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石墨烯基本情况及应用前景简介

摘要:   石墨烯简介   石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种,还非常牢固坚硬;作为单质,它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。   石墨烯是一种二维晶体,最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为"载荷子"(electric charge carrier),的性质和相对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。   石墨烯特性   石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质,结构非常稳定。其完美的晶格结构,常被误认为很僵硬,但事实并非如此。石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形。这样,碳原子就不需要重新排列来适应外力,这也就保证了石墨烯结构的稳定,使得石墨烯比金刚石还坚硬,同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于其原子间作用力非常强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。   石墨烯被证实是世界上已经发现的最薄、最坚硬的物质。美国哥伦比亚大学James Hone等人最近发现,铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体,竟然比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质为"太空电梯"超韧缆线的制造打开了一扇"阿里巴巴"之门,让科学家梦寐以求的2.3万英里长(约合37000千米)太空电梯可能成为现实。其厚度只有0.335纳米,把2000片薄膜叠加到一起,也只有一根头发丝那么厚。单层石墨烯几乎透明,其分子排列紧密,即使原子尺寸最小的氦也不能通过。美国机械工程师杰弗雷·基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度:如果将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上,然后试图用一支铅笔戳穿它,那么需要一头大象站在铅笔上,才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨烯薄层。   石墨烯的另一特性是,其导电电子不仅能在晶格中无障碍地移动,而且速度极快,远远超过了电子在金属导体或半导体中的移动速度。还有,其导热性超过现有一切已知物质。石墨烯的上述特性非常有利于超薄柔性OLED显示器的开发。据了解,韩国三星公司的研究人员已经制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。   应用领域介绍   可做"太空电梯"缆线   据科学家称,地球上很容易找到石墨原料,而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质,它将拥有众多令人神往的发展前景。它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣,甚至还为"太空电梯"缆线的制造打开了一扇"阿里巴巴"之门。美国研究人员称,"太空电梯"的最大障碍之一,就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线,美国科学家证实,地球上强度最高的物质"石墨烯"完全适合用来制造太空电梯缆线!   人类通过"太空电梯"进入太空,所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料,美国NASA此前还发出了400万美元的悬赏。   代替硅生产超级计算机   科学家发现,石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯的这种特性尤其适合于高频电路。高频电路是现代电子工业的领头羊,一些电子设备,例如手机,由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中,它们被要求使用越来越高的频率,然而手机的工作频率越高,热量也越高,于是,高频的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出现,高频提升的发展前景似乎变得无限广阔了。 这使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品,能用来生产未来的超级计算机。   光子传感器   石墨烯还可以以光子传感器的面貌出现在更大的市场上,这种传感器是用于检测光纤中携带的信息的,现在,这个角色还在由硅担当,但硅的时代似乎就要结束。去年10月,IBM的一个研究小组首次披露了他们研制的石墨烯光电探测器,接下来人们要期待的就是基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏了。因为石墨烯是透明的,用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。   其它应用   石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域,同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用这一点石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤;用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣,甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。   石墨烯概念都是浮云 相关公司不约而同澄清传言   随着市场对石墨烯相关概念股炒作的愈演愈烈,近期股价走势强劲的中钢吉炭、南风化工今日"不约而同"对外界传言予以了澄清。   日前,有媒体报道称中钢吉炭有意进入石墨烯行业并将取得快速发展。对此,中钢吉炭今日发布公告表示,经公司董事会办公室内部核实并与大股东沟通后确认,公司目前无石墨烯及其相关产业的研发和生产;而公司在十二五期间内也没有从事石墨烯及其相关产业的计划;此外,公司目前所主要从事的是炭素和石墨制品的生产与石墨烯产业亦没有关联。   无独有偶,尽管南风化工已预计公司2010年度将亏损3.8亿元左右,且有可能因此被实行退市风险警示,但近期有传闻称其产品与石墨烯"沾边",公司股价也因此连续两日触及涨停。南风化工今日就此正式发布公告称,近期网络有传闻称公司2001年与清华大学共同投资设立的碳纳米管试验中心所生产的碳纳米管与石墨烯生产有关联。但事实是,经过多年的研究,该试验中心具有15千克/小时碳纳米管批量生产技术,但在下游应用研究方面尚未突破,中心目前处于停产状态。   据了解,石墨烯材料具有超大的形状比,并保持了石墨的基本导电性质和优良的润滑、耐腐蚀、耐高温特性。石墨烯特殊的结构形态,使其具备目前世界上最硬、最薄的特质,同时也具有很强的韧性、导电性、导热性。上述特性使其拥有巨大的发展空间,未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等等大量领域。   而市场此轮对石墨烯炒作的"导火索"是中国宝安1月20日的一则进展公告。其控股子公司贝特瑞自2008年起在原有石墨技术的基础上,开始进行石墨烯的研发和产业化攻关。目前则已完成石墨烯制备工艺的小试,正在进行中试。受此影响,公司近期股价连连上扬,而在石墨烯良好的应用预期下,包括方大炭素、中钢吉炭等与石墨生产相关的上市公司也随即遭到市场热炒,此轮炒作甚至传导到了远在大洋彼岸的美国股市。   不过有分析人士表示,尽管石墨烯前景广阔且已有上市公司从事这一领域的研究,但由于该产品目前在国内仍处于研发阶段,未来的生产、销售也具有不确定性,因此投资者对其背后的风险还应多加关注。
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