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“企官学”合作 日本全力攻关石墨烯

导读: 近年来,石墨烯成为全球科技界最青睐的新材料之一,包括我国在内的世界各国都在大力投入研发。作为科技大国,日本正全力攻关石墨烯,其进展、做法值得我们关注与借鉴。

  近年来,石墨烯成为全球科技界最青睐的新材料之一,包括我国在内的世界各国都在大力投入研发。实际上,石墨烯并不神秘,我们每次用铅笔画一道线,都会产生石墨烯的碎片。简单地说,石墨烯是由六角形的网眼状结合的碳原子构成,厚度只有1个碳原子大小,是构造其他碳质材料的基本单元。作为科技大国,日本正全力攻关石墨烯,其进展、做法值得我们关注与借鉴。

  石墨烯的优异特性

  石墨是制造铅笔芯的材料,它是一种只有碳构成的物质,由平坦排列的数层碳原子层堆积在一起构成。数世纪前,人们就知道石墨的层状结构,并尝试将其分开,不过一直未能成功。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫偶然发现,在很普通的石墨碎片上用透明胶带粘贴,能够成功剥取出一个原子厚度的石墨烯。石墨烯太薄了,厚度仅为约0.3纳米,约300万张石墨烯重叠在一起,才能达到1毫米的厚度,所以可以看做二维材料。

  这种极薄的碳膜具有很大的潜力,其硬度和钻石持平,电导性是硅的100倍,拉伸强度是钢铁的200倍,在常温下化学性质也非常稳定,电子移动速度超过现今发现的任何物质,即使受热和通电,也能维持稳定、规则的六角形形状,具有令人惊叹的光学和热学特性,而且它几乎是透明的。

  由于这种优异的特性,石墨烯的应用前景非常广阔。如果用石墨烯来制造智能电话和平板电脑,就不用再担心屏幕摔坏的情况,由此制成的屏幕能折叠甚至被揉成团。除此之外,目前石墨烯最有潜力的应用是作为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

  正是由于石墨烯的发现产生了物理学和电子工程学上的划时代革新,其发明者安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫才在2010年获得了诺贝尔奖。刚刚发现新材料几年时间就能获得诺贝尔奖,足以说明这一发现有多么重要。

  地球上的天然石墨蕴藏量达到1亿吨以上,并且不断有新的矿山被发现,是一种非常丰富的资源。由于天然石墨本身就是高纯度的石墨烯的层积体,所以只要能够高效剥离天然石墨,就可以大量生产石墨烯。随着石墨烯的发现,全球的研究所都开始研究石墨烯材料,日本在研发与产业化方面的双轮驱动尤其明显。

  研发与产业化双轮驱动

  在日本,大学和研究机构都在大力开发石墨烯,并且相继取得了一些突破性成果。

  2013年7月,日本名古屋大学教授伊丹健一郎率领的研究小组宣布,他们开发出一种像马鞍一样的碳纳米分子,并将其命名为“弯曲纳米石墨烯”。由于碳分子之间有大量微小的空间,易溶到乙醇等有机溶剂中,因此可以用到电子基板上,用于制造太阳能电池和电子元件等。如果向溶有这种新型碳纳米分子的溶液照射紫外线,这种分子能发出绿色的荧光,所以它还有望用于生物成像为代表的医疗领域。

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