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石墨烯
今天我們用中學生也能懂的話,解釋什么是石墨烯!

如果你曾用過鉛筆,那你很可能制造了石墨烯,這個世界上最薄的材料在我們生活中其實無處不在。在很早期的時候就有人理論上就證明了石墨烯的存在,也有人在理論上得出了其優異的特性。從 1859 年開始,科學家就嘗試使用不同的方法提取石墨烯,無論是物理方法還是化學方式,無一成功。



直到 2004 年,曼徹斯頓大學的兩位教授安德烈·海姆(Andre Geim)和克斯特亞·諾沃肖洛夫(Kostya Novoselov)成功的將石墨烯從石墨中分離出來。在石墨烯發現以前,研究者們普遍認為單層石墨在室溫狀態是不能穩定存在的。石墨烯的出現,無疑打破了人們的這個認知。



那石墨烯到底是什么呢?
 
其實還是要從石墨說起,在義務教育階段,課本曾區分過碳的幾種空間結構,即同一種元素組成的不同物質。極具代表性的的三個物質分別是金剛石、碳60和石墨。
 

其中的石墨就是層狀結構,這個層,是由無數的碳層重疊而成的。如果把其中的一層單獨拿出來,這個單層的碳原子就是石墨烯。這個單層碳原子的結構是六邊形的蜂窩,每一個頂角都是碳原子。這樣六邊形組成在了一起就形成了一個極為穩固的平面。
 
研究者是怎么制備石墨烯的呢?
 
研究者在嘗試分離出單層石墨烯的過程中,使用了研究上常見的分離方法,如拋光、爆炸等等。常規的方法很難分離出石墨烯。在觀察石墨微粒的時候,研究者發現這個微粒接近有千層的厚度,怎么才能讓這 1000 多層都分離出來呢?海姆就用了最「土」的辦法,用膠帶粘。膠帶每粘一次,就會有一些石墨層脫落,如果把膠帶對折,就會繼續分離一部分石墨層,如此往復,總會得到單層的石墨,也就是石墨烯。




這就是科學上首次發現石墨烯的辦法,而后科學家就開始研究如何用其他的辦法合成石墨烯了。到目前為止,已經出現了好十余種石墨烯的制備方法。而從 2004 年之后,這兩位研究者也引爆了全球對石墨烯以及二維材料的熱情。
 
那么石墨烯為什么備受關注呢?
 
因為其表現的特點極為優異,就像一個在任意一門功課都遙遙領先對手的學生。


 
力學性能上,你可以把石墨烯想象成一張紙,紙張在橫向拉扯的時候,很難直接撕裂;也具有可彎折的特性。石墨烯在微觀下也是這樣的,用強度衡量的話,石墨烯的強度是鋼鐵的 200 倍,比鉆石強度還高。同時還具有柔韌性,可以彎折。導熱性能較好的金屬的導熱系數大約在 300-400W/(m·K),而單層石墨烯是它的十倍以上,超過了5000W/(m·K)。



由于石墨烯是單層碳原子組成的,單原子層的物質不透明度都很低,其對可見光的吸收率僅為2.3%,換句話說石墨烯是一種接近完全透明的存在。但是如果你有一袋石墨烯的話,那就很可能不是透明的了。就像一層紙透光,一疊紙不透光一樣。而共軛π體系帶來的電學性能更是驚人,其電子傳輸性能遠超現在的任何一種材料,電子傳輸特性就是導電能力的代名詞,換句話說,其電阻值比任何材料都小。除了導電能力之外,微觀上還有眾多的特性都遠超其他材料。

 

但是石墨烯更重要的意義是,引起了人們對其他二維材料的探索,再此之前,人們對材料的探索一直停留在三維的階段,而二維材料的出現打破了這個牢籠。除了石墨烯之外,研究者們還制作出了黑磷、氮化硼、二硫化鉬等等不同的二維材料。更可喜的是,把幾種不同的二維材料組合起來還會有更有趣的事情發生。二維復合材料的出現讓材料的特性更加多樣。

 

石墨烯有什么用呢?
 

石墨烯幾乎可以用在生活中的任何一個角落,從儲能器件,到現在的半導體技術,石墨烯都是可以改變的。還有材料的強度、需要柔韌性能的可穿戴設備、效率更高的太陽能收集設備、甚至是炊具都可以使用石墨烯來改變。

為什么現在用不上呢?
 

以其他材料為例,特富龍出現于上世紀的中期,而在大約 30 年后才開始普及。萊卡面料 1937 年研制成功,1959 年才開始生產,中間經過了 20 多年的時間。不排除尼龍這種 1935 年發明出來,2 年后就開始出售的材料。但是絕大部分新材料的研發周期都很長,尤其是石墨烯這種二維材料,很難單獨做成物品,快速應用更是困難。

所以石墨烯到底是什么呢?
 

石墨烯是二維材料的代表,石墨烯的出現其實意味著新紀元的出現。在材料的歷史上,從未有人真正的分離出單層石墨,也從未有人真正的去探究二維材料。而石墨烯的出現引發了研究者們對二維材料進行探究的熱情。這個啟發價值遠遠超過了石墨烯材料本身的優良性能。這也就是為什么在發現石墨烯之后,沒有馬上給研究者頒發諾貝爾物理獎的原因吧。

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