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石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍
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石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍

作者:小编    发布时间:2021-07-29 18:25:04     浏览次数 :


一般来说,我们形容一个东西很薄很轻我们会说它像头发丝一样。就好比著名的扬州淮扬菜文思豆腐,就是将豆腐切成很细很细的丝状,像头发一样。所以说在我们的一般认知中,头发丝已经是很细很细的东西,但你知道这个世界上还有一种物质比头发丝细20万倍,但它的强度却是钢的100倍吗?

石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍(图1)

这听起来非常不可思议,因为一般来说,物质和硬度和他的外表以及质量是成正比的。越细的东西越容易被折断发生形变,以厚重的东西则越难。事实上,这种比头发丝细,比钢硬的物质是真实存在的,它就是石墨烯,一种神奇的材料。

石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍(图2)

要想知道石墨烯为什么拥有这样的硬度,却比头发丝还细,我们得先弄明白到底什么是石墨烯,石墨烯又是怎么来的。

什么是石墨烯

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积从而形成的六边形蜂窝晶格新材料,换句话说它是一种二维的碳材料,属于是碳元素的同元素异形体。石墨烯的分子键只有0.142纳米,晶面间距仅仅为0.335纳米。

很多人对于纳米这个单位没有概念,纳米是一个长度单位,1纳米约等于10的负9次方米,他比一个细菌还要短得多,是4个原子那么大。反正无论如何,用我们的肉眼是永远无法看见1纳米的物体的,必须借助显微镜。纳米技术的发现,为人类带来了新的发展领域,石墨烯也是里面很重要的一个代表技术。

石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍(图3)

截止到目前,石墨烯是人类世界已经发现的最薄的化合物,它的厚度仅仅只有一个原子那么厚,同时它还是世界上已知的最轻的材料和导电性能最佳的电导体

人类与石墨烯

但是人类与石墨烯的历史实际上已经持续了半个多世纪,早在1948年就已经有科学家在自然界中发现了石墨烯的存在。只是当时的科学技术水平很难将石墨烯从单层结构中剥离出来,所以这些石墨烯都抱团堆在一起,呈现出来的是石墨的状态,每1毫米的石墨大概包含有300万层的石墨烯。

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但是在很长的一段时间内,石墨烯这种物质都被认为是根本不存在的。有人认为它仅仅是科学家们想象中的一种物质,因为如果石墨烯真的存在,为什么科学家们无法将他单独提取出来呢?

一直到2004年,来自英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·沃消洛夫发现了将石墨烯分离出来的办法。他们发现,如果从高定向热解石墨中剥出石墨片,然后将石墨片的两边粘在一种特制的胶带上,再将胶带撕开,这种方法就可以将石墨片成功分离开来

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之后只需要不断重复上述的操作,就能够使得手中的石墨片越来越薄,最后就能得到一篇只有碳原子构成的特殊薄片,这个薄片上面的物质其实就是石墨烯。而安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫也因为发现了石墨烯获得了诺贝尔奖,之前那些说石墨烯根本不存在的人也被狠狠地打了脸。那么石墨烯到底为什么能呈现这样的特性呢?

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材料之王——石墨烯

石墨烯一经发现,就彻底改变了整个世界科学研究的布局。因为石墨烯被证明是世界上最薄的材料,1克的石墨烯就已经足够覆盖1个标准的足球场了。除此之外,石墨烯还具有非常良好的导热、导电性能。

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材料纯粹的无缺陷单层石墨烯的导热能力极强,它的导热系数高达5300W/mk(瓦/米·度:假设材料的单层厚度为1米,且两边的温差为1摄氏度的情况下,这种材料在一个小时内通过1平方米的表面积所能够传导的最多热量。),是人类已知的导热系数最高的碳材料。

而当石墨烯作为导热的载体时,它的导热系数也能高达600W/mK,墨烯的导热系数已经比之前导热系数最高的材料还要高出50%。(在石墨烯被发现之前,单壁纳米管被认为是导热系数最高的材料,它的导热系数为3500W/mK)

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除此之外,石墨烯的导电性能也非常好。石墨烯在常温下的载流子迁移率可以达到15000㎡/(Vs),这个效率已经是之前最常使用的材料——硅的10倍之多

石墨烯的秘密

在石墨烯的内部构造中,碳原子像铁丝网那样进行排列,这种原子的排列结构赐予了石墨烯独一无二的柔韧性,它的硬度前所未有的高。除了碳原子形成的铁丝网和蜂窝那样的结构之外,每一个碳原子都垂直于这一层平面的轨道,导致原子形成了可以贯穿原子的大键,这也给予了石墨烯优良的导热导电性能

石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍(图9)

如何制作石墨烯

一般来说,实验室中制备石墨烯的方法很多,其中由上文中提到的石墨烯被科学家发现时采用的方法机:机械剥离法。这种方法操作简单,但是由于生产效率很低,无法运用在批量的机械化生产之中来。

因此科学家们发现了氧化还原法,这种方法是通过将硫酸、硝酸等化学试剂加上高锰酸钾等氧化剂使得天然的石墨发生氧化反应。而石墨发生氧化反应,石墨中每一层的结构会变大,在每一层石墨之间加入氧化物就可以得到氧化石墨。再将氧化石墨进行水洗并干燥,就能获得氧化石墨粉体,将氧化石墨粉体进行高温膨胀就能得到氧化的石墨烯。

石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍(图10)

这时候就需要对已经获取的氧化石墨烯进行还原得到石墨烯了,这种方法产量很高,但是由于加入了大量的化学试剂,得到的成品石墨烯的质量不够纯,不够优质。而且在实验过程中使用了大量的具有危害性的化学试剂,如硫酸、硝酸等强酸,对实验人员的基础素养要求较高。一旦操作不熟练,很容易发生事故,造成人员受伤或经济损失。

石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍(图11)

除此之外,使用氧化还原法所制成的石墨烯,由于石墨烯经过了大量的化学反应,石墨烯在运输的过程中容易改性(这里改性是指化学性质进行变化),成品的品质很难把控

以上就是使用物理方法和化学方法制作石墨烯的主要方法,可以说随着石墨烯批量生产技术的不断革新,石墨烯在我们日常生活各个行业中的运用也越来越广泛。其中,新能源、航空航天更是最先将石墨烯投入运用的行业

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石墨烯的运用

石墨烯的发现不仅仅让科学看到了各种粒子运动和作用的可能性,更在方方面面改变着我们的生活。

首先是电池,新能源电池是石墨烯技术运用的第一块落脚石。目前我们常用的电池为锂电池,虽然锂电池已经足够储存大量的电能为我们所用,但是锂电池的缺点仍然是无可避免的。锂电池的磨损过于严重,每一次的使用放电和充电都会使得锂电池的寿命变得更短。

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石墨烯材料的运用大大提高了电池的容量和充电效率,同时它对于提高电池寿命也有重要的作用。如果将石墨烯氧化锡层作为锂电池的阳极,那么电池在充电之后的使用寿命将会更长,而且使用和充电的时候电池的损耗微乎其微

这就意味着,石墨烯在电池领域的运用使得电池的寿命会比以前的电池更长,容量也会更高。目前,华为等公司的石墨烯电池专利已经申请成功

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除此之外,美国麻省理工学院也宣布成功研制了一块电池板,这块电池板在表面附着这大量石墨烯的纳米涂层,正是这一层的涂层大大降低了太阳能电池的制造成本。使得这种带有石墨烯纳米涂层的太阳能电池板有机会在相机、手机等小型的数码设备上使用。

另外,有一个重大领域就是新能源汽车。新能源汽车自面世以来就一直因为续航时间短,充电时间长的问题被人诟病,但是石墨烯超大容量电池的诞生或许会给出新能源汽车的未来发展方向。

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除了电池领域,石墨烯因为其柔软的特性,也被提出运用在制造柔性物质的行业。其中最具代表的就是柔性的显示屏,韩国的研究所已经成功制造出了柔性的透明显示屏,这种显示屏运用了多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片

虽然这个项目目前仍然处于一个发展状态,没有真正投入到实际的生产和市场中来,但是根据项目工作人员的设想,或许未来的有一天,搭载着使用石墨烯材料制成的柔性显示屏的手机会彻底颠覆人类对于手机“板砖”的印象。手机或许可以像橡皮泥一样被肆意折叠。

石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍(图16)

石墨烯也被用来运用在保护环境的方面,其中最具代表的就是淡化海水。要知道,水与石墨烯发生接触之后会发生作用,从而形成一个仅仅只有0.9纳米的通道

当分子的大小小于这个数值,那么它就可以轻而易举穿过这个通道,而那些大于这个数值的分子就会被卡住。如果将石墨烯运用在海水淡化的领域,我们人类使用机器加以控制,那么我们就能成功将海水中的分子较大的盐隔开,从而成功实现海水的淡化。

石墨烯有多神奇?发丝厚度的20万分之一,强度是钢的百倍(图17)

石墨烯从它诞生到现在,仅仅只有十几年的时间,但是科学家对于石墨烯的研究以及石墨烯在当前世界的运用领域的探索却已经获得飞速的发展。石墨烯由于它优质的性能以及独特的性质,在众多科学领域取得了很多成果,原有的科学技术成果经过石墨烯的帮助,如虎添翼,发展速度极快。

而我国在石墨烯技术的研究上拥有着其他国家都没有的优势,石墨烯的原材料石墨在中国的分布非常广泛,储量也足够多。得天独厚的地理优势使得我国在石墨烯研究和运用的领域已经成为了世界一流的水平

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结语

必须要承认的是,石墨烯作为一种新型的材料,仍然有大量的技术难题没有被攻克。而对石墨烯纯度要求较高的一些领域也还没有真正吃上石墨烯的红利,但是我们有理由相信,随着科学技术水平的不断提高以及对于石墨烯研究的不断加深,我们终有一天会看到石墨烯广泛的运用在各个领域。换句话说,在不久的将来,石墨烯将会彻底颠覆我们普通人的日常生活。

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