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石墨烯的神奇:剛柔并濟超群拔類
石墨烯的神奇:剛柔并濟超群拔類
中科院物理所     阅读简体中文版

[導讀] 如果你讀過很多科學和技術新聞,可能對這個說法印象深刻——石墨烯對什么都有好處。石墨烯由僅有一個原子那么薄的碳構成,卻實實在在地擁有最高級別的電子、光學、力學性能。


石墨烯的神奇:剛柔并濟 超群拔類
——石墨烯商業應用大潮正慢慢來臨



   如果你讀過很多科學和技術新聞,可能對這個說法印象深刻——石墨烯對什么都有好處。石墨烯由僅有一個原子那么薄的碳構成,卻實實在在地擁有最高級別的電子、光學、力學性能。
   將石墨烯應用在計算機中的設想雖然目前還不切實際,但這種材料在柔性電子顯示屏、高能電池和其他產品中很可能成為關鍵組件。
   

比硅導電更快,但暫時難成“石墨烯半導體”
   2004年,英國曼徹斯特大學研究人員安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,第一次分離出石墨烯并測試了它的電性能。他們用一種特殊膠帶一層一層地將破碎細小的石墨剝掉,直到僅剩下單個原子厚度的碳網格。這個成果讓二人獲得2010年諾貝爾物理學獎。
   石墨烯很詭異。它陳列出一種被稱作“沖猾導”的狀態,電荷可以不受阻礙地穿越它,穿越速度比現今廣泛應用于集成電路中的硅材料要快得多。
   一開始,研究人員對于石墨烯計算的可能性感到異常興奮。但是不要指望在未來你的筆記本電腦里能找到一個石墨烯處理器。石墨烯并不是半導體,這意味著它很難從導電狀態切換到絕緣狀態,如果沒有強大的切換功能,石墨烯開關就無法在數字邏輯中取代硅。
   石墨烯的電性能可能更適合應用于電信行業的模擬電路中。2011年IBM就證明了在電信應用中使用超快石墨烯電路的可行性。


堅硬且富彈性,適用可穿戴設備和電信線路
   石墨烯的最佳屬性當屬機械性能,它既靈活又富有彈性。
   2008年,美國哥倫比亞大學的研究表明,石墨烯是目前測試過的材料中最堅硬的。美國得克薩斯大學達拉斯分校的雷·鮑曼領導的研究小組一直致力于將集合了堅硬、靈活和高導電性于一體的石墨烯材料應用于紡織品。石墨烯紗線可以制成人工肌肉或者與電池材料結合起來后成為可穿戴設備的電子器件。
   2013年,石墨烯商業化應用的一個重要里程碑來了,它超越了用所謂的膠帶方法制備高質量小薄片石墨烯的時代。得克薩斯大學羅德尼·羅奧夫帶領的研究團隊,在一大片區域上生成了高質量的石墨烯,方法是在受控條件非常精細的銅片上通過一種氣相沉積法將碳沉降其上并形成石墨烯。
   這非常重要,因為只有高質量的石墨烯才能呈現出沖猾導的性能。2014年,三星公司證明了石墨烯也能在另一種叫做鍺材料的表面生成。
   羅奧夫的另一些同事則致力于將石墨烯生長成能制作堅固耐用且靈活的電信線路。這些設備堅硬到足可以被一輛汽車碾過且經受得住在水中浸泡。德吉·愛晉旺德在一篇論文中證明了這一點,他正在與康寧公司和3M公司合作,爭取實現石墨烯的大規模生產。

   

與電極相“依偎”,可提升電池和觸屏性能
   距離商業化較近的應用是利用石墨烯的導電性和力學強度來生產電極材料。例如,它可以替代氧化銦錫,被用來生產透明導電電極,應用于觸摸屏顯示器。2014年9月,英國劍橋石墨烯研發中心和電子公司Plastic Logic共同展示了一種用石墨烯電極制成的柔性顯示屏。
   加入石墨烯電極能制成高能電池,能讓電動汽車行駛路程更遠,且機械穩定性更加優異。2011年,美國加利福尼亞大學的研究人員用石墨烯像三明治結構那樣將電池電極夾住并穩定下來。其中一位名為張躍剛的研究人員將其實驗室搬回中國,以希望更快實現產業化,2014年,他在中國科學院的團隊證明了石墨烯可以夾住并固定硫電極。
   加利福尼亞大學洛杉磯分校的研究人員正在探索新的石墨烯應用,如石墨烯是否能被用在充電速度遠遠超過電池、蓄電能力也更加強大的新型電容器中。
   石墨烯被發現距今僅11年,卻引起了一浪高過一浪的研發熱潮,這在材料科學發展歷史中比較罕見。雖然科學家和產業界就此充分展開想象力的翅膀,但麻省理工學院《科技評論》的觀點認為:“實際應用真的來了,但速度很慢。”


文:房琳琳

來源:中國科技網-科技日報

2015-08-23 08:55

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