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                                                                   第四次工业革命•石墨烯

                                                                           2019-12-23   青野云麓

自印刷机问世以来，硅半导体使计算机的发展和信息技术的最大飞跃。这些材料塑造了社会的发展，并帮助决定了哪些国家主导了国际关系。

今天，一种新材料有可能改变未来。石墨烯被称为“超级材料”，它让全世界的研究人员都在努力更好地理解它。这种材料的大量的超级特征使它看起来几乎是不可思议的，但它可能对物理和工程的未来产生非常真实和激烈的影响。

石墨烯是什么?

最简单的描述石墨烯的方法是，它是一层薄薄的石墨——用在铅笔芯上的柔软的片状材料。石墨是碳元素的一种异形体，这意味着它拥有相同的原子，但它们以不同的方式排列，赋予材料不同的性质。例如，金刚石和石墨都是碳的形式，但它们有着截然不同的性质。金刚石是非常坚硬的，而石墨是易碎的。石墨烯的原子排列成六角形排列。

有趣的是，当石墨烯从石墨中分离出来时，它具有一些神奇的特性。它仅仅是一个原子的厚度，是第一个被发现的二维材料。尽管如此，石墨烯还是已知宇宙中最强的物质之一。它的抗拉强度为130 GPa (gigapascals)，比钢强100倍。

尽管石墨烯如此之薄，但它的惊人力量已经足以让它令人惊叹，然而，它独特的特性并没有就此结束。它还具有柔性、透明、高导电性，而且对大多数气体和液体来说似乎是不透水的。似乎没有哪个领域是石墨烯不占优势的。

石墨烯的特殊性质有哪些？

1、力学性质——比钻石还要硬

从铅笔石墨中提取的石墨烯，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍，这项科学发现刊登于近期的《科学》杂志，作者是两位哥伦比亚大学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。

数据转换分析：在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。

据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

打个比方说单层石墨烯的强度，就像把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。

2、出色的电学性质——电子运输

碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。载流子迁移约等于光速.

此外，石墨烯是具有零带隙的能带结构。电阻率10-8Ω•m，比铜/银电阻率还要低。

3、光学性质和热力学特性

石墨烯只损失2.3%的透过率；理论导热系数最高，达到5300W/m•k。

4、柔韧性

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。

这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，在保证导电性的同时具备柔韧性。

潜在的应用

如果石墨烯仅仅具有众多的超级特性之一，那么它将成为对潜在用途进行深入研究的主题。从许多方面来说，石墨烯都是如此引人注目，它激发了科学家们思考各种各样的材料用途，在各种领域，如消费科技和环境科学。

石墨烯除了具有强大的电气性能外，还具有高度的柔韧性和透明度。这使得它非常适合在便携式电子设备中使用。使用石墨烯，智能手机和平板电脑可以变得更加耐用，甚至可以像纸一样折叠起来。可穿戴电子设备最近越来越受欢迎。使用石墨烯，这些设备可以变得更有用，设计成适合四肢和弯曲来适应运动。

石墨烯的灵活性和微观宽度提供了超越单纯消费设备的机会。它在生物医学研究中也很有用。小机器和传感器可以用石墨烯制成，能够在人体中轻易地、无害地移动，分析组织，甚至将药物输送到特定的区域。碳已经是人体的重要组成部分;一个小的石墨烯可能不会造成伤害。

石墨烯具有很高的导电性和透明性。因此，它在太阳能电池中具有巨大的潜力。通常情况下，太阳能电池使用硅，当光子撞击材料时，硅会产生电荷，从而破坏自由电子。硅只释放每个光子的一个电子。研究表明，石墨烯可以为每一个撞击它的光子释放多个电子。因此，石墨烯可以更好地转换太阳能，与目前硅电池所能达到的大约25%的效率相比，它的效率达到了60%。

不幸的是，这都是理论上的。目前的石墨烯电池还没有达到与硅电池同等的水平。值得庆幸的是，石墨烯太阳能电池的研究正在进行中，而且这种电池的效率正在提高。不久，更便宜、更强大的石墨烯电池将会产生大量的可再生能源。

石墨烯研究的未来

鉴于石墨烯似乎无穷无尽的优点，人们希望它能随处可见。那么，为什么石墨烯没有被广泛采用呢?和大多数事情一样，这取决于钱。石墨烯的生产成本仍然极高，限制了它在任何需要大规模生产的产品中的使用。此外，当大量的石墨烯产生时，材料中出现微小裂隙和其他缺陷的风险也会增加。无论科学发现多么令人难以置信，经济学总是会决定成功。

抛开生产问题不谈，石墨烯研究绝不是放慢脚步。世界各地的研究实验室——包括最初发现石墨烯的曼彻斯特大学——正在不断地申请专利，以创造和使用石墨烯的新方法。欧盟(eu) 2013年批准为一项旗舰项目提供资金，该项目将为石墨烯用于电子产品的研究提供资金。或许更重要的是，亚洲的许多大型科技公司正在研究石墨烯，包括移动巨头三星。随着欧盟试图在亚洲经济爆炸式增长的面前站稳脚跟，石墨烯可能成为未来几年国际政治的一个重要战场。再一次，帝国的崛起和衰落是基于对资源的控制。

观察者网：我国提出制备石墨烯新方法，有望低成本大规模生产

中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系夏维东教授研究团队与合肥碳艺科技有限公司合作，提出“利用磁分散电弧产生大面积均匀热等离子体合成石墨烯”的新方法，突破了热等离子体工艺或高能耗、或产品均匀性低和生产稳定性不足的技术瓶颈，有望实现大规模连续生产。

该研究成果近期以“Continuous synthesis of graphene nano-flakes by magnetically rotating arc at atmospheric pressure”和“The morphological transformation of carbon materials from nanospheres to graphene nanoflakes by thermal plasmas”为标题发表在《Carbon》。

研究工作探究了等离子参数、原料气体组成与纳米石墨烯形态、层数及缺陷之间的关系，同时揭示了产生高纯度石墨烯需要工艺条件。结合等离子体反应器流场温度场的数值模拟和化学反应动力学计算，提出石墨烯可能的形成机理：低碰撞频率的成核前驱体有利于形成片层（sheet-like）核心，并在富氢和高温的等离子体环境中保持平面生长。石墨烯形成机理的阐明，为产品生产控制提供了理论指导。