什么是石墨烯是超级材料?它有什么物理特性?
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发布时间：2022-04-24 20:04
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时间：2022-07-16 19:19
曼彻斯特大学的两位科学家进行了一个看似简单的实验，结果可能会改变世界。在实验室，研究人员安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·诺沃塞洛夫（KonstantinNovoselov）玩弄着石墨，这是制作铅笔芯的材料。石墨由彼此堆叠的超薄纯碳片制成。吉姆（Geim）和诺沃塞洛夫（Novoselov）想看看他们是否可以分离出单片石墨，即只有一个原子厚的薄碳层。
于是，他们找来一卷透明胶带，然后开始了他们的试验。英国广播公司（BBC）报道，这就是海姆描述他们所采用的技术的方式。
“您将粘胶带放在石墨或云母上，然后剥去表层。胶带上会有石墨片脱落。然后将胶带对折，然后将其粘贴到表面的薄片上，然后再分开。您将这个过程重复10或20次。每次，薄片都变得越来越薄。最后，一层非常薄的石墨薄片附着在胶带上，然后将胶带溶解，于是我们获得了实验想要的东西。”
粘胶带方法有效！通过隔离单层碳，海姆和诺沃塞洛夫（Novoselov）发现了一种前所未有的材料，即石墨烯，该材料现在被认为是地球上最坚固、最轻和最导电的物质。
2010年，海姆和诺沃塞洛夫（Novoselov）因发现石墨烯而获得了诺贝尔物理学奖，全世界的研究人员开始倡导使用这种非凡的“超级材料”，来制造功能更强大、寿命更长的电池，更快的微芯片，柔性电路，可植入生物传感器。十年后，石墨烯尚未兑现被大肆宣传的承诺，但业内人士有信心，我们最终将在未来几年看到使用基于石墨烯的技术的智能手机、电动汽车和传感器。
为什么石墨烯是超级材料？
一片石墨烯厚度仅为一个原子厚，该超级材料所具备的优点：
石墨烯的重量比钢强200倍。它比纸张轻1000倍。它是98％透明的。在室温下，它的导电性能优于任何其他已知材料。它可以将任何波长的光转换为电流。最后但并非最不重要的一点是，石墨烯是由碳制成的，碳是宇宙中第四大富集的元素，因此我们不太可能耗尽它。
石墨烯从其结构中获得了超能力。如果可以放大得足够近，您会发现一片石墨烯看起来像原子级蜂窝。单个碳原子以类似于鸡丝的六边形排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳原子共价键合，从而使该材料具有不可思议的强度。
为什么石墨烯导电性好？同样，由于那些碳原子键合的方式。每个碳原子的外壳中都有四个电子，但是这些电子中只有三个与其相邻的三个碳原子共享。剩余的电子称为pi电子，并且可以在三维空间中自由移动，这使它可以在几乎没有电阻的情况下跨石墨烯片传输电荷。实际上，石墨烯是室温下任何已知物质中最快的电导体。
图注：在卡博特公司，高级研究员马特·海斯克思在三个小瓶中研究石墨烯的进度。左边的小瓶是石墨，中间的石墨是膨胀的，右边的是石墨烯。
魔角
最近的发现可能会给石墨烯的吹牛清单又添加了一行。麻省理工学院（MIT）的一个小组正在研究双层石墨烯——两层单原子石墨烯堆叠在一起——当他们偶然发现了石墨烯的一种新近神奇的特性时。当各层之间略微错开旋转（正好为1.1度的位移）时，石墨烯将成为超导体。超导体是最稀有的导电材料，它完全没有电阻且热量为零。
石墨烯“魔角”的发现在科学界引起了冲击波。尽管该实验是在极低的温度（接近0开氏温度或零下459.67F）下进行的，但它打开了将石墨烯与其他超导元素结合在一起，使我们比以往更接近室温超导性的可能性。这样的成就将从根本上改善从小工具到汽车到整个电网的一切能源效率。
石墨烯如何转变技术？
纳米技术教授，剑桥大学石墨烯中心主任安德里亚·费拉里（AndreaFerrari）说，超导电性还需要几十年的时间，但是*性的基于石墨烯的产品要早得多地投放市场。
费拉里说：“到2024年，市场上将会有各种各样的石墨烯产品，包括电池、光子学、夜视摄像机等等。”
多年来，消费者一直在等待基于石墨烯的电池。我们所有小工具中的锂离子电池充电速度相对较慢，汁液很快流失，经过一定次数的循环后就会烧坏。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。
但是由于石墨烯是世界上最有效的电导体，因此在充电或放电时产生的热量要少得多。基于石墨烯的电池有望比锂离子电池快五倍的充电速度、三倍的电池寿命和五倍的更换周期。
三星和华为等电子公司正在积极开发用于智能手机和其他小工具的石墨烯电池，但最早进入市场的电池是2021年。至于电动汽车中的石墨烯电池——这可能会显著增加其驾驶半径——这还有几年时间。整个行业都建立在锂离子技术之上，不会一夜之间改变。
"电池行业非常保守，"石墨烯公司的首席执行官耶稣·德拉富恩特说，该公司向学术研究人员和研发部门生产和销售纯石墨烯和石墨烯芯片。“它可能会每五到十年改变一次电池的组成，这使得在这个行业很难推出新产品。”
市场上有一些石墨烯电池，包括来自一家名为石墨烯旗舰公司的有线和无线充电器，但这只是冰山一角。费拉里（他也是石墨烯旗舰公司的科技*。）说，欧盟为加快石墨烯技术的发展而与石墨烯公司合作了10亿欧元。与旗舰公司合作的研究合作伙伴已经在生产石墨烯电池，其容量和能量都优于当今最好的高能电池20%的容量和15%的能量。其他团队已经建造了石墨烯太阳能电池，这种太阳能电池在将阳光转化为电能方面效率提高20%。
石墨烯的其他用途
尽管石墨烯电池可能首先进入市场，但研究人员正在忙于开发这种奇迹材料的无数其他应用。
生物传感器很重要。想象一下一个非常薄且灵活的芯片，可以将其注射到血液中以监控实时健康数据，例如胰岛素水平或血压。或者是石墨烯界面，它可以向大脑来回发送信号，以检测即将发生的癫痫发作，甚至可以预防癫痫发作。细长的可伸缩传感器也可以戴在皮肤上或编织到衣服的织物上。
图注：中国香港理工大学物理学教授严峰博士于2015年拥有具有石墨烯电极的低成本半透明太阳能电池的新发明。
光子学是已经纳入石墨烯的另一个领域。通过将石墨烯集成到光敏芯片中，相机和其他传感器甚至可以极大地提高对可见光谱和不可见光谱中最微弱的光波的灵敏度。这不仅将改善照相机和望远镜的图像质量，而且还将改善医学图像。
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时间：2022-07-16 20:37
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时间：2022-07-16 22:11
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时间：2022-07-17 00:03
