子在其中可以自由移动而不会撞到任何东西发生损耗,当平均自由长度高于材料的尺寸时,就会发生超导运输。在石墨烯中,平均自由传输量约为65微米,这已经足够长,可以制成可以在环境温度下几乎没有电阻的电子元件。这类似于超导,但是值得注意的是这是在室温下,而不是特殊环境。


这是范德华异质结构,如果把石墨烯二维结构看作积木(右),就有可能形成各种各样的层状结构


未来,石墨烯不可能一片一片使用,未来更多的应用是石墨烯融合体。比如科学家们可以利用石墨烯制造混合尺寸范德华异质结构,可以通过将石墨烯与一维材料量子点或纳米颗粒融合制造一些较宏观的产品。石墨烯还可以与碳纳米管组合制造,这样会增强石墨烯的效果。石墨烯也可以与其他材料结合使用,根据需要设计新材料,以满足不同行业的特殊需求。现在,石墨烯在消费电子,通信,计算设备,工业材料,军事安全和生物技术中使用的最多。当然了,所有的这些应用,其母片石墨烯的纯度必须大于并不等于99.5%。


石墨烯让我们看到了硅以外的电子世界,这将不受摩尔定律的束缚,我们可以看到石墨烯纳米机器在医学中的表现,我们可以看到石墨烯改变了电量存储的方式,我们可以看到衣服上,线缆上,手机屏幕上等等很多地方有石墨烯涂层,这将是“万物皆可石墨烯涂层”的时代。其实我们可以看到更多,未来,石墨烯将改变我们的生活方式,石墨烯在科学或制造应用方面的价值均无法估量。


这几张扫描电子显微镜图像为我们展示了石墨烯涂层的横截面图像,下面两张图像为我们展示了石墨烯涂层样品上的碳元素映射


清楚认识石墨烯目前的应用


石墨烯的未来值得想象,可是千里之行始于足下。目前,大规模的石墨烯制造存在很多问题,这已经不是什么秘密了,那么为什么石墨烯的大规模商业化生产具有很多问题呢?首先,有很多类型的石墨烯。其次,不同的生产石墨烯的方法,会导致完全不同的结果。第三,产品中实际可用的石墨烯与原始制造的产品不同。


确实,石墨烯有许多不同的类型,它们的各方面参数各有千秋,其中一些多层的石墨烯(少于10层)更便宜,作为辅助产品是很好的,而单层石墨烯则会针对电子产品。不幸的是,近年来石墨烯科普工作并不出色,无论是最终用户市场还是一般的大型公司,很多人都不知道自己在买什么。因此,尽管有非常适合采购的石墨烯的类型,客户却不一定选择正确的类型,这会导致效果不佳并降低市场信心。所以石墨烯领域的科学家们还在为该领域努力着,努力实现更多的用户产品。新材料的诞生,小众成为大众的过程总会有这样那样的问题。


这是石墨烯层,巴基球和碳纳米管石墨烯片,石墨烯的六边形结构构成了富勒烯的基础,富勒烯是由60个或更多碳分子组成的空心分子结构,这些结构上是如此灵活,甚至可以将其卷成空心圆柱体,使其成为分子物容器


商业领域中生产石墨烯的主要方法有两种,分别是化学气相沉积和石墨剥离法。化学气相沉积是一种自下而上的方法,可在基板上创建单层石墨烯。虽然说单层石墨烯可以说是最高质量的,但它通常也更昂贵,目前只能小量生产。另外把石墨烯从基板上剥离还存在其他问题,所以一般客户会把石墨烯直接沉积在产品上。在这个过程中,由于刺激性化学物质,机械应力,太阳射线等意外情况会破坏分子间键,该过程将变得不可控,这通常会导致产品会有不同的质量表现。不过这也意味着质量较低的石墨烯已经量产,它便宜得多,而且这些石墨烯也适合作为各种类型的复合材料使用。


挑战从未结束,进步从未停止


虽然理想中的量产石墨烯尚需克服一些挑战,但是与石墨烯相关的研究技术一直在进步。最近这几天有一些好消息,一个研究机构已经为大规模生产粉末形式的高质量工业石墨烯开辟了新的技术,这类技术无需用强酸处理石墨,这家公司将在今年内寻求商业生产的途径。


牙齿上的石墨烯无线传感器,可以较近距离传输人体健康数据


这个研究机构已经开发出一种电化学剥离工艺,该工艺可以向石墨电极发送适度的电流,将石墨烯剥离成非常薄的层,然后可以通过过滤器以粉末形式提取去除杂质石墨烯。该技术每小时可生产60克优质石墨烯。而且所得材料在价格和质量都优于通过化学合成工艺生产的石墨烯,这些石墨烯将用作显示器和智能手机等电子产品的耐热部件。


还有一些商业石墨烯公司的科学家们从未停止量产石墨烯或是石墨烯应用领域的探索。在一组科学家的初步测试中,激光划刻的石墨烯超级电容器的功率密度可与当今使用的大功率锂离子电池相媲美。不仅如此,石墨烯超级电容器还具有高度的柔韧性,轻巧,快速充电,薄与小等等特点,更重要的是其生产成本相当低廉。


石墨烯钙钛矿太阳能电池


科学家们还研究了石墨烯改善能源存储的方法,也就是石墨烯钙钛矿太阳能电池的研发工作,钙钛矿太阳能电池非常有前途成为下一代高效太阳能存储能源。科学家们希望结合石墨烯改善钙钛矿太阳能电池的寿命和性能,同时降低钙钛矿太阳能电池的生产成本,该研究已经取得了卓越的进展。在钙钛矿太阳能电池上添加还原的氧化石墨烯隔离层,可以让其以20%的效率低成本生产钙钛矿太阳能电池,在运行1000小时后仍可保留高达95%的效率,所以在未来几个月科学家们将建造一个石墨烯钙钛矿太阳能阵列区。


石墨烯除了能源存储方面,还有很多应用已经被实现。石墨烯是高度惰性的,因此可以充当一种屏障,这意味着将来的车辆可以用石墨烯喷漆喷涂汽车表面,使其耐腐蚀。如果石墨烯产能上来的话,还可以将石墨烯喷涂在很多条件合适的金属表面上。由于石墨烯的强度,目前还有一些机构准备在特殊的军用战甲中添加石墨烯。


给科学与石墨烯一些时间


一说到石墨烯,大家就会想到石墨烯是一种商业营销噱头,其实不是。现在石墨烯的产能虽然有限,但是由于其卓越的性质,很多领域已经使用了石墨烯融合技术。在太空探索领域,石墨烯涂层已经与光推进技术太阳帆融合,在电子产品领域,在你的手机里,可能有石墨烯散热结构,在一些显示屏领域,一些屏幕也已经添加了合适量的石墨烯以达到弯折目的。甚至是一些超贵的衣服,也拥有了石墨烯涂层,可以一定程度摆脱污渍的麻烦。


硅材料从发现到科学应用已经有200多年了,而石墨烯材料的发现与制造仅有几十年,虽然现在我们依然无法量产优质的石墨烯,但是量产石墨烯的这一天总会来到。科学技术的突破,以及石墨烯的大规模商用将为我们带来新的研究方向,新的科学研究领域,未来可期。

 

原题:科学认识石墨烯应用非常关键,这到底是商业噱头还是革命性材料?

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