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石墨烯的“超能力”——比钢铁强200倍,比纸张轻1000倍

2021-05-10 04:53:39

萝北富达石墨;黑龙江石墨企业;石墨制品供应商,2004年,曼彻斯特大学的两名科学家进行了一个看似简单的实验,结果可能会改变世界。研究人员安德烈·吉姆和康斯坦丁·诺沃塞洛夫玩着石墨,这是笔尖上的东西。石墨由彼此堆叠的超薄纯碳薄板制成。盖姆和诺沃塞洛夫想看看他们是否可以分离出单片石墨,即只有一个原子厚的不可能的薄碳层。

因此,他们抓住了一卷胶带。是的,塑料垃圾箱中的透明胶带与垃圾箱中的胶带相同。英国广播公司(BBC)报道,吉姆就是这样描述他的技术的。

“您将[胶带]放在石墨或云母上,然后剥去顶层。胶带上会掉落石墨薄片。然后将胶带对折,然后将其粘贴到顶部的薄片上,然后再次分开。您将这个过程重复10或20次。每次,薄片都变得越来越薄。最后,您会在磁带上留下非常薄的薄片。溶解磁带后,一切都溶解了。”

粘胶带方法有效!通过隔离单层碳,Geim和Novoselov被发现了一种崭新的材料,即石墨烯,该材料现在被认为是地球上最强,最轻和最导电的物质。

2010年,Geim和Novoselov因发现石墨烯而获得了诺贝尔物理学奖,世界各地的研究人员开始呼吁使用这种非凡的“超材料”来制造功能更强大,使用寿命更长的电池,更快的微芯片,柔性电路,可植入生物传感器。和更多。十年后,石墨烯尚未兑现被大肆宣传的承诺,但业内人士有信心,我们最终将在未来几年看到使用基于石墨烯的技术的智能手机,电动汽车和传感器。

一、为什么石墨烯是超材料?

一片石墨烯厚度仅为一个原子厚,检查了超材料的所有盒子:

1.按重量计,石墨烯比钢强200倍。

2.它比纸张轻1,000倍。

3.它是98%透明的。

4.在室温下,它的导电性能优于任何其他已知材料。

5.它可以将任何波长的光转换为电流。

6.石墨烯是由碳制成的,碳是宇宙中第四大富集的元素,因此我们不太可能耗尽。

石墨烯从其结构中获得了超能力。如果可以放大得足够近,您会发现一片石墨烯看起来像原子级蜂窝。单个碳原子以类似于鸡丝的六边形模式排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳原子共价键合,从而使该材料具有不可思议的强度。

为什么石墨烯导电性如此好?同样,由于那些碳原子键合的方式。每个碳原子的外壳中都有四个电子,但是这些电子中只有三个与其相邻的三个碳原子共享。剩余的电子称为pi电子,并且可以在三维空间中自由移动,这使它可以在几乎没有电阻的情况下将电荷传输到整个石墨烯片上。实际上,石墨烯是室温下任何已知物质中最快的电导体。

二、魔角

萝北富达石墨;黑龙江石墨企业;石墨制品供应商,最近的发现可能为石墨烯的吹牛清单增加了另一个超级大国。麻省理工学院(MIT)的一个小组正在研究双层石墨烯(两层单原子石墨烯堆叠在一起)时,偶然发现了石墨烯的一种新的近乎神奇的特性。当各层之间略微错开旋转(正好为1.1度的位移)时,石墨烯将成为超导体。超导体是最稀有的导电材料,它完全没有电阻且热量为零。

石墨烯“魔角”的发现在科学界引起了冲击波。尽管该实验是在极低的温度(接近0开氏度或459.67 F)下进行的,但它开辟了以下可能性:通过将石墨烯与其他超导元素结合,我们比以往任何时候都更接近于室温超导性。这样的成就将从根本上改善从小工具到汽车到整个电网的一切能源效率。

三、石墨烯如何转变技术?

纳米技术教授,剑桥石墨烯中心主任安德里亚·费拉里(Andrea Ferrari)表示,超导电性还需要数十年的时间,但是革命性的基于石墨烯的产品要早得多地投放市场。

法拉利说:“到2024年,市场上将会有各种各样的石墨烯产品,包括电池,光子学,夜视摄像机等等。”

多年来,消费者一直在等待基于石墨烯的电池。我们所有小工具中的锂离子电池充电速度相对较慢,汁液很快流失,经过一定次数的循环后就会烧坏。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。

但是,由于石墨烯是世界上最有效的电导体,因此在充电或放电时,它产生的热量要少得多。石墨烯基电池的充电速度有望比锂离子电池快五倍,电池寿命长三倍,并且需要更换的循环次数是原来的五倍。

三星和虎尾等电子公司正在积极开发用于智能手机和其他小工具的基于石墨烯的电池,但最早进入市场的是2021年。至于电动汽车中的石墨烯电池(这可能会大大增加其驱动半径),还需要几年的时间。整个行业都建立在锂离子技术之上,并且不会一overnight而就。

Graphanea的首席执行官Jesus de la Fuente说:“电池行业非常保守。该公司向学术研究人员和研发部门制造和销售纯石墨烯和基于石墨烯的芯片。“这可能每五到十年改变一次电池的成分,这使得在这个行业推出新产品非常困难。”

市场上有几种基于石墨烯的电池,包括来自一家名为Real Graphene的公司的有线和无线充电器,但这只是冰山一角,同时也是Graphene Flagship的科学技术官Ferrari说。,这是欧盟10亿欧元的合作项目,旨在加快石墨烯技术的发展。旗舰的研究合作伙伴已经在制造石墨烯电池,其容量和能耗分别比当今的高能电池高20%和15%。其他团队已经建立了基于石墨烯的太阳能电池,将太阳光转化为电能的效率提高了20%。

四、石墨烯的其他用途

尽管石墨烯电池可能首先进入市场,但研究人员正在忙于开发这种奇迹材料的其他应用。

生物传感器很重要。想象一下一个非常薄且灵活的芯片,可以将其注射到血液中以监控实时健康数据,例如胰岛素水平或血压。或者是石墨烯界面,它可以向大脑来回发送信号,以检测即将发生的癫痫发作,甚至可以预防癫痫发作。细长的可伸缩传感器也可以戴在皮肤上或编织到衣服的织物上。

光子学是已经纳入石墨烯的另一个领域。通过将石墨烯集成到光敏芯片中,相机和其他传感器甚至可以极大地提高对可见光谱和不可见光谱中最微弱的光波的灵敏度。这不仅将改善照相机和望远镜的图像质量,而且还将改善医学图像。

过滤是石墨烯的又一有希望的应用。用石墨烯聚合物制成的简单净水过滤器可与饮用水中的有机和无机污染物结合。石墨烯旗舰公司的研究人员还创建了基于石墨烯二极管的脱盐技术,该技术可以从海水中去除60%以上的盐,用于农业和其他用途。

所有这些发展都需要时间,但剑桥石墨烯中心的法拉利有信心石墨烯将如期实现其炒作。实际上,他对大约2,000种其他单层材料(尚未被隔离,胶带法或其他方法)的尚未发现的特性同样感到兴奋。

法拉利说:“我们说的是石墨烯,但实际上我们正在谈论正在探索的众多选择。” “事情正在朝着正确的方向发展。”

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