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石墨烯-能够改变世界的材料王

2019-03-22

 在人类的历史上能称之为“王”的材料并不是很多,第一个是石头,因为它命名了一个时代——石器时代,它是我们最早使用的一个工具,接着是青铜时代,然后是钢铁,再往后是塑料、硅、黄金……

这些材料之所以能称王,是因为它掌控和支配了当时的那个时代,它对我们的生活产生了巨大的影响。

那么作为新材料的石墨烯是否能称之为“王”呢?
让我们来一起看看石墨烯,到底有些什么与众不同之处。


一:力学性质


石墨烯的力学性质非常之强,它的力学拉伸强度达到130GPa,相当于钢铁的一百倍。理论计算得到,如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米,它都能够撑起一只大象的重量。它这么强的力学性能从何而来?就像我们开始讲的——结构决定了性质。

石墨烯是一个二维结构,碳和碳之间的链非常之强。在每一个碳周围有三个邻居,这三个邻居形成的碳的键非常短,非常强,支撑了石墨烯的高强的力学性质。


二:电学性质

它的电学性质很值得一提,它的电子迁移率可以达到200,000cm2/Vs,是硅的一百倍。

电子迁移率就是说电子在这种材料里可以跑得多快。一个材料的导电性由两件事情决定,一个是电子在里面跑多快,第二是有多少电子在里面跑。

大家可以想象一下高速公路,这条公路上限速是多少,车可以跑多快,以有多少车在上面跑决定了这条高速公路的运力。所以我们在电子器件制造中,很多的时候我们希望有一个高运力,这样的话能加速器件的运算速度。

第二,它的电流密度的承受能力非常之大。好比说我们有一个常用的导线,比如说金属线铜线,我们通电流,如果电压增加,电流增加到一定程度,电流会把铜丝烧断。

但是石墨烯抗烧断的能力非常之高,它可以达到铜的100万倍!如果我们用石墨烯做导线的话可以大大降低导线的重量。而且最近的一个新发现,在双层石墨烯里面,如果转动一个角度,它会有一些超导现象出现。

三:致密与大比表面积

它石墨烯是一个很致密的材料,由于它的键很短,就是原子和原子之间的距离很近,只有0.142nm。也就是说,包括氢气、氦气这么小的分子、原子都没有办法穿过它。它是一种很好的阻隔材料,比表面积可以达到2630m2/g,就是说它的面积非常大。

我们看中间这张图,就是用石墨烯组成了一个泡沫状的结构,它可以自己把自己支撑起来,但非常非常的轻。我们把它放在一个狗尾草上面,狗尾草看上去没有任何的结构上的变化。

我们可以用这些石墨烯来做一些过滤的材料,在上面开一些我们能控制尺寸的小洞,就可以分离不同的气体或者是液体。比如海水里面的盐的分离,空气中的氧气跟氮气的分离。


四:光和热的性质

石墨烯的光的性质,因为只有一种碳源,只有一层碳原子,它的透光率可以达到97.7%,也就是说一层碳原子可以吸收2.3%的光。

这个是大还是小呢?实际上是一个很强的光吸收,大约50层石墨烯我们就可以把光完全吸收。这对于其他材料来说很难。但石墨烯可以,我们只用它其中的一层就够了,这就使得它有很多可用的地方。


IBM的研究人员已发现,石墨烯能吸收和辐射高达40%的远红外线。人体远红外线的吸收机制是通过人体组织的细胞分子中的碳-碳键,碳-氢键,氧-氢键等的伸缩振动,其谐振波大部分在3-15微米,和远红外线的波长和振幅相同, 引起共振共鸣。石墨烯加热发射的8-15微米远红外波,能有激活身体细胞核酸蛋白质等生物分子等功能。


同时,石墨烯的导热性质非常好。目前主要有两种导热的方式。一种叫电子导热,就是一个材料如果它导电非常好的话,它的导热往往也很好,比如说铜和铝。但是还有一种材料,它的导热是不需要寄托于导电上的,它是靠声子导热的,就是说声波的传播速度,在石墨烯中声波的传播速度可以达到22km/s,所以它具有非常好的导热效果。


石墨烯的优异之处是我们有目共睹的。同时,以其为原材料的各类衍生产品在我们的实际生活中也得到了越来越广泛的应用,并在许多领域已逐渐替代传统材料,愈发展露其独特的优势。

随着政府的积极介入,石墨烯产业已经初步形成政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的“官产学研”合作对接机制,良性发展态势有助于石墨烯企业充分享受地方政策、税收优惠以及资金支持,未来产业化发展有望加速。

因此,我们有理由相信,“新材料之王”的称号,石墨烯名至实归。

专注于石墨烯应用智造的常州兴烯石墨烯科技有限公司凭借着科研技术的实力优势,以科技健康、科技生活、科技工业三个维度作为核心研发方向,利用石墨烯优异的材料属性,现已成功问世了多款应用产品,包括了居家生活及工业应用两大领域。







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