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石墨烯時代即將來臨?超級材料“突圍戰”開啟,中國已搶占先機
更新時間:2021-08-26 瀏覽數:

從茹毛飲血的原始社會到王權初現的部落時代,再到如今文明守禮的現代社會,人類經歷了數萬年的發展,而推動人類發展的正是材料工具的發現與使用。

石墨烯時代即將來臨?超級材料“突圍戰”開啟,中國已搶占先機

Tips:文明的起源。人類意識的誕生為文明起源奠定了基礎。意識具有感知和認知兩大功能:感知賦予人感覺體驗,人在感覺基礎上建立了認知觀。

遠古時代,人們用石頭制作各式各樣的工具用于采集食物,出現早期的部落文明。秦漢時期,各種鐵器、弓弩的發明使我們能夠橫掃草原,成為屹立東方的天漢之國。中世紀時,紙張,火藥、指南針的發明推動了文明、探索的進步。

近代,石油的發現更是推動了工業革命的發展,將人類引進一個嶄新的文明的世界。20世紀,各類半導體材料的出現,引領我們走向高度發達的信息化時代。

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Tips:中國四大發明是造紙術、指南針、火藥、印刷術。四大發明是中國古代創新的智慧成果和科學技術,四大發明的概念卻來源于西方學者,并在之后被中國人接受。

縱觀世界的發展史,就是一部材料的進化史。每一個新型材料的出現都引領著一個時代的發展,改變著人類的生活方式。而引領21世紀發展的超級材料就是石墨烯。那么石墨烯時代的來臨會給我們的社會生活帶來怎樣的變化呢?

什么是石墨烯?

說起石墨烯,大家可能會一頭霧水,不清楚這是個什么東西,但要說到石墨,大家的認識就深刻多了。石墨是碳的同素異形體,簡單來講他倆都是由碳原子組成的,但是因為排序方式不同,導致性質不同的同卵雙胞胎。石墨在日常運用中,因其質地偏軟具有一定的延展性,常用做鉛筆的筆芯。

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Tips:石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性,在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景,被認為是一種未來革命性的材料。

在我們用這些鉛筆在紙上勾勒未來的藍圖時,我們并不知道這些黑色的線條竟然能誕生出影響世界走向的超級材料。這種引領人類未來走向的材料就是石墨烯。石墨烯與石墨僅有一字之差,兩者的關系十分緊密,可以說石墨烯就是從石墨身上帶下來的孩子。

我們知道,石墨是由一層一層的六邊形碳原子層有序堆疊而形成,看起來就像是一個蜂窩狀的立體圖形。由于石墨各層面的分子間作用力較小,因此石墨層間很容易剝離,形成薄的石墨片,這也正是鉛筆在紙上留下痕跡的原因。當石墨剝離成一個單層的,只有一個碳原子層時,所獲得的就是石墨烯。

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Tips:石墨是碳的一種同素異形體,為灰黑色、不透明固體,化學性質穩定,耐腐蝕,同酸、堿等藥劑不易發生反應。

科學界在很長一段時間中,認為石墨烯的結構不穩定,無法單獨存在,僅將其當做一種假設性結構。直到2004年,英國物理學家海姆與同事成功在實驗中將石墨烯從石墨中分離出來,從而證實了它可以單獨存在,石墨烯才從人類的假想來到真實的世界。兩位得出開創性發現的物理學家,也憑此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

事實上,早在20世紀初,科學家就開始尋找石墨烯的身影,特別是在X射線晶體學創立后,科學家可以通過X射線來研究晶體中原子的排列順序,極大的方便了科學家對石墨性質結構的描述和石墨烯的發現。1918年,物理學家V. Kohlschütter和P. Haenni詳細地描述了石墨氧化物質的性質。

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Tips:X射線晶體學是一門利用X射線來研究晶體中原子排列的學科。運用X射線晶體學 [1] 可以了解大分子如蛋白質與DNA的結構和功能。

1948年,物理學家發布了用透射電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯(層數在3層至10層之間的石墨烯)圖像,這也是最早的石墨烯圖像。以上種種發現振奮了科學家們好奇、探索的心理,他們試圖開始分離、制造石墨烯。

但是囿于時代的局限和設備的落后,科學家并沒有見到夢想中的石墨烯。2004年,英曼徹斯特大學與俄國微電子工藝研究所合作共同研究開發石墨烯項目。在兩個團隊的精誠合作之下,成功分離出了單獨的石墨烯平面,這是世界上首個成功的石墨烯分離實驗。在分離石墨烯的過程中,曼徹斯特大學家教授海姆與其團隊偶然地發現了一種簡便的易于操作的石墨烯新型制備方法。

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Tips:透射電子顯微鏡Transmission Electron Microscope,簡稱TEM,可以看到在光學顯微鏡下無法看清的小于0.2um的細微結構,這些結構稱為亞顯微結構或超微結構。

他們巧妙地利用了石墨的層狀結構特征,將石墨片放在膠帶上,用膠帶粘住石墨片的兩側,輕輕撕開膠帶后,石墨片也一分為二,然后重復進行以上操作使石墨片的厚度越來越小,直到再也無法分離。最后用顯微鏡在浩如煙海的薄片中尋找到了厚度只有0.34納米的石墨烯。在海姆及其團隊日以繼夜、苦心孤詣的專研下,石墨烯從虛幻來到了現實世界,并綻放出璀璨的光彩。

石墨烯的結構與性質

石墨烯是一種由碳原子經SP2電子雜化軌道形成的,是碳元素的一種同素異形體,是碳原子六邊形結構組成的二維單層石墨層材料。它可以翹曲成零維的富勒烯,卷成一堆碳納米管或者堆垛成三維石墨,它是眾多碳質材料的最基本單元。

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Tips:碳納米管,又名巴基管,是一種具有特殊結構,徑向尺寸為納米量級,軸向尺寸為微米量級,管子兩端基本上都封口的一維量子材料。

如果對石墨烯有更深入的了解,人們就有可能依據自己的意愿定向制作某種碳質材料。石墨烯的外觀并不是平滑如鏡的,在微觀上它的表面呈現出一種粗糙性,表面的起伏如同波浪一般。關于這種粗糙性的由來,科學家們猜測這可能是襯底與石墨烯相互作用導致的。

完美的石墨烯結構是二維的,并且只包括六邊形結構,可以將其看作是一層被剝離的石墨分子。我們知道碳原子的原子數量是6,在電子軌道的排列中,P軌道上沒有排滿。在石墨烯結構中,碳原子的連接方式是苯環狀六邊形連接,所以每個碳原子在連接之后會剩下一個P電子,能夠在晶體中自由移動,賦予石墨烯良好的導電性。

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Tips:物體傳導電流的能力叫做導電性。各種金屬的導電性各不相同,通常銀的導電性最好,其次是銅和金。

石墨烯有單雙多層之分,其中,單層石墨烯厚底為0.334納米,約為人體頭發的十萬分之一,而石墨烯的性能也與其層數密切相關。

石墨烯的結構十分穩定,是平面六邊形結構。石墨烯內部的碳原子之間的連接十分柔韌,當外力施加在石墨烯上,其碳原子面會彎曲變形,以極其柔韌的身姿來承接外力,使內部的碳原子不必重新排列來抵抗外力的入侵,從而保持結構穩定。這種穩定的結構使石墨烯具有良好的導熱性。

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Tips:導熱硅脂具有高導熱率,極佳的導熱性,良好的電絕緣性,只針對絕緣導熱硅脂,較寬的使用溫度,很好的使用穩定性,較低的稠度和良好的施工性能。

另外石墨烯中的電子在sp2軌道中移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生不必要的散射。由于石墨烯的原子間作用力十分強大,即使周圍碳原子發生擠撞,石墨烯內部電子受到的干擾也非常小,可以應用在各種高新技術領域。

石墨烯的應用前景

目前石墨烯行業正在摸索之中,不過石墨烯材料的前景十分廣大。得益于石墨烯良好的導電性和透光性,使它能夠應用在透明導電電極上。手機觸摸屏、液晶顯示器、有機發光二極管、電腦的顯示屏等等元件,都需要良好的透明導電電極材料。更不必說,石墨烯同時具備優秀的導電性、導熱性、柔韌性和高強度性,堪稱全能復合型材料之王。

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Tips:OLED又稱為有機電激光顯示、有機發光半導體。OLED屬于一種電流型的有機發光器件,是通過載流子的注入和復合而致發光的現象,發光強度與注入的電流成正比。

通過化學氣相沉積法,我們可以得到大面積的、透明的單層石墨烯薄膜,用于光伏器件的陽極,能量轉化率為1.71%。此外,石墨烯材料可以用來制備太陽能電池。

除了應用于化學方面,石墨烯還可以應用于生物、醫學方面。研究表明石墨烯制作的過濾器比目前市面上的任何一種過濾技術更強更陷阱,可用于海水淡化,將其變為淡水,供人類飲用和農田灌溉,緩解干旱地區的旱情。

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Tips:太陽能電池,是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片,又稱為“太陽能芯片”或“光電池”,它只要被滿足一定照度條件的光照度,瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產生電流。

石墨烯氧化物還是一種抗菌物質。我國科學家發現,石墨烯氧化物對大腸桿菌有著優異的抑制作用,它就像是大腸桿菌的天敵一樣。在這個抑制過程中就像裝感應器一樣只針對大腸桿菌,不影響人體其他的細胞。如果這種氧化物能夠對其他的細菌也有抗菌性,那么在抑制其他細胞方面如癌細胞的生長,就能拯救人類的生命,為醫學打開一條通天坦途。

石墨烯材料強大的應用空間和領域,讓世界各國都為之著迷,認為得石墨烯材料之先者可得天下。世界各國出臺許多政策和計劃來大力開發和扶持石墨烯項目,爭取把握住改變世界的機遇,成為時代的弄潮兒。

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Tips:大腸桿菌Escherichia coli,又叫大腸埃希氏菌,在1885年發現的。大腸桿菌是條件致病菌,在一定條件下可以引起人和多種動物發生胃腸道感染或尿道等多種局部組織器官感染。

作為最先發現和分離出石墨烯材料的國家,英國在石墨烯材料的研發和開拓中占盡先機,不僅將石墨烯作為戰略性新興材料之一,還投入大把的金錢在石墨烯的商業應用領域之中,身體力行的扶持石墨烯產業。并在2018年,建成石墨烯工程創新中心,在石墨烯基礎研發領域領跑全球。

美國十分重視石墨烯材料的研發。目前已經建成了相對完善的產業鏈,國家高度支持研發石墨烯晶體管、儲能設備,并在以上領域取得多項重大技術突破。日本從2007年開始在石墨烯領域發力,目前產業發展較為全面,主要在電子領域的研發有所突破。歐盟更是豪擲10億歐元投入到石墨烯產業的研發之中。

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Tips:英國是由大不列顛島上的英格蘭、威爾士和蘇格蘭以及愛爾蘭島東北部的北愛爾蘭以及一系列附屬島嶼共同組成的一個西歐島國。

在這場看不見硝煙的石墨烯研發大戰中,我國已經取得了戰績,領先于世界各國。我國豐富的石墨含量是支撐我們的根源與底氣。我國的石墨資源為5500萬噸,僅位于巴西之下,是全世界第二大石墨資源儲備大國。強大的石墨資源儲備,使我們能夠進行大量的石墨烯制備,并應用在研究之中。截止目前,我國的石墨烯專利數量位于世界第一,占全世界石墨烯專利申請總數的66.57%,專利申請數達35570件。

我國十分重視石墨烯產業發展,出臺了許多利好政策扶持石墨烯產業。目前,我國已經形成以長三角區域和珠江三角區為中心向四周輻射的石墨烯產業格局。在寧波實行石墨烯產業三年攻堅計劃,在2017年到2019年間,建成相對完善的石墨烯產業鏈。在北京建立18個實驗室重點開展石墨烯共性技術研究及應用。

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Tips:寧波是國家歷史文化名城,公元前2000多年的夏代,寧波的名稱為“鄞”,春秋時為越國境地,秦時屬會稽郡的鄞、鄮、句章三縣,唐時稱明州。

我國舉全國之力,來應對這一場時代風向之戰,通過政策扶持、社會引導、積極攻堅等幾個方面多管齊下,造就了我國石墨烯產業的輝煌成就。在這個決定世界走向的超級材料大戰中,取得領先地位。

每一個新技術的誕生都會推動世界的發展,給社會帶來新的氣象、新的生活方式。石墨烯材料的出現,無疑是引領時代潮流的力作。

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Tips:石墨烯作為近年來備受關注的新型材料,其用途非常廣泛,在半導體產業、光伏產業、鋰離子電池、航天、軍工、新一代顯示器等傳統領域和新興領域都將帶來革命性的技術進步。

我國能夠在石墨烯材料的發展中取得領先地位,是無數的科研人員從青絲到白發,日以繼夜,夙興夜寐所取的輝煌成就,是強大國力支撐下的無雙戰績。這場勝利是中華兒女從富起來到強起來的標志,是中華民族偉大復興道路的基石,是無數研究人員的心血。

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