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未来材料宠儿石墨烯:超轻飞机、太空电梯变可能
华夏经纬网   2013-12-10 10:01:28   
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  石墨烯:未来材料宠儿

  想在一秒钟内下载一部高清电影吗?石墨烯调制器的问世或许能让这个愿望得以实现。

  美国华裔科学家张翔教授的研究团队用石墨烯研制出一款调制器,这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力,有望将互联网传输速度提高一万倍。

  石墨烯无疑是过去十年,乃至未来几十年,所有材料“明星”中最耀眼的一颗。

  虽然发现至今尚不足十年,石墨烯却不断在科学界、产业界引发一轮轮波澜。随着人们对它的认识逐渐明晰,其神秘面纱就像发现之初那样被一层层揭开——薄且坚硬,透光度好,导热性强,导电率高,结构稳定,电子迁移速度快,能在常温下观察到量子霍尔效应……

  从假设到现实

  石墨烯的发现,之所以意义重大,是因为它创造了诸多“纪录”

  石墨烯是构成石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯等碳同素异形体的基本单元材料,是一种二维晶体。

  石墨烯的结构一直被认为只存在于理论之中,无法单独稳定存在。直至2004年,英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出石墨烯,才证实它可以单独存在。

  最初,科学家从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。通过反复的操作,石墨片变得越来越薄。最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

  凭借“在二维石墨烯材料的开创性实验”,这两位科学家共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

  石墨烯的发现,之所以意义重大,是因为它创造了诸多“纪录”。

  石墨烯是世上最薄的材料。

  “石墨烯只有0.34纳米厚,十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径,人们用肉眼是看不见它的。”中科院重庆研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任史浩飞接受《中国科学报》记者采访时如此描述。

  石墨烯是人类已知强度最高的物质。

  它比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。

  哥伦比亚大学的物理学家用金刚石制成的探针测试石墨烯的承受能力,在被实验的石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达到了2.9微牛左右。这意味着,“如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品”。

  石墨烯电阻率极低,电子迁移的速度极快。

  在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,迁移速率仅为光速的三百分之一,远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。

  “电子在石墨烯里边好像没有质量一样,运动速度非常快。”中国科学技术大学教授曾长淦在接受《中国科学报》采访时表示,“电子能量不会被损耗的特点,使这种材料具有了非比寻常的优良特性。”

  它的另一特性让材料学家更为惊喜,该材料几乎完全透光,透光率在97%以上。

  2012年,美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路,使得石墨烯特殊的电学性能彰显出应用前景。中科院院士高鸿钧对此表示:“石墨烯材料具有优异的电学性质,有望被用于制造新一代高性能电子学器件。”

  引导科技革命

  在世界范围内,针对石墨烯研究与应用的热潮在持续涌动

  石墨烯神秘又神奇的特殊性能让人们对它的应用充满幻想。

  在国内,有关石墨烯的应用研究开展得如火如荼。

  我国在石墨烯的基础研究与产业化推进中处于世界前列,多支研究队伍在石墨烯的性能研究与制备技术方面取得突破性成果。其中,中国科学院重庆绿色智能技术研究院的石墨烯薄膜制备技术以2.1亿元人民币的价格实现转让,更是让研究者与开发者蠢蠢欲动。

  在世界范围内,针对石墨烯研究与应用的热潮在持续涌动。

  据剑桥知识产权公司的统计数据显示,截至今年5月,全球已经获批和正在申请的石墨烯专利共计9218项,专利申请数量在过去5年更是增加了4倍;自2004年开始,石墨烯领域的相关研究论文呈指数上升趋势,迄今论文总数已超过2万篇,仅2012年一年就超过了6000篇。

  “从来没有一种材料能像石墨烯这样在各个领域都广受关注。”曾长淦感慨,虽然国内外目前还没有实实在在的石墨烯产品问世,“但它是众多‘明星’材料中最接近应用的材料。”

  超轻防弹衣、超薄超轻型飞机、超薄能折叠的手机、高强度航空材料、高性能储能和传感器、超级电容器,甚至更富想象力的太空电梯,越来越多基于石墨烯材料的未来设备进入科学家的研究视野。

  其中,透明电极的应用最引人注目。

  “石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。”曾长淦表示,如今电子产品中的触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等都需要良好的透明电导电极材料。

  传统的电导电极应用的是氧化铟锡,而这种材料脆度较高,比较容易损毁。

  与之相比,石墨烯不仅更加坚硬,性能也更好。

  “氧化铟锡光通过率比较低,用石墨烯的话,显示器的屏幕会更亮。”曾长淦告诉记者,石墨烯在透明电极方面的应用会大幅降低电子设备的成本,并使其更省电、更清晰,“十年内,石墨烯在透明电极方面肯定能够实现商业化”。

  97%以上的光通过率在为透明电极的应用带来变革的同时,也使太阳能产业的升级成为可能。

  据专家介绍,当前市面上的太阳能电池板基本为多晶硅,其光电转换率为30%左右,而石墨烯太阳能技术的光电转换效率高达60%,是现有多晶硅太阳能技术的2倍。

  近期,美国麻省理工学院与苹果公司相继发布研究报告,论述了石墨烯作为太阳能电池为电子设备提供能源的可能,苹果公司更是为此提交了专利申请,为在电子设备中搭载石墨烯太阳能电池提供解决方案。

  中科院宁波材料技术与工程研究所研究员刘兆平在接受《中国科学报》记者采访时表示,石墨烯微片可以与锂离子电池电极活性材料颗粒形成二维导电接触,在电极中构建三维导电网络,因而可大幅提升电池综合性能。

  初步实验结果表明,与常规方案的电池相比,采用石墨烯导电剂的钴酸锂电池容量高出3%,放电容量从72%提高到92%。

  突破制备技术

  制备技术是石墨烯进入应用领域、实现产业化的拦路虎之一

  尽管国内外科学家对石墨烯的研究越来越透彻,对其应用的探索成果也不断涌现,然而市面上却鲜有真正的石墨烯材料产品问世。

  制备技术是石墨烯进入应用领域、实现产业化的拦路虎之一。高成本的制备技术推升了石墨烯的市场价格,其价格一度达到每克5000元,是黄金的十几倍。

  高鸿钧在去年年底召开的以石墨烯为主题的香山科学会议上直言,我国在石墨烯制备方法研究领域还面临较大挑战。“挑战主要在于如何制备大面积、杂质缺陷可控的高质量单晶材料以及如何改进现有硅基工艺融合的石墨烯加工技术。”

  尽管如此,我国科学家在石墨烯的制备技术研发方面仍然实现了重大突破。刘兆平率领研究团队历经多年努力,研发出了石墨烯产业化制备技术,将石墨烯的制造成本从每克5000元降至每克3元,直接带来国外客户的大量订单。

  今年年初,中科院重庆绿色智能技术研究院宣布实现了15英寸单层石墨烯的制备,并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上,制备出7英寸石墨烯触摸屏。

  值得一提的是,上述两个研究团队均与上海南江集团联合创建了专业的石墨烯生产公司,分别量产石墨烯微片与石墨烯薄膜。

  微尺度物质科学国家实验室的曾长淦研究团队更是另辟蹊径,将常规的基于气态碳源的铜表面石墨烯生长需要1000℃的高温降至300℃,创造了石墨烯化学气相沉积法生长的最低温度。

  “随着石墨烯制备技术的升级,产业化生产的条件也不断成熟,相信在未来几年,石墨烯制成的新产品将不断涌现。”曾长淦表示。(中国科学报 记者孙爱民)

 

责任编辑:胡光曲

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