鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2018年12月23日
石墨烯到底是什么
“超級材料”這個詞近來被大量的使用——陶瓷超級材料,氣凝膠超級材料,彈性體超級材料。但是有一種超級材料把它們都淹沒了,它讓它的發現者獲得了諾貝爾獎,并為科學的炒作和興奮定義了上限。它有可能使處理、電力儲存、甚至太空探索發生革命性的變化……但它還沒有真正實現任何目標。它被稱為石墨烯,它是現代材料科學熱潮的鼻祖。石墨烯有可能成為有史以來最具顛覆性的單一發明之一,但它到底是什么呢?
石墨烯是由單層碳原子排列成六邊形晶格的一種異形體(形式)。它是碳的許多其他異形體的基本結構元素,如石墨、鉆石、碳、碳納米管和富勒烯。
石墨烯有許多不同尋常的性質,它能有效地傳導熱量和電,它的導電性也非常高,而且幾乎是透明的。它不僅具有令人難以置信的物理特性,還被廣泛引用為每一重量基礎上創造的最堅固的材料。例如,石墨烯在原子小的情況下,可以使處理器中的晶體管更加緊密地封裝,并允許許多電子行業向前邁進一大步。
石墨烯令人難以置信的物理特性實際上在各種思想實驗中被應用。如果它能在至少一米長的線程中被制造出來,一些科學家相信這些石墨烯可以被編織在一起,從而使它既足夠堅固又足夠柔韌,可以成為太空電梯的支柱。這種單一的柔性,編織的碳將從地球表面延伸到地球同步軌道之外。如果石墨烯制造能夠自己發展起來的話,這類科幻發明將成為可能。
石墨烯對于各種各樣的領域來說都是革命性的。
在生物工程領域,科學家們希望利用石墨烯的小尺寸來穿透細胞壁,這可能會使研究人員選擇一個分子。石墨烯還可用于制造一種超細、反生物的水過濾器,用于快速過濾潛在危險的飲用水。它可以簡單地讓設計和建筑規模比以往任何時候都小,石墨烯的低電阻可以使太陽能電池板技術更加節能,但光子中所含的能量不足以激活石墨烯晶體管。由于石墨烯缺乏耐藥性,而且它的填充能力如此之強,能夠很快地大幅提高能源產量,因此石墨烯與污染物的“摻雜”增加其吸收能力一直是研究的主要來源。然而,就像所有的石墨烯一樣,我們將不得不拭目以待'
石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料,是碳的二維結構。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米,把20萬片薄膜疊加到一起,也只有一根頭發絲那么厚。它是2004年由曼徹斯特大學的科斯提亞諾沃謝夫和安德烈蓋姆小組首先發現的。石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種,還非常牢固堅硬;作為單質,它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯在原子尺度上結構非常特殊,必須用相對論量子物理學才能描繪。石墨烯結構非常穩定,迄今為止,研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌,當施加外部機械力時,碳原子面就彎曲變形,從而使碳原子不必重新排列來適應外力,也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強,在常溫下,即使周圍碳原子發生擠撞,石墨氈石墨烯中電子受到的干擾也非常小。
石墨烯(Graphene)是一種二維晶體,由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性,在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景,被認為是一種未來革命性的材料。
石墨烯的結構
毋庸置疑,石墨烯是繼納米碳管、富勒烯球后的又一重大發現,石墨是三維(或立體)的層狀結構,石墨晶體中層與層之間相隔340pm,距離較大,是以范德華力結合起來的,即層與層之間屬于分子晶體。
但是,由于同一平面層上的碳原子間結合很強,極難破壞,所以石墨的溶點也很高,化學性質也穩定,其中一層就是石墨烯。
石墨烯是由單層碳原子組成的六方蜂巢狀二維結構,它可以包裹起來形成零維的富勒烯(Fullerene,又譯作福樂烯),又名巴基球或巴克球(Buckyball,其他名稱還有球碳與芙,是繼金剛石和石墨之后于1985年發現的碳元素的第三種晶體形態。
卷起來形成一維的納米碳管(CarbonNanotube是具有石墨結構、并按一定規則卷曲形成納米級管狀結構的孔材料),層層堆積形成三維的石墨。
石墨烯的特點
純凈的石墨烯是一種只有一個原子厚的結晶體,具有超薄、超堅固和超強導電性能等特性,石墨烯具有優異的電學、熱學和力學性能,這些特點可以幫助石墨烯在高性能納米電子器件、復合材料、場發射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。
科學界認為石墨烯極有可能憑借無與倫比的特點和優勢取代硅而成為未來的半導體材料,具有非常廣闊的應用前景。
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