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21世紀什么最熱門？答案是萬能的石墨烯

來源: 找試劑網(wǎng) 2017-05-25 14:28:49

全國“兩會”于昨天閉幕。在這次“兩會”上，以石墨烯為代表的新材料提案備受關(guān)注。在李克強總理政府工作報告中，重點提到要推動新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)加快成長。作為新材料中最受關(guān)注的產(chǎn)品，石墨烯到底是何方神圣呢？

石墨烯（Graphene）是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

1.傳說中的石墨烯到底是什么？

石墨烯與石墨之間有特殊的親緣關(guān)系。石墨這種材料大家可能都比較熟悉，比如說鉛筆芯、干電池內(nèi)部的電極等，其主要成分就是石墨。從微觀結(jié)構(gòu)來看，石墨是一種層狀材料，由一層一層的碳原子堆疊而成。對于每一層而言，其中的碳原子之間以牢固的共價鍵相結(jié)合，非常穩(wěn)定。而層與層之間則是以一種比較微弱的作用力相互結(jié)合的，從而使得層與層之間比較容易脫離開。因此，厚的石墨是可以很容易地解離成薄的石墨片的。那么，石墨的這種結(jié)構(gòu)就可以形象地類比成一本書，書中的每頁紙就類比成一層碳原子。而我們要講的石墨烯就好比石墨這本“書”之中的一頁“紙”。

2.萬能的石墨烯，萬能在哪？

手機充電只需幾秒鐘？史上最薄電燈泡？光驅(qū)動飛行器？太空電梯？關(guān)于石墨烯非凡應用的新聞不斷出現(xiàn)在人們的視野當中，那么，石墨烯究竟有哪些特性呢？

因為只有一層原子，電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有著全新的電學屬性。石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。

在航天科學領(lǐng)域中，石墨烯可以被當做保護層覆蓋在一些元件的表面，用來降低因宇宙射線激發(fā)的二次電子

石墨烯具有極好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。石墨烯熔點高達3652攝氏度，耐強酸強堿等惡劣環(huán)境，具有極好的穩(wěn)定性。

石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100納米），它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂。已經(jīng)有科學家指出，如此強度的材料，有可能成為未來“太空電梯”的首選材料。

帶有納米級的空洞石墨烯，可以用于海水淡化。在生物學研究中，讓DNA長鏈一次經(jīng)過石墨烯納米孔，可以進行DNA測序。

3.石墨烯的應用

2010年10月5日，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫因為在石墨烯材料方面取得突破性進展而獲得諾貝爾物理學獎。鑒于石墨烯擁有如此光輝的前景，目前，各個國家都在大力推進石墨烯的“研發(fā)”和“市場化”兩條道路。根據(jù)MarketsandMarkets發(fā)布的“2020年全球石墨烯市場趨勢和預測”最新報告顯示，到2020年全球石墨烯市場預計將達2.78億美元，2015-2020年期間，增長率達42.8%。

事實上，中國早已是目前石墨烯研究和應用開發(fā)最為活躍的國家之一。

從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國儲能豐富，價格低廉。另外，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。而我國最新的研究成果已成功突破這兩大難題，制造成本已從5000元/克降至3元/克，解決了這種材料的量產(chǎn)難題。利用化學氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。

2015年5月，全球首個石墨烯指數(shù)評價結(jié)果顯示，全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實力排名前三位的國家分別是美國、日本和中國。我國石墨烯研發(fā)、專利持有以及產(chǎn)業(yè)化進程均已在全球占據(jù)一席之地，申請專利數(shù)量占達全世界的40%。

可以猜想，新一輪的石墨烯熱潮即將來襲。相信下一個十年將是石墨烯加速發(fā)展、走向大規(guī)模應用的十年。

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