石墨烯的神奇：剛?cè)岵?jì) 超群拔類
時間:2015-05-13 14:17來源:科技日報 作者:火 凡
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如果你讀過很多科學(xué)和技術(shù)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(gòu)成，卻實(shí)實(shí)在在地?fù)碛凶罡呒墑e的電子、光學(xué)、力學(xué)性能。
將石墨烯應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中的設(shè)想雖然目前還不切實(shí)際，但這種材料在柔性電子顯示屏、高能電池和其他產(chǎn)品中很可能成為關(guān)鍵組件。
比硅導(dǎo)電更快，但暫時難成“石墨烯半導(dǎo)體”
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)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(xì)小的石墨剝掉，直到僅剩下單個原子厚度的碳網(wǎng)格。這個成果讓二人獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯很詭異。它陳列出一種被稱作“沖猾導(dǎo)”的狀態(tài)，電荷可以不受阻礙地穿越它，穿越速度比現(xiàn)今廣泛應(yīng)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(jì)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(dǎo)體，這意味著它很難從導(dǎo)電狀態(tài)切換到絕緣狀態(tài)，如果沒有強(qiáng)大的切換功能，石墨烯開關(guān)就無法在數(shù)字邏輯中取代硅。
石墨烯的電性能可能更適合應(yīng)用于電信行業(yè)的模擬電路中。2011年IBM就證明了在電信應(yīng)用中使用超快石墨烯電路的可行性。
堅(jiān)硬且富彈性，適用可穿戴設(shè)備和電信線路
石墨烯的最佳屬性當(dāng)屬機(jī)械性能，它既靈活又富有彈性。
2008年，美國哥倫比亞大學(xué)的研究表明，石墨烯是目前測試過的材料中最堅(jiān)硬的。美國得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的雷·鮑曼領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直致力于將集合了堅(jiān)硬、靈活和高導(dǎo)電性于一體的石墨烯材料應(yīng)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(jié)合起來后成為可穿戴設(shè)備的電子器件。
2013年，石墨烯商業(yè)化應(yīng)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(zhì)量小薄片石墨烯的時代。得克薩斯大學(xué)羅德尼·羅奧夫帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，在一大片區(qū)域上生成了高質(zhì)量的石墨烯，方法是在受控條件非常精細(xì)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?yàn)橹挥懈哔|(zhì)量的石墨烯才能呈現(xiàn)出沖猾導(dǎo)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(jiān)固耐用且靈活的電信線路。這些設(shè)備堅(jiān)硬到足可以被一輛汽車碾過且經(jīng)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(diǎn)，他正在與康寧公司和3M公司合作，爭取實(shí)現(xiàn)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)。
與電極相“依偎”，可提升電池和觸屏性能
距離商業(yè)化較近的應(yīng)用是利用石墨烯的導(dǎo)電性和力學(xué)強(qiáng)度來生產(chǎn)電極材料。例如，它可以替代氧化銦錫，被用來生產(chǎn)透明導(dǎo)電電極，應(yīng)用于觸摸屏顯示器。2014年9月，英國劍橋石墨烯研發(fā)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(yuǎn)，且機(jī)械穩(wěn)定性更加優(yōu)異。2011年，美國加利福尼亞大學(xué)的研究人員用石墨烯像三明治結(jié)構(gòu)那樣將電池電極夾住并穩(wěn)定下來。其中一位名為張躍剛的研究人員將其實(shí)驗(yàn)室搬回中國，以希望更快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，2014年，他在中國科學(xué)院的團(tuán)隊(duì)證明了石墨烯可以夾住并固定硫電極。
加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校的研究人員正在探索新的石墨烯應(yīng)用，如石墨烯是否能被用在充電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電池、蓄電能力也更加強(qiáng)大的新型電容器中。
石墨烯被發(fā)現(xiàn)距今僅11年，卻引起了一浪高過一浪的研發(fā)熱潮，這在材料科學(xué)發(fā)展歷史中比較罕見。雖然科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界就此充分展開想象力的翅膀，但麻省理工學(xué)院《科技評論》的觀點(diǎn)認(rèn)為：“實(shí)際應(yīng)用真的來了，但速度很慢。”
(責(zé)任編輯：王杰)
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