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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ?第四次工業(yè)革命?石墨烯
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2019-12-23? ?青野云麓
自印刷機(jī)問世以來，硅半導(dǎo)體使計(jì)算機(jī)的發(fā)展和信息技術(shù)的最大飛躍。這些材料塑造了社會的發(fā)展，并幫助決定了哪些國家主導(dǎo)了國際關(guān)系。
今天，一種新材料有可能改變未來。石墨烯被稱為“超級材料”，它讓全世界的研究人員都在努力更好地理解它。這種材料的大量的超級特征使它看起來幾乎是不可思議的，但它可能對物理和工程的未來產(chǎn)生非常真實(shí)和激烈的影響。
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石墨烯是什么?
最簡單的描述石墨烯的方法是，它是一層薄薄的石墨——用在鉛筆芯上的柔軟的片狀材料。石墨是碳元素的一種異形體，這意味著它擁有相同的原子，但它們以不同的方式排列，賦予材料不同的性質(zhì)。例如，金剛石和石墨都是碳的形式，但它們有著截然不同的性質(zhì)。金剛石是非常堅(jiān)硬的，而石墨是易碎的。石墨烯的原子排列成六角形排列。
有趣的是，當(dāng)石墨烯從石墨中分離出來時(shí)，它具有一些神奇的特性。它僅僅是一個(gè)原子的厚度，是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的二維材料。盡管如此，石墨烯還是已知宇宙中最強(qiáng)的物質(zhì)之一。它的抗拉強(qiáng)度為130 GPa (gigapascals)，比鋼強(qiáng)100倍。
盡管石墨烯如此之薄，但它的驚人力量已經(jīng)足以讓它令人驚嘆，然而，它獨(dú)特的特性并沒有就此結(jié)束。它還具有柔性、透明、高導(dǎo)電性，而且對大多數(shù)氣體和液體來說似乎是不透水的。似乎沒有哪個(gè)領(lǐng)域是石墨烯不占優(yōu)勢的。
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石墨烯的特殊性質(zhì)有哪些？
1、力學(xué)性質(zhì)——比鉆石還要硬
從鉛筆石墨中提取的石墨烯，竟然比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上百倍，這項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)刊登于近期的《科學(xué)》雜志，作者是兩位哥倫比亞大學(xué)的研究生，來自中國的韋小丁和韓裔李琩鈷。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分析：在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。
據(jù)科學(xué)家們測算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。
打個(gè)比方說單層石墨烯的強(qiáng)度，就像把大象的重量加到一支鉛筆上，才能夠用這支鉛筆刺穿僅像保鮮膜一樣厚度的單層石墨烯。
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2、出色的電學(xué)性質(zhì)——電子運(yùn)輸
碳原子有四個(gè)價(jià)電子，這樣每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的π電子，這些π電子與平面成垂直的方向可形成軌道，π電子可在晶體中自由移動，賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。載流子遷移約等于光速.
此外，石墨烯是具有零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。電阻率10-8Ω?m，比銅/銀電阻率還要低。
3、光學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)特性
石墨烯只損失2.3%的透過率；理論導(dǎo)熱系數(shù)最高，達(dá)到5300W/m?k。
4、柔韌性
石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性，在保證導(dǎo)電性的同時(shí)具備柔韌性。
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潛在的應(yīng)用
如果石墨烯僅僅具有眾多的超級特性之一，那么它將成為對潛在用途進(jìn)行深入研究的主題。從許多方面來說，石墨烯都是如此引人注目，它激發(fā)了科學(xué)家們思考各種各樣的材料用途，在各種領(lǐng)域，如消費(fèi)科技和環(huán)境科學(xué)。
石墨烯除了具有強(qiáng)大的電氣性能外，還具有高度的柔韌性和透明度。這使得它非常適合在便攜式電子設(shè)備中使用。使用石墨烯，智能手機(jī)和平板電腦可以變得更加耐用，甚至可以像紙一樣折疊起來?？纱┐麟娮釉O(shè)備最近越來越受歡迎。使用石墨烯，這些設(shè)備可以變得更有用，設(shè)計(jì)成適合四肢和彎曲來適應(yīng)運(yùn)動。
石墨烯的靈活性和微觀寬度提供了超越單純消費(fèi)設(shè)備的機(jī)會。它在生物醫(yī)學(xué)研究中也很有用。小機(jī)器和傳感器可以用石墨烯制成，能夠在人體中輕易地、無害地移動，分析組織，甚至將藥物輸送到特定的區(qū)域。碳已經(jīng)是人體的重要組成部分;一個(gè)小的石墨烯可能不會造成傷害。
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石墨烯具有很高的導(dǎo)電性和透明性。因此，它在太陽能電池中具有巨大的潛力。通常情況下，太陽能電池使用硅，當(dāng)光子撞擊材料時(shí)，硅會產(chǎn)生電荷，從而破壞自由電子。硅只釋放每個(gè)光子的一個(gè)電子。研究表明，石墨烯可以為每一個(gè)撞擊它的光子釋放多個(gè)電子。因此，石墨烯可以更好地轉(zhuǎn)換太陽能，與目前硅電池所能達(dá)到的大約25%的效率相比，它的效率達(dá)到了60%。
不幸的是，這都是理論上的。目前的石墨烯電池還沒有達(dá)到與硅電池同等的水平。值得慶幸的是，石墨烯太陽能電池的研究正在進(jìn)行中，而且這種電池的效率正在提高。不久，更便宜、更強(qiáng)大的石墨烯電池將會產(chǎn)生大量的可再生能源。
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石墨烯研究的未來
鑒于石墨烯似乎無窮無盡的優(yōu)點(diǎn)，人們希望它能隨處可見。那么，為什么石墨烯沒有被廣泛采用呢?和大多數(shù)事情一樣，這取決于錢。石墨烯的生產(chǎn)成本仍然極高，限制了它在任何需要大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品中的使用。此外，當(dāng)大量的石墨烯產(chǎn)生時(shí)，材料中出現(xiàn)微小裂隙和其他缺陷的風(fēng)險(xiǎn)也會增加。無論科學(xué)發(fā)現(xiàn)多么令人難以置信，經(jīng)濟(jì)學(xué)總是會決定成功。
拋開生產(chǎn)問題不談，石墨烯研究絕不是放慢腳步。世界各地的研究實(shí)驗(yàn)室——包括最初發(fā)現(xiàn)石墨烯的曼徹斯特大學(xué)——正在不斷地申請專利，以創(chuàng)造和使用石墨烯的新方法。歐盟(eu) 2013年批準(zhǔn)為一項(xiàng)旗艦項(xiàng)目提供資金，該項(xiàng)目將為石墨烯用于電子產(chǎn)品的研究提供資金?；蛟S更重要的是，亞洲的許多大型科技公司正在研究石墨烯，包括移動巨頭三星。隨著歐盟試圖在亞洲經(jīng)濟(jì)爆炸式增長的面前站穩(wěn)腳跟，石墨烯可能成為未來幾年國際政治的一個(gè)重要戰(zhàn)場。再一次，帝國的崛起和衰落是基于對資源的控制。
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觀察者網(wǎng)：我國提出制備石墨烯新方法，有望低成本大規(guī)模生產(chǎn)
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系夏維東教授研究團(tuán)隊(duì)與合肥碳藝科技有限公司合作，提出“利用磁分散電弧產(chǎn)生大面積均勻熱等離子體合成石墨烯”的新方法，突破了熱等離子體工藝或高能耗、或產(chǎn)品均勻性低和生產(chǎn)穩(wěn)定性不足的技術(shù)瓶頸，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。
該研究成果近期以“Continuous synthesis of graphene nano-flakes by magnetically rotating arc at atmospheric pressure”和“The morphological transformation of carbon materials from nanospheres to graphene nanoflakes by thermal plasmas”為標(biāo)題發(fā)表在《Carbon》。
研究工作探究了等離子參數(shù)、原料氣體組成與納米石墨烯形態(tài)、層數(shù)及缺陷之間的關(guān)系，同時(shí)揭示了產(chǎn)生高純度石墨烯需要工藝條件。結(jié)合等離子體反應(yīng)器流場溫度場的數(shù)值模擬和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算，提出石墨烯可能的形成機(jī)理：低碰撞頻率的成核前驅(qū)體有利于形成片層（sheet-like）核心，并在富氫和高溫的等離子體環(huán)境中保持平面生長。石墨烯形成機(jī)理的闡明，為產(chǎn)品生產(chǎn)控制提供了理論指導(dǎo)。