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石墨烯:硬超钻石软如橡胶的史上最薄材料(图)

发表时间:2016-09-23 21:47:26来源:阅读:
石墨烯:硬超钻石软如橡胶的史上最薄材料(图), 石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆(Andre Geim)和康斯坦丁诺沃

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov),成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。并且石墨烯在自然界也有产出,2014年在中国由一颗碳质球粒陨石中,发现存在希格斯粒子场的能效机制,在此之中就发现了由碳原子碳晶体自组装的弯曲纳米石墨烯,显为碳原子的电子圈量子的能效形成天然的石墨烯。中国发现的这颗碳原子“石墨烯”使人们得以看见石墨烯的成长基理,意义重大。

 

 

石墨烯是一种“超级材料”,硬度超过钻石,同时又像橡胶一样可以伸展。它的导电和导热性能超过任何铜线,重量几乎为零。随着这种令人惊叹的新材料投入使用,我们生活的方方面面都将发生革命性改变。怀疑论者指出,碳纤维等绝大多数新材料在发明后需要20年时间才能投入商业使用,石墨烯也不例外。现在,科学家已经踏上伟大的石墨烯革命之路,但这条道路也充满不确定性。

性能高 成本低

一些研究人员表示石墨烯是继100多年前首次人工合成塑料之后研发的最重要的新材料。如果这种拥有超强性能的新材料投入使用,研制可以弯曲并放在耳后的手机将不再是一种梦想,高清晰电视的厚度也将只有壁纸那么厚,电子报纸也将变得可弯曲,让读者可以将其放在狭小的空间里。石墨烯能够让医药界发生革命性改变,能够取代硅,成为制造电脑芯片的原材料。

7年前,英国发现了这种神奇的材料。2010年,曼彻斯特大学的两位科学家凭借在石墨烯研究方面取得的成就荣获诺贝尔物理学奖。本周,英国财政大臣乔治-欧斯本承诺拿出5000万英镑(约合7778万美元),研发基于这种超坚固材料的技术。在经济学方面,石墨烯最令人兴奋的特性莫过于较低的成本。通常情况下,科学家研发一种新型材料时成本都高的惊人。石墨烯采用对石墨进行化学处理的方式制造。石墨是铅笔中“铅”的原材料,造价很低。每隔几个月,研究人员都会研发出大规模生产石墨烯的新方式,进一步降低成本。一些专家表示石墨烯的生产成本能够降至低于每磅4英镑(约合每453克6美元)。

石墨烯能够成为21世纪堪称奇迹的新材料吗?拥有诸多特性的石墨烯化学结构非常简单,简单的令人感到不可思议。一片石墨烯就是一层碳原子,它们紧密结合在一起,形成蜂巢图案。石墨烯是迄今为止研发的最薄材料。300万片石墨烯堆叠在一起的厚度也不过1毫米。此外,它也是人类已知的最坚固材料,强度是刚的200倍,硬度是钻石的数倍。

史上最薄的材料

一片石墨烯能够承受相当于一头大象的重量。计算结果显示,一头大象需要站在铅笔的末端,才能凭借体重刺破石墨烯片。除了强度极高外,石墨烯也拥有惊人的柔软性,可在不出现破损的情况下伸展20%。此外,这种材料的导电性也远远高于铜(通常用于生产电线),同时也是地球上导热性能最高的材料。

石墨烯由石墨制成,后者是一种灰色矿物,储量极高,主要产自智利、印度和加拿大等国。铅笔芯由数百万层石墨烯构成。这些层松散地结合在一起,这也就是为什么铅笔划过纸面时,石墨烯会脱落。2004年,康斯坦丁-诺沃肖罗夫教授和安德鲁-盖姆教授首次分离出石墨烯。他们利用胶带剥离石墨上的薄层,而后将其放在硅片上并借助显微镜进行观察以进行确认。

诺沃肖罗夫教授出生于俄罗斯,现年37岁。他认为石墨烯能够让从电子学到电脑的一系列领域发生革命性改变。他说:“我不认为石墨烯的潜力被夸大。凭借简单的结构——可能是世界上最薄的物质——以及大量独特的特性,这种新材料吸引了很多人的目光。石墨烯拥有数百种独一无二的特性,优于其他材料。由于只有一个原子那么厚,这种材料透明度极高。具有导电性能的透明材料并不多。”

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