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【知识科普】应用可达“科幻级”的石墨烯

【知识科普】应用可达“科幻级”的石墨烯 智光康
2022-11-27
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导读:神奇材料



自从石墨烯进入大众视野以来,它就凭借其优异的光学、电学、力学特性,展现出在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面的广阔前景。实际上,石墨烯作为人类已知强度最高、重量最轻、韧性最强、透光率最好、导电导热性最佳的“新材料之王”,在多方努力下,石墨烯的相关研究成果涌现,并在多领域起到了引领低碳生活的作用。




01
什么是石墨烯

有这样一种坚韧的薄膜,它能以一个铅笔尖的承受面,撑住一头大象的重量,而不会被戳破,这种材料就是石墨烯。

石墨烯是人类历史上发现的首个二维元素晶体,它几近透明,却异常柔韧,且能弯曲。它的厚度仅为头发丝的二十万分之一,强度却是钢的200倍,有研究资料显示石墨烯是目前人类发现最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型材料,自2004年被发现以来,在全世界备受推崇,被认为是21世纪重大的科学发现之一,是改变世界的一种材料。

在新一轮产业升级和科技革命背景下,新材料产业被视为推动未来高新技术产业发展的基石和先导,将会对全球经济、科技、环境等领域的发展产生广泛而深刻的影响。尤其是石墨烯“多才多艺”的性质使人们对其广阔的应用前景产生了无穷的想象,有的科学家认为未来技术革命最大的颠覆性事件之一,可能就是石墨烯代替硅成为信息技术的基础材料,石墨烯还可能在能源、交通、航空航天、柔性电子和医疗保健等领域大放异彩。

中国是石墨资源大国,也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一,有专家预测,未来石墨烯每年将撬动万亿级的产业链。作为一种新材料,石墨烯究竟有哪些神奇之处?有哪些颠覆式的应用能影响和改变人们的生活?我国石墨烯产业应该如何健康发展?

02
石墨烯如何改变人们的生活

石墨烯我们并不陌生,铅笔芯是用黏土和石墨做成的,当你写字的时候在纸上一划,石墨片就会划下来,变成我们可看到的字。如果你写得特别轻,说不定就能做出来单层的石墨片,也就是石墨烯。

石墨烯号称“新材料之王”,它是最薄的材料,因为它只有一个原子层的厚度;同时它也是强度最大的材料,理论上它的强度比钢还要强200倍;它也是导电性最好的材料,热导性是遥遥领先的。石墨烯还是完美的柔性透明材料,柔韧性特别好,可以轻易地被折叠。它还是一种透明导电薄膜材料,这也是石墨烯一个非常重要的特点。

碳材料家族是“新兴”产业的摇篮,催生了金刚石产业、石墨产业、活性炭产业、炭黑产业和碳纤维产业,也因此碳材料被认为是人类文明发展的助推器。石墨烯作为碳家族材料中的新成员,因其拥有独特的物理性能而备受关注。

从目前看,石墨烯可用来制作保暖产品、衣服等日用品;作为硅的替代品,石墨烯可制造超微型晶体管以及新一代电子元件,石墨烯运用在计算机芯片上,能大幅度提高计算速度;石墨烯还适合用来制造透明触控屏幕、发光板、太阳能电池板等产品。从未来看,石墨烯将在电子信息、新能源、航空航天、柔性电子及储能、海洋工程防腐等领域发挥重大作用。

03
石墨烯用在哪儿

  石墨烯在大健康和电热领域有着广阔的应用前景。石墨烯是非常理想的远红外辐射材料,石墨烯的波长是3—15微米左右,人体发射的红外频谱和石墨烯基本上是类似的,有人说石墨烯能够发射生命光波,就是这个意思。这种光波被人体吸收之后,可以提高免疫力,改善血液循环,甚至会增强新陈代谢。

可穿戴电子设备是近年来的热门科技产品,石墨烯凭借其高导电性、超薄、柔性和坚固等特色,被证明是可穿戴电子设备的重要元素。石墨烯发热效率非常高,尤其是电热响应速度非常快,这是比其他材料优越的地方。它的电热转换效率高达90%以上,电能转换成热能效率高,就意味着可以节能、节电,这是石墨烯作为电热和大健康材料一个非常重要的优点,实际上现在国内很多企业都在做这类产品的研发工作。

我国研发人员开发的石墨烯柔性电热膜,可以满足人们日常所需,同时在不同生产方式下,因需产生形态各异的柔性石墨烯发热膜,既应用于智能穿戴设备,又可以在智能家居中做取暖产品,包揽智能温控、节能环保、美观实用三大优点,同时助力国家煤改电政策的实现。


北京冬奥会期间大放异彩的石墨烯发热技术亦是如此,有人这样形象地描述石墨烯的发热过程:作为导热系数最高的材料,在通电情况下,由碳分子团之间相互摩擦、碰撞产生热能,热能又通过远红外线以平面方式均匀地辐射出来,可以很好地被人体接受,产生由内而外的温暖。


在北京冬奥会相关人员穿戴的衣服、围巾、袜子、手套等衣物就采用了全球领先的石墨烯纺织物柔性发热材料。


石墨烯纺织物柔性发热材料是一种以纺织物形态、兼具卓越发热效能及高效能量转化的新型材料,不仅拥有出色热传导性能,还兼具普通布料所具备的耐水洗、柔软、轻薄舒适和耐用等优势。即使经过可反复水洗、揉搓和剪裁,保暖能力依旧。




  
      石墨烯在汽车领域也有着很广阔的应用前景,用石墨烯这种复合材料做汽车车身,可以让汽车变得更轻、更节能,跑得更快。实际上,英国已经推出了用石墨烯复合材料做的汽车。

  在中国石墨烯用途最多的是石墨烯电池。从严格意义上讲,不能叫石墨烯电池,其实就是锂离子电池掺上一点石墨烯,改善它的性能。怎么让汽车的续航里程更远?让汽车充电更便捷、更快速?从原理上讲,石墨烯的确可以在这方面起到一定的作用,但是我们还不能过度期待。石墨烯的确对于电池的能量密度会有所提升,对充电速度可以有所改善,充电可以变得更快,但是实际效果还不像宣传那样好。

04
未来石墨烯会有很多科幻级的应用

  石墨烯恬静低调,把胜过钢铁200倍的“坚强”,“掩藏”在黑黝黝的石墨易脆外表之下;柔顺且富有可塑性,通体透明能被一眼看穿,却只吸收微弱的光线。这些“非凡”之处给人们打开了一扇新的大门,进入了一个全新的世界。

科学家们认为未来石墨烯会有很多科幻级的应用,如石墨烯电极可做大脑的接口,实现人机交互;石墨烯“人工喉”能使失语患者开口说话。甚至还可以借用“人工喉”的方法,把动物的语言转换成一种相同话语,让人类听得懂。这些既有趣味性,又有些科幻性的应用,将打开我们对这一新材料崭新的认知空间。

  石墨烯可以做传感器。比方说有人用石墨烯做电子鼻,能够检测出极低水平的有害气体,像二氧化碳、臭氧等,用石墨烯传感器就可以检测出来。

石墨烯的压力感应鞋垫是剑桥大学石墨烯中心推出来的试验性产品,这种鞋垫穿上之后可以随时跟踪足部的压力分布,像运动员想提高运动水平,就要分析这些数据,反馈之后可以进一步提升运动水平。

石墨烯如果做成智能贴,贴到胳膊上就可以检测血压、脉搏、体温等,石墨烯在这方面有很好的应用前景。
石墨烯可以做触摸屏,因为它是透明导电薄膜。手机的触摸屏一般是用氧化铟锡(ITO)玻璃做的,ITO玻璃是一种铟掺杂的二氧化锡玻璃片,铟是一种稀有的金属元素,它的储量有限,成本也比较高。ITO是一种玻璃片,它的柔性很差,石墨烯恰恰可以弥补这一点。碳不能说取之不尽用之不竭,但是跟铟相比在地球上的储量是非常大的。超薄柔性、高导电性和高强度使得石墨烯可以做未来的触摸屏。石墨烯的透光率非常好,透光率好意味着手机屏幕的可视性会非常好,看得更清楚。现在传统的触摸屏在酸碱条件下是不稳定的,石墨烯没有这种问题,即便是在苛刻的环境下它也很稳定,受环境的影响比较小,从这个意义上讲石墨烯在触摸屏领域有非常好的应用前景。

  石墨烯还是理想的可穿戴技术的支撑材料。用石墨烯可以做机械臂,石墨烯能起到传感器的作用,可以指挥驱动机械手去发挥它的功能。石墨烯和下一代超快通信技术也是密切相关的。石墨烯迁移率特别高,比传统的硅材料要高几十倍,甚至更高,可以用它做更为强大的网络,和现有的技术相比提高将近一个数量级,用石墨烯可以做太赫兹通信、超快光通信器件。这些都是人们正在研发的领域。

  石墨烯复合材料是航空航天领域的新宠。海代尔公司复合材料研究中心已经把石墨烯用到无人机上了,轻质高强的石墨烯复合材料现在已经被用于提高无人机的螺旋桨叶片的机械性能和热传导性能。北京石墨烯研究院正在研发航空轮胎,一般情况下,飞机在起降的时候是特别费轮胎的,像国产的轮胎起降三五十次可能就要换轮胎,有了石墨烯之后,就可以大幅度提高轮胎的寿命。

石墨烯还可以作为高温合金的增强剂来使用,把一定量的石墨烯掺到高温增强合金里面,就可以大幅度提高高温合金的性能,在航空发动机里面可能有很好的应用。

  随着石墨烯材料研发的进展,人们也在寻找各种各样的办法去做出特殊的石墨烯材料。这些新材料的出现都会进一步加速石墨烯的实用化进程。

石墨烯正凭借自己的优势,在多个领域发挥功用,让我们共同努力,打造石墨烯产业光明的未来!

END

文章来源:网络

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