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石墨烯:神奇的“新材料之王”

作者:Las Vegas 日期:2020-11-13 15:15 人气:

  图为我国研发的全球首款石墨烯柔性屏可弯曲智能手机,可直接戴在手腕上。(资料图片)

  有没有这样一款坚韧的薄膜,它能以一支铅笔尖的承受面,撑住一头大象的重量,而不会被戳破?石墨烯可以做到。这种神奇的材料究竟是如何“炼成”的——记者近日走进“首都科学讲堂”,为您一探究竟。

  近日,在北京市科协主办、九三学社北京市委特别支持的第667期“首都科学讲堂”上,中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范与北京石墨烯研究院副院长、石墨烯器件技术研究部部长魏迪,向公众介绍了石墨烯——这款曾获得2010年诺贝尔奖的明星材料。

  石墨烯原本就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹可能就是几层石墨烯——它是由一层碳原子以六角形蜂巢结构周期性紧密堆积构成的二维碳材料。人们很早就发现了石墨,但直到2004年才发现石墨烯。这是因为,早在70多年前的理论研究表明,完美的二维结构晶体无法在非绝对零度的环境中稳定存在。

  2004年,两位英国科学家用一种非常简单的实验方法突破了原有理论认知。他们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胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断这样操作,薄片越来越薄,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片——这就是石墨烯。理论上虽不可能成功,实验中却偏偏被制备出来了。这个发现立即震撼了科学界,两位发现者共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

  “大家经常讲,石墨烯这个诺贝尔奖是用透明胶带撕出来的。实际上,我们不能小瞧这么一个简单但重要的发现。”刘忠范说,对于科学研究来说,像这两位科学家那样勇于探索、大胆尝试极其重要。

  石墨烯具有很多神奇性能,因此号称“新材料之王”:它是最薄的材料,因为它仅有一个原子层;它是强度最大的材料,理论上强度比钢强韧200倍;它是导电性最好的材料,电导率是银的1.6倍;它是导热性最好的材料,热导率是铜的13倍。

  刘忠范介绍,石墨烯是强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,可以弯曲,又具备超强导热性与导电性,这让它的应用前景十分广阔——它可以做触摸屏,因为它是透明导电薄膜;也可以用作超快集成电路,因为它里面的电子跑得非常快,室温下电子迁移率超过硅材料10倍;它是轻质高强材料,在航空航天领域具有非常广阔的应用前景;它的电磁屏蔽性质,也可以被利用制作隐形飞机、隐身材料……

  “石墨烯的酷炫应用是基于其酷炫材料性能。它有超高载流子迁移率,能让电子跑得非常快。如果说,常用导电材料是高速路上行驶的汽车,石墨烯就是一辆超跑。”魏迪说,这个性能让它可以用作智能夜视眼镜这类的酷炫装备。

  人体能发射远红外光,由于石墨烯具有超高载流子迁移率,远红外光投射到它表面后产生的电子可以被迅速采集。这样一来,戴上用石墨烯镜片制成的眼镜就可以看到夜里的一切,还可以采集使用者本身的血糖、脑电等生理数据。同时,由于石墨烯具备透光性,它还能作为显示屏投射各种信息。当你外出旅行,它可以即时显示路况、附近酒店、景点、餐馆等服务信息。

  不过,理想很丰满,现实仍骨感。现在你能在市场上买到的石墨烯,很可能都只是石墨。

  2018年,《先进材料》上曾发表一篇论文,作者之一是石墨烯诺贝尔奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫。在此,研究者们分析了来自美洲、亚洲与欧洲60家公司的粉体石墨烯样品,发现大多数公司样品中石墨烯含量低于10%,且没有一个样品石墨烯含量超过50%。

  “从应用角度讲,一般大家的共识是10层以下可称为石墨烯。尽管严格意义上讲,只有单层石墨片才是线层以上就是普通的、传统的粉体石墨。”刘忠范说。

  石墨烯一般分成两类,一类是粉体石墨烯,一类是薄膜石墨烯。这两类石墨烯制备方法完全不同,应用领域与场景也完全不同。

  在规模化工业制备中,石墨烯粉体一般采用化学反应剥离石墨层的办法获取。然而,这类氧化还原方法常带来大量废酸、废水。比如,用浓硫酸加上高锰酸钾去煮石墨,生产1公斤石墨烯需要耗费50公斤浓硫酸、3公斤高锰酸钾与1吨水。

  具体到薄膜石墨烯的规模化制备方法,最有代表性的是化学气相沉积技术,即在高温炉子里通过高温化学反应来一层一层制备石墨烯。如在铜箔表面,在1000摄氏度下通上甲烷,就可以生成一个单原子层石墨烯。

  目前,我国石墨烯产业状况如何?数据显示,截至今年6月底,我国在工商部门注册、营业范围包括石墨烯相关业务的企业已达到1.68万家。全国已成立石墨烯产业园29个,石墨烯研究院54家,石墨烯产业创新中心8个,石墨烯联盟12个。

  从石墨烯领域发表的论文数量来看,2011年起,我国就在全球领先,目前占比超过全球的三分之一。石墨烯领域专利申请数量在我国也是最多的,约占全球七成。我国粉体石墨烯制备产能很大,已达每年5000多吨。在薄膜石墨烯制备方面,我国也于全球领先,年产能达650万平方米左右。

  “但要注意的是,与欧洲、美国、日本及韩国相比,中国石墨烯行业的关注点根本不在一个频道上。国外更多关注真正体现石墨烯新材料特性的未来型技术研发,而中国非常重视近期实用性产品开发。”刘忠范说,我们对未来核心技术的关注相对少一点,但从总体上看,中国石墨烯基础研究与产业化力量在全球仍处于第一方队。

  魏迪认为,中国石墨烯产业未来应更多向光电子器件、传感器件等高附加值产业布局。

  刘忠范介绍,中国石墨烯产业有“三大件”,一是新能源,将石墨烯用作锂离子电池的导电添加剂,使电池充电速度更快、电容量提升;二是添加进防腐涂料中,节省防腐涂料中较贵的锌含量,并提升防腐性能;三是大健康领域,比如利用其导热性能制作眼罩、护膝等理疗产品——三者合计,约占我国石墨烯产能九成。

  此外,国内也有石墨烯高端产品,比如采用了石墨烯触摸屏、电池与导热膜的石墨烯手机等。

  那么,国际上在用石墨烯做什么产品?在2019年世界移动通信大会上,设有石墨烯专门展厅,展示了石墨烯在数据通信、传感器、物联网、可穿戴设备、新能源等领域的应用。比如,用石墨烯做的超灵敏电子传感器可检测有害气体,用石墨烯做的宽带图像传感器能同时探测可见光与红外光。

  石墨烯几乎无所不能,但目前石墨烯材料应用面广而不专精。那么,未来什么才是石墨烯真正不可替代的“杀手锏”级应用呢?

  刘忠范说:“‘杀手锏’级用途意味着离开它不行。目前,我们仍未找到石墨烯‘杀手锏’级用途。”未来可能从两个方向入手,一类是逻辑推理式的用途,另一类是出其不意的用途。

  逻辑推理式用途,是从石墨烯本身性能推理出的用途。比如,现在的透明导电薄膜是一种ITO玻璃,它不是柔性的,还含稀有元素铟。而石墨烯薄膜导热性、导电性非常好,又是透明柔性的,且仅含便宜的碳原子。未来,石墨烯薄膜用作透明导电薄膜来制作可穿戴柔性电子器件将大有前途,或许能成为“杀手锏”级用途。

  非逻辑性的出其不意用途,则需要研究者创意思考。“比如,我们把石墨烯长到蓝宝石上,与LED结合起来,做成LED照明器件——其他工艺不变,就可以将发光效率提升30%以上。”刘忠范说,一旦产业化,这就是下一代LED节能照明器件,会全面淘汰现有照明器件,也属于“杀手锏”级应用。

  “‘杀手锏’级应用就是其他材料取代不了,所以必须基于并放大石墨烯材料的独特优势,来开展‘杀手锏’级应用的探索。”魏迪表示,从器件角度来讲,可以利用石墨烯的超高载流子迁移率性能,将它与硅基半导体融合使用,制作出有优越性能的光电子探测器件、夜视远红外探测器件、逻辑电路器件等。(记者 佘惠敏)

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