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登录日期:2014-08-03 【编辑录入:lrylry】 文章出处:《文汇报》2014年8月3日第6版

“奇迹材料”石墨烯
作者:本报记者 张晓鸣  阅读次数:6057

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  忘记塑料吧,石墨烯才是未来,它可以变革电子行业,催生灵活多变的设备、超动力的量子计算机、电子服装及可与身体细胞交流的计算机。

 

  石墨烯(Graphene)是由单层碳原子构成的六角形,呈蜂窝晶格的一层透明薄膜,是世界上为数不多同时具备“透明、导电和柔性”三大属性的材料,这三种属性很少能在同一个材料上出现,因此它又被称为“奇迹材料”。十年前,石墨烯还不太为人所知,如今,它的巨大潜力引发了无限的遐想。

  我们在日常生活中常常会用到石墨,例如铅笔芯;然而,从中分离出来的石墨烯,却像是科幻电影里取出来的那般神奇。这项从铅笔芯中得来的发现,为它的发现者带来了诺贝尔物理学奖,而按照《纽约时报》的说法,石墨烯“具备颠覆当前所有电子设备的潜质,是材料的未来和电子行业的救命稻草”。
  
透明胶带粘出的发现

  2004年,物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫正在一张涂满铅笔笔迹的纸上,用透明胶带粘来粘去。

  这两个人偶然意识到,他们可以强行将性状类似铅笔芯的石墨分离成较小的碎片,从碎片中剥离出较薄的石墨薄片,然后利用普通胶带粘住薄片的两侧,撕开胶带,在不断重复这一过程中得到越来越薄的石墨薄片,最后制成由一层碳原子构成的石墨烯。

  靠这种“粘取”,他们剥离出了石墨烯,随后发现,石墨烯原子所独具的、像一张铁丝网似的六角形阵列排列方式,有潜力成为新型材料。它由碳原子以特殊结构排列而成,比其他任何材料都具备更好的导热、导电特性。更令人称奇的是,它不仅是世界上最硬的材料,而且柔韧性也最强。

  “石墨烯是世界上为数不多同时具备透明、导电和柔性三大属性的材料。”有专家宣称,“这三种属性很少能在同一个材料上出现。”厚度只有一层碳原子的石墨烯因此被称为“奇迹材料”。

  2010年,诺贝尔物理学奖的至高荣誉由安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,因“研究二维材料石墨烯的开创性实验”而共享。评审委员会认为,它“有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破”。
  
石墨烯能做什么?

  虽然石墨烯早在10年前就被发现,然而它在2010年两位研究者获得诺贝尔物理学奖后,才真正获得关注,研究人员和大公司开始集中精力研究如何商业化生产石墨烯,与石墨烯相关的应用性研究已初现成果。

  物理学家和研究人员表示,由于石墨烯可以让电子产品的屏幕更清晰且具备柔性特质,这些产品将比以往采用硅材料的设备更薄、更快、更便宜。另外,续航时间长的电池也可具备防水性能。

  2011年,美国西北大学的研究人员以石墨烯和硅为原料制造电池,该大学表示这种电池可以让手机“电池用上一周,每次充电只需15分钟”。

  2012年,美国化学学会表示,石墨烯技术进步将使得“手机薄如纸张,能够折叠装入口袋”。媒体称研究人员正基于石墨烯研制一系列传感器,包括气体传感器、生物传感器和光传感器,它们的体型比以往更小。

  不久前,与韩国成均馆大学合作的三星尖端技术研究所的研究人员称,三星已找到在硅片上制造高质量石墨烯的方法。三星在声明中表示,这些技术进步意味着公司可以开始制造“柔性显示屏、可穿戴产品和其他下一代电子产品”。有论者指出,三星的突破最终将成为“石墨烯商业化的救命稻草”。而三星并不是唯一研究石墨烯的科技公司,IBM、诺基亚和SanDisk公司的研究人员都在尝试用石墨烯材料创造新型传感器、晶体管和存储器。

  石墨烯最大的优势是价格便宜。当今电子行业的很多产品都能利用石墨烯而变得更好、更小、更便宜。加利福尼亚大学伯克利分校的科学家去年制造了一款石墨烯扬声器,音质等同于甚至好于森海塞尔耳机,体型更小。石墨烯迷人的地方还在于,它可浸入液体不被氧化,这一点与其他导电材料完全不同。研究者表示,石墨烯研究正在向让电子产品与生物系统融合的方向转变。换句话说,未来石墨烯产品可以植入你的身体中,读取神经系统信息或同细胞对话。
  
取代无所不在的硅

  目前来看,取代无所不在的硅,是石墨烯最具商业前景的用途。

  传统的集成电路晶体管是由硅制成的,著名的摩尔定律在上世纪70年代预言,晶体管的性能每两年就能提高一倍。但近年来这一著名预言却遭到科学家们越来越多的质疑,因为晶体管的尺寸不断缩小,集成度越来越接近它的物理极限。晶体管的微型化造成的元件升温,也使其性能大打折扣--电子设备的温度每升高10度,寿命就会折损一半。

  而石墨烯材料制成的芯片,则有可能使元件的温度保持在较低水平,从而进一步推进电子设备的微型化。电子产业甚至认为,石墨烯日后能取代无处不在的硅,从而引发电子工业革命。

  在国外,石墨烯材料的研发受到高度重视。2013年1月,欧盟委员会宣布将石墨烯和人脑工程两大科技入选“未来新兴旗舰技术项目”,并分别设立专项研发计划,每项计划将在未来10年内分别获得10亿欧元的经费。在我国,石墨烯材料的奇异特性,也逐渐引起政府、学术界和企业界的高度重视。2012年,工业和信息化部发布《新材料产业“十二五”发展规划》,规划中的前沿新材料,就包含石墨烯;科技部也明确表态将支持石墨烯材料的研究。

  我国石墨烯领域研发起步较晚,但发展较快。2013年7月13日,中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。同时,江苏、浙江、深圳、上海、山东、福建、辽宁、重庆、黑龙江与中科院等机构以多种形式协同创新,纷纷建立了产业技术联盟,促进了创新资源优化组合和创新产业化进程。
  
有待实现的承诺

  当石墨烯真正摆到商店货架时,它们的外形和体验可能是我们从未见过的。

  自石墨烯被发现以来,研究人士一致努力开发这种材料的商业用途,如替代晶硅应用在芯片领域,制造锂离子电池负极材料以及超级电容器,制造可弯曲触摸屏等。

  如今,研究的重心转向了石墨烯与其他金属的结合应用。以太阳能研发为例,美国麻省理工学院就构想了一种新型光伏电池,由石墨烯与二硫化钼结合制成。与当下最小的光伏电池相比,这种新型光伏电池每单位体积的发电能力可高出30倍。科学家目前正在研究如何结合石墨烯与硫族化合物形成新的材料,用于制造能够发电的外涂层。

  然而,科学家眼中并没有所谓的奇迹。石墨烯的工业化也无法一蹴而就。目前,石墨稀的造价仍然较高;而且,在某些情况下,它的性能并不如硅。与此同时,它微量的毒性也还没有得到充分的考量。更关键的是,整个行业都在使用传统硅芯片和晶体管制造电子产品,大企业这些接纳石墨烯速度可能很缓慢。

  石墨烯要走的路还很长。
  
链接 奇迹材料 无处不在

  电池
  2011年,美国西北大学的研究人员以石墨烯和硅为原料制造电池,该大学表示这种电池可以让手机“电池用上一周,每次充电只需15分钟”。
  此外,特斯拉对电池技术的革新,也将引发市场对提升锂电池能量密度材料的关注。石墨烯具有高导电性和良好的柔韧性,是柔性储能器件的理想候选材料之一。石墨烯复合材料用作锂离子电池负极材料,可大幅提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能。

  超级计算机
  由于石墨烯的出现,高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了,这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。

  可穿戴设备
  与韩国成均馆大学合作的三星尖端技术研究所的研究人员称,三星已找到在硅片上制造高质量石墨烯的方法。三星在声明中表示,这些技术进步意味着公司可以开始制造“柔性显示屏、可穿戴产品和其他下一代电子产品”。

  抗菌物质
  中国科学院上海分院的科学家发现,石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,或保存食品新鲜的包装。

  安全套
  去年,比尔及梅琳达·盖茨基金会拿出10万美元奖金,奖励利用石墨烯创造出更薄、更轻和更稳固的安全套科学家。

  石墨烯感光元件
  新加坡南洋理工大学的学者,研发出了一种以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件,它可望透过其特殊结构,让感光元件感光能力比起传统CMOS或CCD要好上1000倍,而且损耗的能源也只是原来的1/10。

  传感器
  基于石墨烯研制一系列传感器,包括气体传感器、生物传感器和光传感器,它们的体型比以往更小。这种传感器可以植入你的身体中,读取神经系统信息或同细胞对话。

  海水淡化
  研究表明,石墨烯过滤器可能大幅度胜过现有的海水淡化技术。

  飞机
  以石墨烯为基础的新型材料可以减轻飞机的重量,从而减少其煤油消耗以及二氧化碳的排放。此外,氧化铟锡是飞机驾驶舱屏幕电极制造中不可或缺的一种材料,但造价十分昂贵,石墨烯有希望取而代之。

  基因电子测序
  由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹,因此,石墨烯有望实现直接的、快速、低成本的基因电子测序技术。

 

荐稿人:lry 2014-08-03   执行编辑:lry 2014-08-03   责任编辑:lxl 2014-08-10(注:本文2014-9-17自《校园文化(研究探讨)》栏转入。—wfl)  

 

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