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石墨烯 真神奇

2017-12-01 10:25 来源:人民日报 余建斌

  石墨烯结构示意图。

制图:沈亦伶

  日前,在深圳举办的第十九届中国国际高新技术成果交易会上,石墨烯作为独具特色的新材料再次引起人们的关注,成为这个国内最大规模、最具影响力的科技展会上一个耀眼的“明星”。石墨烯到底有哪些神奇之处,能为人们带来什么惊喜?记者采访了相关专家。

  人类正行进在以硅为主要物质载体的信息时代,下一个量子时代,石墨烯很可能崭露头角

  和金刚石一样,石墨是碳元素的一种存在形式。有趣的是,由于原子结构不同,金刚石是地球上自然界最坚硬的东西,石墨则成了最软的矿物之一,常做成石墨棒和铅笔芯。

  科学家介绍说,石墨烯是从石墨材料中剥离出来,只由一层碳原子构成、按蜂窝状六边形排列的平面晶体。通俗地讲,石墨烯就是单层石墨。一块厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯;铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是好多层石墨烯。

  这种只有一个原子厚度的二维材料,一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在。直至2004年,两位英国科学家成功地从石墨中分离出石墨烯,证实了其可以单独存在,并因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

  据中国电科55所所长、微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室主任高涛博士介绍,石墨烯独特的结构让它具有更导电、更传热、更坚硬、更透光等优异的电学、热学、力学、光学等方面的性能。轻薄、强韧、导电、导热……石墨烯这些特性赋予人们很多想象空间。

  石墨烯的特点首先是薄,堪称目前世界上最薄的材料,只有一个原子那么厚,约0.3纳米,是一张A4纸厚度的十万分之一、一根头发丝的五十万分之一。与此同时,石墨烯比金刚石更硬,透光率高达97.7%,是世界上最坚硬又最薄的纳米材料。

  同时,它又能导电。石墨烯的电子运行速度达1000千米/秒,是光速的1/300,非常适合制造下一代超高频电子器件。石墨烯还是传导热量的高手,比最能导热的银还要强10倍。

  石墨烯的特性,也表现得很“好玩”。比如当一滴水在石墨烯表面滚动时,石墨烯能敏锐地“觉察”到细微的运动,并产生持续的电流。这种特性给科学家提供了一种新思路——从水的流动中获取电能。比如,在雨天可以用涂有石墨烯的雨伞进行发电,或者可以做成灵敏的传感器件等。

  “人类经历了石器、陶器、铜器、铁器时代,正行进在以硅为主要物质载体的信息时代;而下一个量子时代哪种材料将崭露头角呢?很可能是石墨烯。”浙江大学高分子科学与工程学系教授高超说。

  未来电动汽车使用石墨烯电池,花两三分钟就可能把电充满

  由于石墨烯的神奇性能,加上制备简便、研究视角多维,其应用潜力巨大、适用行业宽广,成为抢眼的材料“新星”一点不奇怪。石墨烯从发现到现在仅10余年的时间,已取得了许多令人震撼的研究成果,称得上是人类历史上从发现到应用最快的材料。

  高超说,从材料化学角度看,石墨烯会带来资源、环境、化工、材料、能源、传感、交通机械、光电信息、健康智能、航空航天等领域的变化或变革。我国石墨矿储量丰富,约占全世界的75%,其高效开发将引起碳资源及我国大资源策略的新定位、新思考、新规划。

  石墨烯的工业化生产则将促进化工、机械、智造、自控等行业的技术提升。石墨烯的添加可以产生多功能复合材料,用来制造高性能电池、电容器。石墨烯传感器可以在生物检测、光电探测方面大显身手,石墨烯及其它二维材料的异质叠合材料可制造高性能晶体管。

  可以说,石墨烯技术将对我们的吃、穿、住、行、用、玩都产生影响。石墨烯复合膜阻氧阻水性能好,可提高食品保质期;石墨烯纤维可制成发热服饰和医疗保健用品;石墨烯电热膜电热转换效率高,可逐步代替暖气供热;石墨烯系列材料可用于汽车、火车等交通工具,石墨烯导热膜可用于手机高效散热……

  石墨烯另一个被寄予厚望的应用领域是电能储存。它的优势在于充电速度快,而且可以重复使用几万次。但目前石墨烯存储的电量不如电池多,还无法存储足够多的电能。未来,随着充电设施的日益完善和相关技术的进步,电动汽车使用石墨烯电池,花两三分钟就可能把电充满。

  中国电科55所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室副主任孔月婵博士介绍说,石墨烯的电子运行速度是硅的十倍,由石墨烯制作的高频器件理论上工作频率可以达到硅的十倍甚至上百倍。石墨烯引发的技术革命很可能从人们常见的小小芯片开始。

  此外,科研人员已完成柔性衬底晶体管的研制,正在尝试柔性通讯电路的研制。未来无论是可以折叠的显示屏幕,还是能够植入人体的可穿戴设备,都可能靠这样的石墨烯器件来实现。

  高涛认为,即使在实验室条件下,石墨烯的神奇性能依然没有完全释放出来。由于技术层面还存在着不少挑战,真正大面积应用还有很长的路要走。但通过加强需求和研究的结合,不断在石墨烯材料的制备和器件研制方面取得重要突破,创造更多更新更具颠覆性的应用,石墨烯这种新一代战略性新兴材料将会极大改变人们的生产生活。

  国内石墨烯研究与国外基本同步,有望在不久的将来形成石墨烯产业

  石墨烯一直是国际上的研究热点,并在不断升温。近几年来,全球石墨烯相关的论文和发明专利几乎呈指数式增长,不仅各类优异的物理化学性能被预测、证实,而且由此生发出很多具体的研究方向。

  据了解,许多国家正在争夺石墨烯技术的制高点。欧盟石墨烯旗舰计划以石墨烯传感为主要研究方向,美国正在尝试利用石墨烯实现通信的柔性化并取得了显著的成果,韩国持续支持石墨烯柔性显示的研究并制备出了演示产品。

  高涛说,总体来讲,国际上石墨烯各项优异性能正逐渐从实验室研究向产品应用过渡,同时一些潜在的性能或应用还在不断被发掘。但这个工程化是一个长期而艰难的过程,给我国实现赶超国际水平、占领技术制高点带来了绝好的机遇。

  高超认为,目前国内石墨烯研究与国外基本同步,一些方面有原创和引领性成果。国内研究偏重化学和材料,国外更偏机理和器件。国内石墨烯的研究在理论研究方面可说是已实现与国际先进水平“并跑”,论文、专利无论数量还是质量都具有很强的国际竞争力。截至2016年3月,中国石墨烯的专利总数占全世界的56%。与此同时,国家资助了大量有关石墨烯的基础研究项目,初步形成了政府、科研机构和企业协同创新的产学研合作对接机制。

  例如,清华大学开发出米级石墨烯单晶薄膜的快速制备技术;中国电科55所研制出了世界上最快的柔性石墨烯晶体管;浙江大学纳米高分子团队则通过近十年研究,开发出了石墨烯纤维、石墨烯连续组装膜、石墨烯超轻气凝胶及石墨烯无纺布等。

  受访专家指出,各个方向不断出现令人惊喜的研究成果,让人们对石墨烯的未来充满期待。但总体来讲,石墨烯技术成熟度还比较低。对于石墨烯的发展,其制约因素或者说难点,主要在材料制备技术、全新设计理念和二维操控技术等方面。其中,高品质、大批量的石墨烯原料问题暂时没有根本解决,还需要进行大量技术攻关。有些技术如单层氧化石墨烯、石墨烯单晶等在实验室制备成功了,但实现工程化、连续性、低成本、高效稳定制备还有较长的路要走。只有真正高品质的石墨烯量产了,颠覆性应用才会出现。

  不过科学家们也比较乐观,近两年石墨烯的可控低成本制备技术已取得了突破性进展,有望在不久的将来形成石墨烯产业。

(责任编辑:王蔚)

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