石墨烯:讓“二維”結(jié)構(gòu)材料從想象變?yōu)楝F(xiàn)實
人們對石墨并不陌生,,石墨是由碳元素組成。在電子顯微鏡下,,可以發(fā)現(xiàn)石墨的結(jié)構(gòu)是層狀的,,每一層的碳原子都排列成緊密的蜂窩狀六邊形網(wǎng)格,而層與層之間的距離較大,,層間作用力較弱,,很容易互相剝離,形成薄薄的石墨片,。鉛筆之所以在紙上輕輕一劃就會留下痕跡,,正是這種松散堆砌的結(jié)果。從狹義上來說,,石墨烯指單層的石墨,;從廣義上來說,層數(shù)小于10層的石墨都可稱為石墨烯,。
其實,,很早以前就有人想到,如果將石墨一層層剝離,,最后能不能得到只由單層原子組成的“二維”石墨片,?1987年,有人正式給這種理想中的“二維”石墨片取了個名字——石墨烯,。直到21世紀(jì)初,,最薄的石墨片也只到幾十層原子的水平。更糟糕的是,,早在20世紀(jì)30年代,,著名俄國物理學(xué)家朗道等人就已證明,,二維材料的熱運動漲落會破壞自身的結(jié)構(gòu),實驗上制備石墨烯的種種失敗嘗試似乎也佐證了這一結(jié)論,。因此,,制備石墨烯曾被很多人認(rèn)為是注定無法成功的事情。而海姆和諾沃肖洛夫團隊偶然發(fā)現(xiàn)了一種十分簡單的方法:他們用透明膠帶粘住石墨層的兩個面,,然后撕開,,使之分為兩片。不斷重復(fù)這一過程,,就可得到越來越薄的石墨薄片,其中部分樣品僅由一層碳原子構(gòu)成——他們制得了石墨烯,。
2004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,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,,證實它可以單獨存在,。僅僅6年之后,兩人便因此共同獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎,。一個成果從完成到獲諾獎,,僅僅間隔6年時間,絕對十分罕見,,這也從一個側(cè)面說明了這個工作的受關(guān)注程度,。的確,石墨烯出現(xiàn)以來,,科學(xué)家們很快就發(fā)現(xiàn)了這種材料擁有的各種各樣神奇性質(zhì),,各方面對它的研發(fā)投入了極大興趣。有科學(xué)家甚至預(yù)言,,石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”,。
石墨烯的神奇特性可顛覆日常經(jīng)驗
石墨烯是世界上第一個二維材料,具有許多獨特的或超過其他材料的優(yōu)異性能,。它具有優(yōu)越的機械剛度,、強度、彈性,、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,,并具有光敏感性、化學(xué)惰性和不透氣性,。單一材料上擁有的這些特性使石墨烯成為光電子學(xué),、柔性電子器件、生物電子器件,、能量儲存和超濾等領(lǐng)域潛在的顛覆性技術(shù),。
在力學(xué)性質(zhì)方面,石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌,當(dāng)施加外部機械力時,,碳原子面就彎曲變形,,從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力,也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,�,?茖W(xué)家已經(jīng)證實石墨烯是目前世界上已知的強度最高的材料,比鉆石還堅硬,,是世界上最好的鋼鐵強度的100多倍,。瑞典皇家科學(xué)院在頒發(fā)2010年諾貝爾物理學(xué)獎時曾這樣比喻:“利用單層石墨烯制作的吊床可以承載一只4千克的兔子”。有人這樣引申說,,由于石墨烯厚度只有單層原子,,透光率高達97.7%,因此如果真有那樣的吊床,,它不僅對于肉眼,,甚至對于很多儀器來說都是不可見的,我們看到的將是一只懸停在半空中的兔子,。還有估算顯示,,如果重疊石墨烯薄片,使其厚度與食品保鮮膜相同的話,,便可承載2噸重的汽車,。
在熱電性質(zhì)方面,在石墨烯的“二維世界”里,,電子運動具有很奇特的性質(zhì),,即電子的質(zhì)量仿佛是不存在的,其傳導(dǎo)速度可達光速的1/300,,遠遠超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度,。加上石墨烯結(jié)構(gòu)在常溫下的高度完美性,使得電子的傳輸及對外場的反應(yīng)都超級迅速,,這使得石墨烯具有超常的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,。更重要的是,石墨烯還可用來制作晶體管,,由于石墨烯結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定性,,這種晶體管在接近單個原子的線度上依然能穩(wěn)定地工作。很多人相信,,石墨烯將會成為硅的接班人,,引領(lǐng)技術(shù)領(lǐng)域一個新的微縮時代的來臨。
石墨烯除了具有超高的強度和韌性外,,還有不透水,、不透氣以及抵御強酸,、強堿的能力,這使它有可能成為制作保護膜的理想材料,。而且,,石墨烯既能導(dǎo)電又高度透明的特點,則使它有可能在制作液晶顯示屏,、觸摸顯示屏,、太陽能電池板等領(lǐng)域大顯身手。為了與時俱進,,支持未來的國防現(xiàn)代化建設(shè),,實現(xiàn)靈活移動、快速反應(yīng),、安全隱蔽的軍事,、宇航通信,滿足21世紀(jì)新的和平事業(yè)和世界局勢發(fā)展需要,,研制石墨烯超高頻低噪聲器件顯得異常必要。
石墨烯的應(yīng)用:前途光明,、道路曲折
其實就在2012年,,因石墨烯而獲得諾貝爾獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫和他的同事曾經(jīng)在《自然》上發(fā)表文章討論石墨烯的未來,兩年來的發(fā)展基本證明了他們的預(yù)測,。他們認(rèn)為作為一種材料,,石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”,,雖然將來它也許能發(fā)揮重大作用,,但在克服幾個重大困難之前,這一場景還不會到來,。更重要的是,,考慮到產(chǎn)業(yè)更新的巨大成本,石墨烯的好處可能不足以讓它簡單地取代現(xiàn)有的設(shè)備——它的真正前景,,或許在于為它的獨到特性量身定做的全新應(yīng)用場合,。
許多項研究向人們展示了石墨烯的驚人特征,但有一個陷阱,,這些美妙的特性對樣品質(zhì)量要求非常高,。要想獲得電學(xué)和機械性能都最佳的石墨烯樣品,需要最費時費力費錢的手段:機械剝離法——用膠帶粘到石墨上,,手工把石墨烯剝下來,。所需的設(shè)備和技術(shù)含量看起來很低,但問題是成功率更低,。要論產(chǎn)業(yè)化,,這手段毫無用途�,,F(xiàn)在我們有了很多其他方法,能增加產(chǎn)量,、降低成本,,但這些辦法又無法保證產(chǎn)品質(zhì)量,迄今為止還沒有能適合工業(yè)化大規(guī)模推廣生產(chǎn)的技術(shù),。
石墨烯一個有前景的方向是顯示設(shè)備——觸屏,、電子紙等。目前而言,,石墨烯和金屬電極的接觸點電阻很難對付�,,F(xiàn)代電子產(chǎn)品全部是建立在半導(dǎo)體晶體管之上,而它有一個關(guān)鍵屬性稱為“帶隙”:電子導(dǎo)電能帶和非導(dǎo)電能帶之間的區(qū)間,。正因為有了這個區(qū)間,,電流的流動才能有非對稱性,電路才能有開和關(guān)兩種狀態(tài)——可是,,石墨烯的導(dǎo)電性能實在太好了,,它沒有帶隙,只能開不能關(guān),。只有電線沒有邏輯電路是毫無用途的,。要想靠石墨烯創(chuàng)造未來電子產(chǎn)品,取代硅基的晶體管,,必須人工植入一個帶隙,,但簡單植入又會使石墨烯喪失它的獨特屬性。雖然目前針對這個領(lǐng)域的研究不少,,但諾沃肖洛夫等人認(rèn)為這個問題要真正解決,,還要至少十年。
石墨烯產(chǎn)業(yè)還有一個意想不到的麻煩:污染,。石墨烯產(chǎn)業(yè)目前最成熟的產(chǎn)品之一是所謂“氧化石墨烯納米顆�,!保鼙阋�,,雖不能用來做電池,、可彎折觸屏等高端領(lǐng)域,作為電子紙等用途相當(dāng)不錯,;可其對人體很可能是有毒的,,并且研究者發(fā)現(xiàn)它在地表水里非常穩(wěn)定、極易擴散,。雖然現(xiàn)在對它的環(huán)境影響下斷言還為時太早,,但這的確是個潛在問題。
喜憂參半,,石墨烯的發(fā)展前景尚不明朗
盡管石墨烯有一些早期應(yīng)用,,但其尚未標(biāo)準(zhǔn)化,,產(chǎn)業(yè)界無法保證材料質(zhì)量和性能,石墨烯也難以充分發(fā)揮潛力,。盡管達到國際標(biāo)準(zhǔn)在任何領(lǐng)域都是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素,,這個過程可能需要許多年才得以實現(xiàn)。英國國家物理實驗室(NPL)和曼徹斯特大學(xué)正在試圖解決標(biāo)準(zhǔn)化差距,,同時加快開發(fā)石墨烯使能技術(shù),,通過對石墨烯材料的準(zhǔn)確計量和表征,以增強對石墨烯性質(zhì)和能力的理解,,從而以可靠和可重復(fù)的方式生產(chǎn)石墨烯,。
NPL項目主任Robin Hart說:“石墨烯以其驚人的特性,將有能力完全改變整個行業(yè),。在供應(yīng)鏈的不同階段,,消費者和制造商必須確信會得到哪些優(yōu)惠條件。在開發(fā)和生產(chǎn)階段引入計量環(huán)節(jié)將極大提高效率,,確保政府和企業(yè)在石墨烯技術(shù)中的投資以最有效的方式使用,。曼徹斯特大學(xué)是公認(rèn)的石墨烯研發(fā)之家,通過與他們合作加快石墨烯研究商業(yè)化,,我們可以收獲石墨烯帶來的更快的產(chǎn)業(yè)效益和社會效益,。”
作為工業(yè)技術(shù),,石墨烯還有許多未能克服的困難,。諾沃肖洛夫指出,,目前石墨烯的應(yīng)用還受限于材料生產(chǎn),,那些使用最低級最廉價石墨烯的產(chǎn)品會最先面世,可能只需幾年,;但那些依賴于高純度石墨烯的產(chǎn)品可能還要數(shù)十年才能開發(fā)出來,。對于它能否取代現(xiàn)有的生產(chǎn)線,諾沃肖洛夫心存疑慮,。另一方面,,如果商業(yè)領(lǐng)域過度夸大其神奇之處,可能會導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)業(yè)變成泡沫,;一旦破裂,,那么也許技術(shù)和工業(yè)的進展也無法拯救它。
科學(xué)作者菲利普·巴爾曾經(jīng)在《衛(wèi)報》上撰文《不要期望石墨烯帶來奇跡》,,指出所有的材料都有其適用范圍:鋼堅硬而沉重,,木頭輕便但易腐,就算看似“萬能”的塑料其實也是種種大相徑庭的高分子各顯神通,。石墨烯一定會發(fā)揮巨大的作用,,但沒有理由認(rèn)為它能成為奇跡材料,、改變整個世界�,;蛘�,,用諾沃肖洛夫自己的話說:“石墨烯的真正潛能只有在全新的應(yīng)用領(lǐng)域里才能充分展現(xiàn):那些設(shè)計時就充分考慮了這一材料特性的產(chǎn)品,而不是用來替代現(xiàn)有產(chǎn)品里的其他材料,�,!�