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大乐透151期推荐:石墨烯緣何如此強大?

大乐透第12032期 www.pwyssm.com.cn 石墨烯緣何如此強大?

隨著科學技術的不斷發展,很多之前的認知也悄悄發生著改變。比如之前所認為的金剛石是最堅硬的物質,而現在科學證明石墨烯是強度最高的物質,比最好的鋼鐵還要高100倍。而這種比鉆石還硬的物質是怎么得來的呢?

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首先介紹一下石墨,石墨是生活中常見的一種物質,比如說鉛筆芯就是石墨。石墨是一種六邊形的層狀結構,每一個平面都是由碳原子形成的正六邊形所連接起來的片層結構,層與層之間以范德華力結合起來。范德華力簡單的來說就是一種很強的吸引力,讓層與層之間結合起來。而石墨烯就是其中的一層,這種僅由一層碳原子構成的結構就是石墨烯。

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早期,科學家就想將石墨分離成單層的結構,試著采用化學剝離法。將大分子的原子或分子嵌入到石墨的層與層之間,之后再經過化學反應,除去這些大原子或分子,就可以得到單層的石墨。但是這個實驗的結果卻是得到了一堆石墨烯爛泥,沒有成功。之后,在2004年的時候,英國曼切斯特大學的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫偶然的用膠帶粘住石墨薄片的兩側,撕開膠帶,石墨薄片也一分為二,如此反復,就得到了越來越薄的僅由一層碳原子構成的石墨薄片——石墨烯。因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎。

而現在石墨烯的制備通常有4種方法,4種方法各有優缺點。1.機械剝離法,此種方法的優點是制備成本低,石墨烯缺陷少;缺點是制得的石墨烯尺寸很小,而且不能大規模制備。2.氧化還原法,將石墨先氧化,使層與層之間的距離增大,再經過超聲,使層與層分離,之后再還原,去除其表面的含氧官能團,就得到了石墨烯。此方法的優點是原料成本低,缺點是制備的石墨烯缺陷多,性能較差。3.SiC外延生長法,此法制備的石墨烯尺寸較大,性能優異,缺點是成本高,設備很難達到。4.化學氣相沉積法,此法的優點是石墨烯尺寸很大,可以大規模生產,缺點是制備的大都是多晶。

超級材料這個詞近來被大量的使用——陶瓷超級材料,氣凝膠超級材料,彈性體超級材料。但是有一種超級材料把它們都淹沒了,它讓它的發現者獲得了諾貝爾獎,并為科學的炒作和興奮定義了上限。它有可能使處理、電力儲存、甚至太空探索發生革命性的變化……但它還沒有真正實現任何目標。它被稱為石墨烯,它是現代材料科學熱潮的鼻祖。石墨烯有可能成為有史以來最具顛覆性的單一發明之一,但它到底是什么呢?

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石墨烯是由單層碳原子排列成六邊形晶格的一種異形體(形式)。它是碳的許多其他異形體的基本結構元素,如石墨、鉆石、碳、碳納米管和富勒烯。

石墨烯有許多不同尋常的性質,它能有效地傳導熱量和電,它的導電性也非常高,而且幾乎是透明的。它不僅具有令人難以置信的物理特性,還被廣泛引用為每一重量基礎上創造的最堅固的材料。例如,石墨烯在原子小的情況下,可以使處理器中的晶體管更加緊密地封裝,并允許許多電子行業向前邁進一大步。

石墨烯令人難以置信的物理特性實際上在各種思想實驗中被應用。如果它能在至少一米長的線程中被制造出來,一些科學家相信這些石墨烯可以被編織在一起,從而使它既足夠堅固又足夠柔韌,可以成為太空電梯的支柱。這種單一的柔性,編織的碳將從地球表面延伸到地球同步軌道之外。如果石墨烯制造能夠自己發展起來的話,這類科幻發明將成為可能。

石墨烯對于各種各樣的領域來說都是革命性的。

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在生物工程領域,科學家們希望利用石墨烯的小尺寸來穿透細胞壁,這可能會使研究人員選擇一個分子。石墨烯還可用于制造一種超細、反生物的水過濾器,用于快速過濾潛在危險的飲用水。它可以簡單地讓設計和建筑規模比以往任何時候都小,石墨烯的低電阻可以使太陽能電池板技術更加節能,但光子中所含的能量不足以激活石墨烯晶體管。由于石墨烯缺乏耐藥性,而且它的填充能力如此之強,能夠很快地大幅提高能源產量,因此石墨烯與污染物的摻雜增加其吸收能力一直是研究的主要來源。然而,就像所有的石墨烯一樣,我們將不得不拭目以待。


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