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石墨烯:刚柔并济 超群拔类

导读: 石墨烯由仅有一个原子那么薄的碳构成,却实实在在地拥有最高级别的电子、光学、力学性能。将石墨烯应用在计算机中的设想虽然目前还不切实际,但这种材料在柔性电子显示屏、高能电池和其他产品中很可能成为关键组件。

  如果你读过很多科学和技术新闻,可能对这个说法印象深刻——石墨烯对什么都有好处。石墨烯由仅有一个原子那么薄的碳构成,却实实在在地拥有最高级别的电子、光学、力学性能。

  将石墨烯应用在计算机中的设想虽然目前还不切实际,但这种材料在柔性电子显示屏、高能电池和其他产品中很可能成为关键组件。

  比硅导电更快,但暂时难成“石墨烯半导体”

  2004年,英国曼彻斯特大学研究人员安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,第一次分离出石墨烯并测试了它的电性能。他们用一种特殊胶带一层一层地将破碎细小的石墨剥掉,直到仅剩下单个原子厚度的碳网格。这个成果让二人获得2010年诺贝尔物理学奖。

  石墨烯很诡异。它陈列出一种被称作“冲猾导”的状态,电荷可以不受阻碍地穿越它,穿越速度比现今广泛应用于集成电路中的硅材料要快得多。

  一开始,研究人员对于石墨烯计算的可能性感到异常兴奋。但是不要指望在未来你的笔记本电脑里能找到一个石墨烯处理器。石墨烯并不是半导体,这意味着它很难从导电状态切换到绝缘状态,如果没有强大的切换功能,石墨烯开关就无法在数字逻辑中取代硅。

  石墨烯的电性能可能更适合应用于电信行业的模拟电路中。2011年IBM就证明了在电信应用中使用超快石墨烯电路的可行性。

  坚硬且富弹性,适用可穿戴设备和电信线路

  石墨烯的最佳属性当属机械性能,它既灵活又富有弹性。

  2008年,美国哥伦比亚大学的研究表明,石墨烯是目前测试过的材料中最坚硬的。美国得克萨斯大学达拉斯分校的雷·鲍曼领导的研究小组一直致力于将集合了坚硬、灵活和高导电性于一体的石墨烯材料应用于纺织品。石墨烯纱线可以制成人工肌肉或者与电池材料结合起来后成为可穿戴设备的电子器件。

  2013年,石墨烯商业化应用的一个重要里程碑来了,它超越了用所谓的胶带方法制备高质量小薄片石墨烯的时代。得克萨斯大学罗德尼·罗奥夫带领的研究团队,在一大片区域上生成了高质量的石墨烯,方法是在受控条件非常精细的铜片上通过一种气相沉积法将碳沉降其上并形成石墨烯。

  这非常重要,因为只有高质量的石墨烯才能呈现出冲猾导的性能。2014年,三星公司证明了石墨烯也能在另一种叫做锗材料的表面生成。

  罗奥夫的另一些同事则致力于将石墨烯生长成能制作坚固耐用且灵活的电信线路。这些设备坚硬到足可以被一辆汽车碾过且经受得住在水中浸泡。德吉·爱晋旺德在一篇论文中证明了这一点,他正在与康宁公司和3M公司合作,争取实现石墨烯的大规模生产。

  与电极相“依偎”,可提升电池和触屏性能

  距离商业化较近的应用是利用石墨烯的导电性和力学强度来生产电极材料。例如,它可以替代氧化铟锡,被用来生产透明导电电极,应用于触摸屏显示器。2014年9月,英国剑桥石墨烯研发中心和电子公司PlasticLogic共同展示了一种用石墨烯电极制成的柔性显示屏。

  加入石墨烯电极能制成高能电池,能让电动汽车行驶路程更远,且机械稳定性更加优异。2011年,美国加利福尼亚大学的研究人员用石墨烯像三明治结构那样将电池电极夹住并稳定下来。其中一位名为张跃刚的研究人员将其实验室搬回中国,以希望更快实现产业化,2014年,他在中国科学院的团队证明了石墨烯可以夹住并固定硫电极。

  加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员正在探索新的石墨烯应用,如石墨烯是否能被用在充电速度远远超过电池、蓄电能力也更加强大的新型电容器中。

  石墨烯被发现距今仅11年,却引起了一浪高过一浪的研发热潮,这在材料科学发展历史中比较罕见。虽然科学家和产业界就此充分展开想象力的翅膀,但麻省理工学院《科技评论》的观点认为:“实际应用真的来了,但速度很慢。”

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