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石墨烯:神奇材料看这里!

来源:经济日报 168 2020-10-22 11:19:27

有没有这样一款坚韧的薄膜,它能以一支铅笔尖的承受面,撑住一头大象的重量,而不会被戳破?

石墨烯可以做到。

近日,在北京市科协主办的“首都科学讲堂”上,中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范和北京石墨烯研究院副院长、石墨烯器件技术研究部部长魏迪这两位专家,向公众介绍了石墨烯这款曾获得2010年诺奖的明星材料。

透明胶带撕出来的诺奖

石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹可能就是几层石墨烯。

石墨烯是由一层以六角形蜂巢结构周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料。人们很早就发现了石墨,但直到2004年才发现石墨烯。这是因为,早在70多年前,理论研究就表明,完美的二维结构晶体无法在非绝对零度的环境中稳定存在。

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用一种非常简单的实验方法突破了科学家们的理论认知。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断这样操作,薄片越来越薄,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

理论上不可能,实验中却偏偏被制备出来了!这个发现立即震撼了科学界。仅仅6年后,两位发现者就共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。

“大家经常讲,石墨烯这个诺贝尔奖是用透明胶带撕出来的。实际上我们不能小瞧这么一个简单但是重要的发现。”刘忠范院士说,对于科学研究来说,像这两位科学家那样勇于探索、大胆尝试极其重要。

石墨烯有很多神奇的性能,因此号称“新材料之王”:它是最薄的材料,因为它只有一个原子层;它是强度最大的材料,理论上它的强度比钢强韧200倍;它是导电性最好的材料,电导率是银的1.6倍;它是导热性最好的材料,热导率是铜的13倍。

刘忠范介绍,石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且可以弯曲,又具备超强的导热性和导电性,这让它的应用前景十分广阔。

它可以做触摸屏,因为它是透明导电薄膜;也可能用做超快集成电路,因为石墨烯里的电子跑的非常快,在室温下的电子迁移率超过了硅材料的10倍;它是轻质高强材料,在航空航天领域有非常重要的应用前景;它的电磁屏蔽性质,也可以利用来做隐型飞机、隐身材料……

它可能产生一些类似于科幻电影场景的酷炫应用。

“石墨烯的酷炫应用是基于它酷炫的材料性能。它有超高的载流子迁移率,能让电子跑得非常快。如果说常用的导电材料是高速路上行驶的汽车,那石墨烯就是一辆超跑。”魏迪说,这个性能让它可以用作智能夜视眼镜这类的酷炫装备。

人体能发射远红外光,由于石墨烯超高的载流子迁移率,远红外光投射到它上面后产生的电子可以被迅速地采集。这样,戴上用石墨烯镜片制成的眼镜,就可以看到夜里的一切东西,还可以采集使用者本身的血糖、脑电等生理数据。同时,由于石墨烯具备其透光性,它还能作为显示屏投射各种信息,当你去一个陌生地方,它可以即时显示路况、附近酒店、景点、餐馆等服务信息。

石墨烯产业哪家强?

不过,理想很丰满,现实还比较骨感。现在你能在市场买到的石墨烯,很可能大部分都只是石墨。

2018年,《先进材料》上曾发表一篇文章,作者之一就是石墨烯诺贝尔奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫。这篇文章中,研究者们分析了来自美洲、亚洲和欧洲的60家公司的粉体石墨烯样品,发现大多数公司的样品中石墨烯含量低于10%,而且没有一家样品中石墨烯的含量超过50%。

单层石墨烯是实验室产物,可工业化大量制备的石墨烯一般有几层呢?

“从应用的角度讲,一般大家的共识是十层以下可称为石墨烯,尽管严格意义上讲,只有单层石墨片才是真正的石墨烯,而十层以上就是普通的、传统的粉体石墨。”刘忠范说。

石墨烯一般分成两类,一类是粉体石墨烯,一类是薄膜石墨烯。这两类石墨烯的制备方法完全不同,应用的领域和场景也完全不同。

在规模化的工业制备中,石墨烯粉体一般是用化学反应剥离石墨层的办法去做。但这类氧化还原方法常常会带来大量的废酸、废水。比如用浓硫酸加上高锰酸钾去煮石墨,生产1公斤石墨烯需要耗费50公斤浓硫酸、3公斤高锰酸钾和1吨水。

薄膜石墨烯的规模化制备方法,最有代表性的是化学气相沉积技术,即在高温炉子里,通过高温化学反应来一层一层制备石墨烯。如在铜箔表面,在1000摄氏度通上甲烷,就可以生成一个单原子层的石墨烯。

我国石墨烯产业的现状如何,在世界上处于什么位置?

截止2020年6月底,我国在工商部门注册的、营业范围包括石墨烯相关业务的企业已经达到了16800家。全国已成立石墨烯产业园29个,石墨烯研究院54家,石墨烯产业创新中心8个,石墨烯联盟12个,分布在21个省市。

石墨烯领域发表的文章数量,我国从2011年开始就在全球领先,现在占比超过全球的1/3。石墨烯领域专利申请数量我国也是全球最多,大约占全球的7成。我国粉体石墨烯制备产能很大,已达到每年5000多吨。我国在薄膜石墨烯的制备方面也全球领先,年产能已达到650万平米左右。

“从产业规模、知识产权拥有量、文章发表数量上,我们是全球领先的。但要注意的是,与欧洲、美国、日本和韩国相比,中国石墨烯行业的关注点根本不在一个频道上。国外更多关注真正体现石墨烯新材料特性的未来型技术研发,而中国则非常重视近期的实用性产品的开发。”刘忠范说,虽然我们对未来核心技术的关注相对少一点,但从总体上看,中国的石墨烯基础研究和产业化力量在全球还是处于第一方队。

魏迪认为,中国石墨烯产业目前很多是在低附加值的添加涂料或加热领域,未来应更多地往光电子器件、传感器件等高附加值产业布局。

“杀手锏”级应用会是啥

石墨烯目前已经被尝试在哪些方面应用?

刘忠范介绍,中国石墨烯产业有“三大件”,一是新能源,将石墨烯用作锂离子电池的导电添加剂,使电池充电速度更快、电容量也有提升;二是添加进防腐涂料,节省防腐涂料中较贵的锌的含量,同时提升防腐性能;三是大健康领域,比如利用其导热性能制作眼罩、护膝等理疗产品。三者合计,约占90%。

国内也有石墨烯高端产品,比如采用了石墨烯触摸屏、电池和导热膜的石墨烯手机等。

国际上在用石墨烯做什么产品?

2019年的世界移动通信大会上有石墨烯的专门展厅,石墨烯被用于数据通信、传感器、物联网、可穿戴设备、新能源等领域。比如用石墨烯做的超灵敏电子传感器可检测有害气体,用石墨烯做的宽带图像传感器能同时探测可见光和红外光。

石墨烯几乎无所不能,但目前石墨烯材料应用面广而不专精。那么,未来什么才可能成为石墨烯真正不可替代的“杀手锏”级应用呢?

刘忠范说:“‘杀手锏级’的用途,意味着离开它不行。我们现在还没有找到石墨烯‘杀手锏级’的用途。”

他表示,未来可能从两个方向找到石墨烯的杀手锏级用途,一类是逻辑推理式的用途,一类是出其不意的用途。

逻辑推理式用途,是从石墨烯本身性能推理出的用途。比如现在的透明导电薄膜是一种ITO玻璃,它不是柔性的,还含稀有元素铟。而石墨烯薄膜导热性、导电性非常好,又是透明的和柔性的,且只含常见的便宜的碳原子。未来,石墨烯薄膜用做透明导电薄膜,制作可穿戴柔性电子器件,将大有前途,或许能成为“杀手锏级”的用途。

非逻辑性的出其不意的用途,则需要研究者的创意思考。“比如我们把石墨烯长到蓝宝石上,跟LED结合起来,做成LED照明器件。其他什么工艺都不变,就可以将发光效率提升30%多。”刘忠范说,一旦产业化,这就是下一代的LED节能照明器件,会全面淘汰现有照明器件,也属于“杀手锏级”应用。

“杀手锏级应用就是只能用石墨烯,其他材料取代不了,所以必须基于并放大石墨烯材料的独特优势,来开展它‘杀手锏级’应用的探索。”魏迪表示,从器件角度来讲,可以利用石墨烯的超高载流子迁移率性能,将它与硅基半导体融合使用,制作出有优越性能的光电子探测器件、夜视远红外探测器件、逻辑电路器件等。

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