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石墨烯將改變世界還需解決產(chǎn)業(yè)化難題


來源:人民日報(bào)

標(biāo)簽石墨烯
中國粉體網(wǎng)7月19日訊  2010年,,英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,兩位最早發(fā)現(xiàn)并揭示石墨烯獨(dú)特性質(zhì)的科學(xué)家獲得當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。石墨烯從此進(jìn)入大眾視野,,成為材料家族中光芒四射的新星,。

    石墨烯不是一種天然存在的材料,。人們常見的石墨是由可以機(jī)械剝離的石墨片組成,。由于石墨片層與層之間作用力較弱,,當(dāng)石墨被剝離至單層,,僅有一個(gè)碳原子的厚度時(shí),,這層石墨片就是石墨烯。它是由碳原子緊密排列而成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料,,看上去近似一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面,。

    在材料大家族中,石墨烯只是個(gè)晚輩,。2004年,,海姆和諾沃肖洛夫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組,將石墨片黏在兩片特殊的膠帶之間,,撕開膠帶,,石墨片就被減薄,一分為二,。如此反復(fù)操作,,薄片越來越薄,最終在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了石墨烯。人們發(fā)現(xiàn),,它的厚度只有0.34納米,,一片1毫米厚的石墨片由近300萬層石墨烯堆垛而成。

    石墨烯的發(fā)現(xiàn)及其獨(dú)特性質(zhì)刺激了全球研究者的神經(jīng),,更有人將其稱之為“改變21世紀(jì)的材料”,。

性能超強(qiáng)

    石墨烯具有非凡的導(dǎo)電性能、超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度和極佳的透光特性,。石墨烯具有完美的二維平面結(jié)構(gòu),,它蘊(yùn)含的豐富而新奇物理現(xiàn)象的奧秘就來源于此。

    石墨烯擁有完美的對稱正六邊形結(jié)構(gòu),,非常穩(wěn)定,,而且各個(gè)碳原子之間的連接很柔韌,即使受到外力沖擊,,也可以通過彎曲變形來維持穩(wěn)定,。

    這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)使石墨烯幾乎集合了世界上眾多材料的最優(yōu)質(zhì)品質(zhì),。據(jù)測試,,它是迄今為止自然界中最強(qiáng)的二維材料,強(qiáng)度通常為普通鋼材料的數(shù)十倍,。有人曾測算,,一塊1平方米的石墨烯吊床足以承受一只4公斤重的貓,而該吊床的重量僅為0.77毫克,,比貓的腮須還輕,,肉眼根本看不到。

    最讓科學(xué)界矚目的,,是它超強(qiáng)的導(dǎo)電性能,。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員譚平恒介紹,石墨烯具有獨(dú)特的線性電子能帶結(jié)構(gòu),,其傳導(dǎo)電子是無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子,。電子在石墨烯中運(yùn)動(dòng)幾乎沒有阻力,遷移速度極快,,是世上已知的電阻率最小的材料,。因?yàn)檫@一特點(diǎn),石墨烯被期待可用來發(fā)展更薄,、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管,。

    石墨烯還有優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱性和透光性。它的導(dǎo)熱性能優(yōu)于碳納米管和金剛石,,且?guī)缀跬耆该�,,只吸�?.3%的光。透明、良好的導(dǎo)電特性,,使它極適合制造透明觸控屏幕,、光板、甚至是太陽能電池,。

應(yīng)用廣闊

    在電子,、航天軍工、新能源等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力,,有望引發(fā)現(xiàn)代電子科技新革命

    石墨烯“出道”雖短,,但其高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性,、極輕薄等優(yōu)勢,,使產(chǎn)業(yè)界迅速嗅到了其在電子、航天軍工,、生物,、新能源、半導(dǎo)體等領(lǐng)域可能的應(yīng)用潛力,。

    目前的電子器件工業(yè)中,,硅是主流的材料,而石墨烯的特性使其有望在很多方面代替硅,。中國科學(xué)院物理研究所研究員,、中國科學(xué)院院士高鴻鈞表示,石墨烯在未來電子器件上具有誘人的應(yīng)用前景,,被看作是石墨烯研究最可能突破,、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域,成為國際上的研究熱點(diǎn)和競爭焦點(diǎn),。

    韓國三星公司是石墨烯研究的最大投資者之一,。2010年,韓國三星公司和成均館大學(xué)的研究人員在一個(gè)63厘米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上,,成功制備出電視機(jī)大小的純石墨烯,,并用該石墨烯制造了柔性觸摸屏。這是石墨烯在柔性電子應(yīng)用上的首次成功嘗試,。

    高鴻鈞說,,三星公司的成果展示了石墨烯在未來柔性電子上廣泛應(yīng)用的可能性,很大程度上影響了當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的歸屬,。

    在能源領(lǐng)域,,石墨烯有望在超級電容器和鋰離子電池發(fā)展上一展抱負(fù)。超級電容器是一個(gè)高效存儲和傳遞能量的體系,,而石墨烯擁有大的比表面積,、規(guī)范的多孔結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性,使其成為最有潛力的電極材料,。據(jù)悉,,美國科學(xué)家在今年上半年研發(fā)出一種以石墨烯技術(shù)為基礎(chǔ)的“超級電容器”,其充電速率遠(yuǎn)高于普通電池,,一部iPhone手機(jī)充滿電僅需5秒鐘,。而用石墨烯制備的鋰離子電池,在增加電極儲能的同時(shí),,可以減少鋰離子的擴(kuò)散距離,,提高鋰電池的充放電效率和穩(wěn)定性。

    石墨烯在食品加工等生物領(lǐng)域也有用武之地,�,?蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無法生長,而人類細(xì)胞卻不會受損,,人們可以利用這一特點(diǎn)做繃帶,、食品包裝等。

產(chǎn)業(yè)瓶頸

    如何大規(guī)模制備高質(zhì)量,、大尺寸,、低成本的石墨烯是產(chǎn)業(yè)化亟待解決的問題

    盡管科學(xué)界的石墨烯研究迅速推進(jìn),也吸引了投資和關(guān)注,,但研究者對其產(chǎn)業(yè)化仍持謹(jǐn)慎態(tài)度,。

    譚平恒說,,有關(guān)石墨烯的眾多應(yīng)用研究目前多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室階段,,它的神奇性能能否完全在應(yīng)用上顯現(xiàn),還需科學(xué)家進(jìn)一步分析和測試,。

    產(chǎn)業(yè)界多數(shù)企業(yè)還處于嘗試性探索階段,。一個(gè)重要瓶頸是,產(chǎn)業(yè)化所需的高質(zhì)量,、大尺寸,、低成本的石墨烯制備方式并不成熟。

    諾獎(jiǎng)獲得者海姆和諾沃肖洛夫得到石墨烯的方式,,被稱之為微機(jī)械剝離法,,這一方式至今仍是實(shí)驗(yàn)室獲取石墨烯進(jìn)行基礎(chǔ)研究的重要手段。譚平恒說,,該方法得到的石墨烯質(zhì)量高,,但尺寸較小,且極費(fèi)人工,、成本很高,。在石墨烯研究初期,微機(jī)械剝離制備的1平方微米石墨烯的價(jià)格甚至達(dá)到一歐元左右。

    其它方法,,如化學(xué)氣相沉積法,,雖然可以制備出大面積的石墨烯,但質(zhì)量仍有待提高,,且工藝較為復(fù)雜,;溶劑剝離法可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的大批量制備,但含有較多的缺陷,。

    2009年,,高鴻鈞團(tuán)隊(duì)在金屬釕單晶表面獲得高質(zhì)量大面積的單晶石墨烯材料,取得了制備法的重大突破,。但高鴻鈞認(rèn)為,,石墨烯并不能取代硅,在某些方面,,或許可以取代硅的部分功能,。他說,硅材料發(fā)展已有數(shù)十年歷史,,應(yīng)用成熟,,不是一個(gè)新材料在短時(shí)間內(nèi)可以替代或超越的。

    譚平恒說,,上世紀(jì)90年代,,碳納米管憑借其優(yōu)異的光電性能,成為碳納米材料家族的明星,,正是因?yàn)槠湟?guī)�,;I(yè)應(yīng)用的困難,一直沒能達(dá)到人們的期望,。

    在石墨烯的某些應(yīng)用中,,需要將其轉(zhuǎn)移到合適的襯底上,而與襯底的相互作用可能會造成石墨烯性能的部分改變,。

    “石墨烯要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,,不僅要解決如何制備出高質(zhì)量和大面積的材料,還需要解決石墨烯在器件集成方面的一些關(guān)鍵問題,�,!弊T平恒說,當(dāng)前兩者均沒有得到很好的解決,。

新聞鏈接

國外產(chǎn)業(yè)化介入較早 我國應(yīng)用相對薄弱

    中國科學(xué)院物理研究所研究員,、中國科學(xué)院院士高鴻鈞介紹,對石墨烯的研究,,我國起步雖相對較晚,,研究跟進(jìn)卻很快,。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國在國際權(quán)威期刊上發(fā)表的與石墨烯相關(guān)論文已經(jīng)居世界第一,。

    “但我們存在兩個(gè)不足,。首先,雖然研究群體大,、成果多,,但突出性、原創(chuàng)性成果較少,,我們采用他人成熟的方法,,始終處于落后位置,重大創(chuàng)新十分有限,,因此要在材料制備方法上尋求突破,;此外,主要集中在基礎(chǔ)研究,,產(chǎn)業(yè)應(yīng)用相對薄弱,。”高鴻鈞說,,歐洲,、美國、韓國等國企業(yè)介入比較早,,成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化也走在世界前列,。

    據(jù)介紹,,歐盟委員會今年初宣布,,“神奇的材料石墨烯”研究被列入“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”,,未來10年內(nèi)將分別獲得10億歐元的經(jīng)費(fèi),。

    該旗艦項(xiàng)目的使命,是讓石墨烯從實(shí)驗(yàn)室走向社會,,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長并創(chuàng)造新就業(yè),,吸引了包括海姆和諾沃肖洛夫在內(nèi)的三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者,以石墨烯的制備為核心,,重點(diǎn)關(guān)注在信息通訊技術(shù)和交通等領(lǐng)域的應(yīng)用。

    韓國三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏,。2012至2018年間,,韓國原知識經(jīng)濟(jì)部預(yù)計(jì)將向石墨烯領(lǐng)域提供2.5億美元的資助,其中1.24億美元用于石墨烯技術(shù)研發(fā),,1.26億美元用于石墨烯商業(yè)化應(yīng)用研究,。

    數(shù)據(jù)顯示,2013年全球?qū)κ謾C(jī)觸摸屏的需求量大概在9.65億片,,產(chǎn)值超過130億美元,。到2015年,,平板電腦對大尺寸觸摸屏的需求也將達(dá)到2.3億片。這都為石墨烯的應(yīng)用提供了誘人前景,。

    2011年,,美國IBM已經(jīng)研制出了世界首款由石墨烯圓片制成的集成電路,把石墨烯計(jì)算機(jī)芯片推進(jìn)了一大步,。

    高鴻均表示,,我國在重視石墨烯基礎(chǔ)研究的同時(shí),還需要加強(qiáng)石墨烯的應(yīng)用基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化研究,。簡單重復(fù)國外的應(yīng)用研究,,未來可能在專利方面受制于人。他建議,,石墨烯的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究應(yīng)該齊頭并進(jìn),,不可偏廢。在進(jìn)一步加深對其物理特性深入研究以獲得突出原創(chuàng)性成果的同時(shí),,也要加強(qiáng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化探索方面的研究,。
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