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石墨烯有望成为百变纳米材料

时间:2020-12-29 22:39:04 点击:

  核心提示: 近年来,有关石墨烯的研究报道不断涌现,最新学术报道也让人应接不暇,而在大大小小的科技界展会上,各式各样的石墨烯功能产品如雨后春笋般层出不穷。 石墨烯又名单层石墨片,是目前发...


近年来,有关石墨烯的研究报道不断涌现,最新学术报道也让人应接不暇,而在大大小小的科技界展会上,各式各样的石墨烯功能产品如雨后春笋般层出不穷。

石墨烯又名单层石墨片,是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体,是一种sp杂化(同一原子内由1个ns 轨道和1个np 轨道参与的杂化)连接的碳原子,紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新型纳米材料,具有很多奇特的电子和机械性能,吸引了物理、化学和材料等领域科学家的广泛关注。

石墨烯的研究最早始于20世纪70年代,科学家利用化学方法合成了石墨烯片,此后施密特等科学家在此技术上改进,合成了石墨烯衍生物。

直到2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,运用微机械剥离法成功从石墨中分离出了石墨烯,因此获得了2010年诺贝尔物理学奖,从此打开了石墨烯神话的创意大门。

两位科学家首先从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带就能把石墨片一分为二,一层又一层地撕下去,于是薄片越来越薄,最后得到了仅有一层碳原子构成的薄片,这就是最早诞生的石墨烯。

由于石墨烯单层结构的稳定性,科学家归结于“纳米尺度上的微观扭曲”,因此被认定为具有优异的光学、电学、力学特性。

近年来,随着高功率与高速电子元器件的迅猛发展,对于电子元器件与装备进行有效热管理,以避免器件因过热导致热失效有了迫切的需求。由于石墨烯具有高度稳定性的结构、比表面积大的吸附性能、电导率高等优点,因而可作为晶体管、传感器、电极材料、储蓄材料等。有研究表明,在高分子基底中引入石墨烯的立体互连结构,能够提高复合材料的热导率,此研究有望广泛应用在热管理与电子材料领域;石墨烯可以兼容有机材料,与其接触的电阻小,因而可作为很好的电极材料应用;石墨烯因其较高的能量转换率也可以作为太阳能电池的受体材料,制作成石墨烯薄膜材料。

石墨烯的研究与应用开发也在不断持续升温,和石墨烯有关的材料逐渐广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器等方面。研究者们致力于在不同领域尝试不同方法以求制备高质量、大面积石墨烯材料,并通过对石墨烯制备工艺的不断优化和改进,降低石墨烯制备成本使其优异的材料性能得到更广泛的应用,并逐步走向产业化,石墨烯有望在诸多应用领域成为新一代百变的纳米材料。

从生产角度看,作为石墨烯生产原料的石墨,在我国储能丰富,价格低廉。许多国家也投入到建立石墨烯相关技术研发中,尝试使石墨烯商业化,进而在工业、技术和电子相关领域获得应用专利。但石墨烯产业化还处于初期阶段,一些应用还不足以体现出石墨烯“百变理想”的性能,国内外的科研学者正在探索其更多的可能性,未来在检测及认证方面也需要面对大量挑战,方式方法上也需不断提高。

石墨烯有着很多特殊且优异的性能,几乎有多少优异的性能就有多少个创意去开发产品,并且可以诞生很多衍生品。如何让石墨烯走下神坛,进入大众的视野,成本和技术相平衡,实现商品化、产业化将会是未来需要攻克的难题。

(作者单位:北京东方汇通教育科技有限公司创客教育事业部)

作者:不详 来源:网络
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