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这样解释,让你秒懂石墨烯
点击次数:   更新时间:2017-08-01 16:01:57  

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今天我们用中学生也能懂的话,解释什么是石墨烯!

如果你曾用过铅笔,那你很可能制造了石墨烯,这个世界上最薄的材料在我们生活中其实无处不在。在很早期的时候就有人理论上就证明了石墨烯的存在,也有人在理论上得出了其优异的特性。从 1859 年开始,科学家就尝试使用不同的方法提取石墨烯,无论是物理方法还是化学方式,无一成功。

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直到 2004 年,曼彻斯顿大学的两位教授安德烈·海姆(Andre Geim)和克斯特亚·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)成功的将石墨烯从石墨中分离出来。在石墨烯发现以前,研究者们普遍认为单层石墨在室温状态是不能稳定存在的。石墨烯的出现,无疑打破了人们的这个认知。

那石墨烯到底是什么呢?

其实还是要从石墨说起,在义务教育阶段,课本曾区分过碳的几种空间结构,即同一种元素组成的不同物质。极具代表性的的三个物质分别是金刚石、碳60和石墨。

石墨烯是一种碳材料

其中的石墨就是层状结构,这个层,是由无数的碳层重叠而成的。如果把其中的一层单独拿出来,这个单层的碳原子就是石墨烯。这个单层碳原子的结构是六边形的蜂窝,每一个顶角都是碳原子。这样六边形组成在了一起就形成了一个极为稳固的平面。研究者是怎么制备石墨烯的呢?

研究者在尝试分离出单层石墨烯的过程中,使用了研究上常见的分离方法,如抛光、爆炸等等。常规的方法很难分离出石墨烯。在观察石墨微粒的时候,研究者发现这个微粒接近有千层的厚度,怎么才能让这 1000 多层都分离出来呢?海姆就用了最「土」的办法,用胶带粘。胶带每粘一次,就会有一些石墨层脱落,如果把胶带对折,就会继续分离一部分石墨层,如此往复,总会得到单层的石墨,也就是石墨烯。

这就是科学上首次发现石墨烯的办法,而后科学家就开始研究如何用其他的办法合成石墨烯了。到目前为止,已经出现了好十余种石墨烯的制备方法。而从 2004 年之后,这两位研究者也引爆了全球对石墨烯以及二维材料的热情。

石墨烯制备方法

那么石墨烯为什么备受关注呢?

因为其表现的特点极为优异,就像一个在任意一门功课都遥遥领先对手的学生。

力学性能上,你可以把石墨烯想象成一张纸,纸张在横向拉扯的时候,很难直接撕裂;也具有可弯折的特性。石墨烯在微观下也是这样的,用强度衡量的话,石墨烯的强度是钢铁的 200 倍,比钻石强度还高。同时还具有柔韧性,可以弯折。导热性能较好的金属的导热系数大约在 300-400W/(m·K),而单层石墨烯是它的十倍以上,超过了5000W/(m·K)。

由于石墨烯是单层碳原子组成的,单原子层的物质不透明度都很低,其对可见光的吸收率仅为2.3%,换句话说石墨烯是一种接近完全透明的存在。但是如果你有一袋石墨烯的话,那就很可能不是透明的了。就像一层纸透光,一叠纸不透光一样。而共轭π体系带来的电学性能更是惊人,其电子传输性能远超现在的任何一种材料,电子传输特性就是导电能力的代名词,换句话说,其电阻值比任何材料都小。除了导电能力之外,微观上还有众多的特性都远超其他材料。

但是石墨烯更重要的意义是,引起了人们对其他二维材料的探索,再此之前,人们对材料的探索一直停留在三维的阶段,而二维材料的出现打破了这个牢笼。除了石墨烯之外,研究者们还制作出了黑磷、氮化硼、二硫化钼等等不同的二维材料。更可喜的是,把几种不同的二维材料组合起来还会有更有趣的事情发生。二维复合材料的出现让材料的特性更加多样。

什么是石墨烯

石墨烯有什么用呢?

石墨烯几乎可以用在生活中的任何一个角落,从储能器件,到现在的半导体技术,石墨烯都是可以改变的。还有材料的强度、需要柔韧性能的可穿戴设备、效率更高的太阳能收集设备、甚至是炊具都可以使用石墨烯来改变。

为什么现在用不上呢?

以其他材料为例,特富龙出现于上世纪的中期,而在大约 30 年后才开始普及。莱卡面料 1937 年研制成功,1959 年才开始生产,中间经过了 20 多年的时间。不排除尼龙这种 1935 年发明出来,2 年后就开始出售的材料。但是绝大部分新材料的研发周期都很长,尤其是石墨烯这种二维材料,很难单独做成物品,快速应用更是困难。

所以石墨烯到底是什么呢?

石墨烯是二维材料的代表,石墨烯的出现其实意味着新纪元的出现。在材料的历史上,从未有人真正的分离出单层石墨,也从未有人真正的去探究二维材料。而石墨烯的出现引发了研究者们对二维材料进行探究的热情。这个启发价值远远超过了石墨烯材料本身的优良性能。这也就是为什么在发现石墨烯之后,没有马上给研究者颁发诺贝尔物理奖的原因吧。


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