有沒有這樣一款堅韌的薄膜,它能以一支鉛筆尖的承受面,撐住一頭大象的重量,而不會被戳破?石墨烯可以做到。近日,在北京市科協(xié)主辦的“首都科學講堂”上,中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范和北京石墨烯研究院副院長、石墨烯器件技術(shù)研究部部長魏迪這兩位專家,向公眾介紹了石墨烯這款曾獲得2010年諾獎的明星材
有沒有這樣一款堅韌的薄膜,它能以一支鉛筆尖的承受面,撐住一頭大象的重量,而不會被戳破?
石墨烯可以做到。
近日,在北京市科協(xié)主辦的“首都科學講堂”上,中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范和北京石墨烯研究院副院長、石墨烯器件技術(shù)研究部部長魏迪這兩位專家,向公眾介紹了石墨烯這款曾獲得2010年諾獎的明星材料。
透明膠帶撕出來的諾獎
石墨烯本來就存在于自然界,只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡可能就是幾層石墨烯。
石墨烯是由一層以六角形蜂巢結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的二維碳材料。人們很早就發(fā)現(xiàn)了石墨,但直到2004年才發(fā)現(xiàn)石墨烯。這是因為,早在70多年前,理論研究就表明,完美的二維結(jié)構(gòu)晶體無法在非絕對零度的環(huán)境中穩(wěn)定存在。
2004年,英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用一種非常簡單的實驗方法突破了科學家們的理論認知。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。不斷這樣操作,薄片越來越薄,最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片,這就是石墨烯。
理論上不可能,實驗中卻偏偏被制備出來了!這個發(fā)現(xiàn)立即震撼了科學界。僅僅6年后,兩位發(fā)現(xiàn)者就共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。
“大家經(jīng)常講,石墨烯這個諾貝爾獎是用透明膠帶撕出來的。實際上我們不能小瞧這么一個簡單但是重要的發(fā)現(xiàn)!眲⒅曳对菏空f,對于科學研究來說,像這兩位科學家那樣勇于探索、大膽嘗試極其重要。
石墨烯有很多神奇的性能,因此號稱“新材料之王”:它是最薄的材料,因為它只有一個原子層;它是強度最大的材料,理論上它的強度比鋼強韌200倍;它是導(dǎo)電性最好的材料,電導(dǎo)率是銀的1.6倍;它是導(dǎo)熱性最好的材料,熱導(dǎo)率是銅的13倍。
劉忠范介紹,石墨烯是已知強度最高的材料之一,同時還具有很好的韌性,且可以彎曲,又具備超強的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,這讓它的應(yīng)用前景十分廣闊。
它可以做觸摸屏,因為它是透明導(dǎo)電薄膜;也可能用做超快集成電路,因為石墨烯里的電子跑的非?,在室溫下的電子遷移率超過了硅材料的10倍;它是輕質(zhì)高強材料,在航空航天領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用前景;它的電磁屏蔽性質(zhì),也可以利用來做隱型飛機、隱身材料……
它可能產(chǎn)生一些類似于科幻電影場景的酷炫應(yīng)用。
“石墨烯的酷炫應(yīng)用是基于它酷炫的材料性能。它有超高的載流子遷移率,能讓電子跑得非?。如果說常用的導(dǎo)電材料是高速路上行駛的汽車,那石墨烯就是一輛超跑!蔽旱险f,這個性能讓它可以用作智能夜視眼鏡這類的酷炫裝備。
人體能發(fā)射遠紅外光,由于石墨烯超高的載流子遷移率,遠紅外光投射到它上面后產(chǎn)生的電子可以被迅速地采集。這樣,戴上用石墨烯鏡片制成的眼鏡,就可以看到夜里的一切東西,還可以采集使用者本身的血糖、腦電等生理數(shù)據(jù)。同時,由于石墨烯具備其透光性,它還能作為顯示屏投射各種信息,當你去一個陌生地方,它可以即時顯示路況、附近酒店、景點、餐館等服務(wù)信息。
石墨烯產(chǎn)業(yè)哪家強?
不過,理想很豐滿,現(xiàn)實還比較骨感,F(xiàn)在你能在市場買到的石墨烯,很可能大部分都只是石墨。
2018年,《先進材料》上曾發(fā)表一篇文章,作者之一就是石墨烯諾貝爾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。這篇文章中,研究者們分析了來自美洲、亞洲和歐洲的60家公司的粉體石墨烯樣品,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)公司的樣品中石墨烯含量低于10%,而且沒有一家樣品中石墨烯的含量超過50%。
單層石墨烯是實驗室產(chǎn)物,可工業(yè)化大量制備的石墨烯一般有幾層呢?
“從應(yīng)用的角度講,一般大家的共識是十層以下可稱為石墨烯,盡管嚴格意義上講,只有單層石墨片才是真正的石墨烯,而十層以上就是普通的、傳統(tǒng)的粉體石墨!眲⒅曳墩f。
石墨烯一般分成兩類,一類是粉體石墨烯,一類是薄膜石墨烯。這兩類石墨烯的制備方法完全不同,應(yīng)用的領(lǐng)域和場景也完全不同。
在規(guī);墓I(yè)制備中,石墨烯粉體一般是用化學反應(yīng)剝離石墨層的辦法去做。但這類氧化還原方法常常會帶來大量的廢酸、廢水。比如用濃硫酸加上高錳酸鉀去煮石墨,生產(chǎn)1公斤石墨烯需要耗費50公斤濃硫酸、3公斤高錳酸鉀和1噸水。
薄膜石墨烯的規(guī)模化制備方法,最有代表性的是化學氣相沉積技術(shù),即在高溫爐子里,通過高溫化學反應(yīng)來一層一層制備石墨烯。如在銅箔表面,在1000攝氏度通上甲烷,就可以生成一個單原子層的石墨烯。
我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀如何,在世界上處于什么位置?
截止2020年6月底,我國在工商部門注冊的、營業(yè)范圍包括石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)的企業(yè)已經(jīng)達到了16800家。全國已成立石墨烯產(chǎn)業(yè)園29個,石墨烯研究院54家,石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心8個,石墨烯聯(lián)盟12個,分布在21個省市。
石墨烯領(lǐng)域發(fā)表的文章數(shù)量,我國從2011年開始就在全球領(lǐng)先,現(xiàn)在占比超過全球的1/3。石墨烯領(lǐng)域?qū)@暾垟?shù)量我國也是全球最多,大約占全球的7成。我國粉體石墨烯制備產(chǎn)能很大,已達到每年5000多噸。我國在薄膜石墨烯的制備方面也全球領(lǐng)先,年產(chǎn)能已達到650萬平米左右。
“從產(chǎn)業(yè)規(guī)模、知識產(chǎn)權(quán)擁有量、文章發(fā)表數(shù)量上,我們是全球領(lǐng)先的。但要注意的是,與歐洲、美國、日本和韓國相比,中國石墨烯行業(yè)的關(guān)注點根本不在一個頻道上。國外更多關(guān)注真正體現(xiàn)石墨烯新材料特性的未來型技術(shù)研發(fā),而中國則非常重視近期的實用性產(chǎn)品的開發(fā)。”劉忠范說,雖然我們對未來核心技術(shù)的關(guān)注相對少一點,但從總體上看,中國的石墨烯基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化力量在全球還是處于第一方隊。
魏迪認為,中國石墨烯產(chǎn)業(yè)目前很多是在低附加值的添加涂料或加熱領(lǐng)域,未來應(yīng)更多地往光電子器件、傳感器件等高附加值產(chǎn)業(yè)布局。
“殺手锏”級應(yīng)用會是啥
石墨烯目前已經(jīng)被嘗試在哪些方面應(yīng)用?
劉忠范介紹,中國石墨烯產(chǎn)業(yè)有“三大件”,一是新能源,將石墨烯用作鋰離子電池的導(dǎo)電添加劑,使電池充電速度更快、電容量也有提升;二是添加進防腐涂料,節(jié)省防腐涂料中較貴的鋅的含量,同時提升防腐性能;三是大健康領(lǐng)域,比如利用其導(dǎo)熱性能制作眼罩、護膝等理療產(chǎn)品。三者合計,約占90%。
國內(nèi)也有石墨烯高端產(chǎn)品,比如采用了石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜的石墨烯手機等。
國際上在用石墨烯做什么產(chǎn)品?
2019年的世界移動通信大會上有石墨烯的專門展廳,石墨烯被用于數(shù)據(jù)通信、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、新能源等領(lǐng)域。比如用石墨烯做的超靈敏電子傳感器可檢測有害氣體,用石墨烯做的寬帶圖像傳感器能同時探測可見光和紅外光。
石墨烯幾乎無所不能,但目前石墨烯材料應(yīng)用面廣而不專精。那么,未來什么才可能成為石墨烯真正不可替代的“殺手锏”級應(yīng)用呢?
劉忠范說:“‘殺手锏級’的用途,意味著離開它不行。我們現(xiàn)在還沒有找到石墨烯‘殺手锏級’的用途。”
他表示,未來可能從兩個方向找到石墨烯的殺手锏級用途,一類是邏輯推理式的用途,一類是出其不意的用途。
邏輯推理式用途,是從石墨烯本身性能推理出的用途。比如現(xiàn)在的透明導(dǎo)電薄膜是一種ITO玻璃,它不是柔性的,還含稀有元素銦。而石墨烯薄膜導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性非常好,又是透明的和柔性的,且只含常見的便宜的碳原子。未來,石墨烯薄膜用做透明導(dǎo)電薄膜,制作可穿戴柔性電子器件,將大有前途,或許能成為“殺手锏級”的用途。
非邏輯性的出其不意的用途,則需要研究者的創(chuàng)意思考!氨热缥覀儼咽╅L到藍寶石上,跟LED結(jié)合起來,做成LED照明器件。其他什么工藝都不變,就可以將發(fā)光效率提升30%多。”劉忠范說,一旦產(chǎn)業(yè)化,這就是下一代的LED節(jié)能照明器件,會全面淘汰現(xiàn)有照明器件,也屬于“殺手锏級”應(yīng)用。
“殺手锏級應(yīng)用就是只能用石墨烯,其他材料取代不了,所以必須基于并放大石墨烯材料的獨特優(yōu)勢,來開展它‘殺手锏級’應(yīng)用的探索!蔽旱媳硎荆瑥钠骷嵌葋碇v,可以利用石墨烯的超高載流子遷移率性能,將它與硅基半導(dǎo)體融合使用,制作出有優(yōu)越性能的光電子探測器件、夜視遠紅外探測器件、邏輯電路器件等。
作者: 來源:經(jīng)濟日報
責任編輯:jianping