石墨烯暢想曲,中國(guó)領(lǐng)跑世界

1、石墨烯暢想曲，中國(guó)領(lǐng)跑世界！ 產(chǎn)業(yè)前沿 2016-02-01 22:18雖然發(fā)現(xiàn)至今僅區(qū)區(qū)11年，石墨烯卻不斷在科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界引發(fā)一輪輪波瀾。隨著人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)逐漸明晰，其神秘面紗就像發(fā)現(xiàn)之初那樣被一層層揭開(kāi)薄且堅(jiān)硬、透光度好、導(dǎo)熱性強(qiáng)、導(dǎo)電率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電子遷移速度快，能在常溫下觀察到量子霍爾效應(yīng)石墨烯創(chuàng)造了諸多“之最”：1. 石墨烯是世上最薄的材料“石墨烯只有0.34納米厚，10萬(wàn)層石墨烯疊加起來(lái)的厚度大約等于一根頭發(fā)絲的直徑，人們用肉眼是看不見(jiàn)它的?！敝锌圃褐貞c研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心副主任史浩飛對(duì)石墨烯作了如此描述。2. 石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)石墨

2、烯比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家用金剛石制成的探針測(cè)試石墨烯的承受能力，在被實(shí)驗(yàn)的石墨烯樣品微粒開(kāi)始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力竟然達(dá)到了2.9微牛左右。這意味著，“如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約2噸重的物品”。3. 石墨烯電阻率極低，電子遷移的速度極快石墨烯無(wú)疑是過(guò)去十年，乃至未來(lái)幾十年，所有材料“明星”中最耀眼的一顆。越來(lái)越多應(yīng)用在研究和暢想中，神奇的石墨烯簡(jiǎn)直無(wú)所不能。太空電梯來(lái)了科學(xué)家們已經(jīng)創(chuàng)造出了一種碳原子線，是人的頭發(fā)的1/20000，它可能是至今宇宙中強(qiáng)度最高的人造材料。這種超薄材料，被稱為“鉆石納米線”，

3、也叫“鉆石鏈”，結(jié)構(gòu)是由類似于六邊形環(huán)的碳原子構(gòu)成的鉆石，也就是我們所熟知的地球上已知最堅(jiān)硬的天然礦物。這使得這些nanothreads可能比最先進(jìn)的碳納米管更堅(jiān)強(qiáng)，這是鉆石鏈的結(jié)構(gòu)是用超級(jí)耐用、超輕、一個(gè)原子厚度的石墨烯片卷起來(lái)而得的，強(qiáng)度比現(xiàn)在最先進(jìn)的碳納米管還要強(qiáng)。金剛石結(jié)構(gòu)類的納米材料是第一次被提出，在上個(gè)世紀(jì)以利用碳基分子合成如此強(qiáng)度的材料的失敗下，“鉆石鏈”標(biāo)志著一個(gè)重要突破。研究利用橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)特殊壓力裝置壓縮由碳和氫分子的苯來(lái)進(jìn)行合成。先將苯分子進(jìn)行層層堆疊，然后彎曲并解體，當(dāng)壓力釋放時(shí)候，形成了一個(gè)與金剛石結(jié)構(gòu)完全不同的鍵結(jié)構(gòu)，從而合成碳納米線。在納米技術(shù)和材料科學(xué)

4、領(lǐng)域，石墨烯和碳納米管，這兩者都是基于碳原子，但結(jié)構(gòu)上卻是有驚人區(qū)別。10年前自從石墨烯的分離，以其優(yōu)異的導(dǎo)電性和強(qiáng)度提供了革命性的電子儲(chǔ)能特性。這些應(yīng)用包括石墨烯和碳納米管下一代觸摸屏，太陽(yáng)能電池以及納米復(fù)合儲(chǔ)電池。新一代鉆石鏈結(jié)構(gòu)，如果被證明是比現(xiàn)有的材料都強(qiáng)，定能能促進(jìn)當(dāng)前和未來(lái)的科技，這涉及更多的節(jié)能高效的電動(dòng)汽車，甚至是耐用電纜，真正意義上實(shí)現(xiàn)不用火箭送人類到太空?！皩?duì)于正在開(kāi)發(fā)的納米材料，我們最瘋狂的夢(mèng)想之一就是能夠制成超強(qiáng)，超輕的電纜，實(shí)現(xiàn)科幻小說(shuō)中的太空電梯。太空電梯的支持，可以空間探索和太陽(yáng)能系探索提供一個(gè)廉價(jià)的突進(jìn)，磁直線電機(jī)將60000英里的碳原子線搭架在地球之上，就像今

5、天的懸浮列車。日本的一個(gè)建筑公司，認(rèn)為納米技術(shù)的進(jìn)步會(huì)在2050前建立和推廣這種結(jié)構(gòu)。石墨烯防彈衣中國(guó)研究石墨烯防彈衣的科學(xué)家表示，石墨烯制成的防彈衣?lián)碛?倍于現(xiàn)有防彈衣技術(shù)（凱夫拉纖維）的防護(hù)能力。美國(guó)萊斯大學(xué)的研究人員進(jìn)行了一次微觀彈道測(cè)試，以一顆微小的硅粒以3000米/秒的速度射向單層石墨烯，發(fā)現(xiàn)這種蜂巢形結(jié)構(gòu)的材料可有效分散動(dòng)能，其能力比鋼材強(qiáng)10倍。這次實(shí)驗(yàn)中硅粒的初速達(dá)到了步槍的3倍，測(cè)試證明，如果在宏觀層面應(yīng)用石墨烯擁有非常強(qiáng)大的防彈能力。上海某個(gè)研究超級(jí)材料的小組稱，他們新創(chuàng)造出的這種材料能夠承受較之以往報(bào)道的石墨烯材料更大的沖擊。報(bào)道稱，這種材料還可以被擠壓成其原始大小的約5

6、%，而且依然能夠恢復(fù)其原來(lái)的形態(tài)，而且即使這一過(guò)程重復(fù)1000次還能保持完好無(wú)損。電子顯微鏡顯示，石墨烯吸收了撞擊的能量，本身變形成一個(gè)圓錐的形狀，并向多個(gè)方向外擴(kuò)散，在一定半徑內(nèi)碎裂。提高網(wǎng)速萬(wàn)倍據(jù)有頭發(fā)絲四百分之一細(xì)的光學(xué)調(diào)制器具備的高速信號(hào)傳輸能力，有望將互聯(lián)網(wǎng)速度提高一萬(wàn)倍，一秒鐘內(nèi)下載一部高清電影指日可待。這項(xiàng)研究是由加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的張翔教授、王楓助理教授以及博士后劉明等組成的研究團(tuán)隊(duì)共同完成的。這項(xiàng)研究的突破點(diǎn)就在于，用石墨烯這種世界上最薄卻最堅(jiān)硬的納米材料，做成一個(gè)高速、對(duì)熱不敏感，寬帶、廉價(jià)和小尺寸的調(diào)制器，從而解決了業(yè)界長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題。銅導(dǎo)線長(zhǎng)距離傳輸

7、速度最高可達(dá)100兆，而每個(gè)石墨烯調(diào)制器的傳輸速度比銅導(dǎo)線快約千倍。如果把10個(gè)石墨烯調(diào)制器放在一起，傳輸速度可以達(dá)到百萬(wàn)兆，上網(wǎng)速度將比現(xiàn)在快1萬(wàn)倍。他們把這種新的寬帶連接技術(shù)叫做“極帶”，價(jià)廉物美是石墨烯調(diào)制器的另一優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)上的光學(xué)調(diào)制器大約5000美元一個(gè)，而石墨烯調(diào)制器只需要幾美元。相對(duì)于現(xiàn)有調(diào)制器幾個(gè)平方毫米的體積，這種石墨烯調(diào)制器還具有體積小的優(yōu)勢(shì)，只有25平方微米，且僅有頭發(fā)絲的四百分之一細(xì)，它可以放在電腦主板上的任何位置。石墨烯是目前已知最薄和最強(qiáng)韌的納米材料，斷裂強(qiáng)度是鋼材的200倍，拉伸幅度可達(dá)到自身尺寸的20%。超薄便簽閃存以已知最薄的材料石墨烯作為暢想的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)師A

8、diti Singh & g Anand共同提出了dataSTICKIES的概念，它很可能取代現(xiàn)有的U盤或硬盤碟片，成為下一代閃存驅(qū)動(dòng)器。dataSTICKIES不僅名副其實(shí)、薄如便簽，還擁有可重復(fù)粘貼、不留痕跡的可粘性，使用時(shí)將它粘貼在計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、音樂(lè)系統(tǒng)上，設(shè)備就能自動(dòng)讀取存儲(chǔ)在其中資料，而且多個(gè)dataSTICKIES還可以堆疊在一起增加容量。這是因?yàn)樗褂昧颂厥獾膶?dǎo)電性粘接劑，并有一層ODTS（光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸層）作為傳送數(shù)據(jù)的介質(zhì)。秒充續(xù)航千里石墨烯這種材料擁有很高的電池密度，它可以比普通電池保存更多的電子。因此我們有望在未來(lái)的智能手機(jī)、筆記本電腦和電動(dòng)汽車中看到它的身影。這

9、種超級(jí)電容的應(yīng)用會(huì)讓電腦變得更薄、手機(jī)變得更小、電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航變得更久，在獲得更長(zhǎng)的續(xù)航電量的同時(shí)充電速度會(huì)大大提高。想象一下，給一部iPhone充滿電只需5秒;給一臺(tái)筆記本電腦充電也只需幾秒;一輛純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程將達(dá)到數(shù)千英里，充電時(shí)間只需一分鐘的話世界會(huì)變成什么樣?石墨烯超級(jí)電容器就是有望將這一夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的科幻技術(shù)。這種技術(shù)在當(dāng)年還處于“邊緣”階段，現(xiàn)在由于量產(chǎn)技術(shù)瓶頸的突破讓這種技術(shù)可以正式應(yīng)用到生活中來(lái)。修復(fù)感知功能劍橋大學(xué)1月29日發(fā)布的一項(xiàng)研究成果顯示，研究人員成功將石墨烯電極植入小鼠腦部，并直接與神經(jīng)元連接，這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)可用于修復(fù)截肢、癱瘓甚至帕金森氏癥患者的感知功能，協(xié)助他

10、們更好地康復(fù)。劍橋大學(xué)研究人員與意大利和西班牙的同行利用小鼠腦部細(xì)胞培養(yǎng)物進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，利用石墨烯材料制造的電極能安全地與腦部神經(jīng)元連接，且連接后這些神經(jīng)元可正常傳遞電波信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)。這些與神經(jīng)元直接連接的電極能把腦電波信號(hào)傳遞給外界，讓外界更清晰地了解腦部活動(dòng)并修復(fù)感知功能。例如，機(jī)械臂如果能接收腦電波信號(hào)，就會(huì)按照截肢患者的想法去抓取物體;通過(guò)對(duì)這些腦電波信號(hào)的干預(yù)也會(huì)有助于帕金森氏癥患者更好控制病情。但此前使用其他材料制作的電極效果并不理想，信號(hào)傳遞很不穩(wěn)定。電子產(chǎn)品中的觸摸屏、液晶顯示、有機(jī)光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等都需要良好的透明電導(dǎo)電極材料。傳統(tǒng)電導(dǎo)電極應(yīng)用的是氧化

11、銦錫，而這種材料脆度較高，比較容易損毀。與之相比，石墨烯不僅更加堅(jiān)硬，性能也更好。氧化銦錫光通過(guò)率比較低，用石墨烯的話，顯示器的屏幕會(huì)更亮、也更省電。"折紙"無(wú)人機(jī)來(lái)自麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)和大學(xué)äT München設(shè)計(jì)自折疊機(jī)器人。只有三分之二英寸（直徑）長(zhǎng)度。該機(jī)器人是由一片聚氯乙烯和激光切割層的聚苯乙烯和紙張的磁鐵里面。一旦加熱，它折疊成不到一分鐘折紙的形狀。在試驗(yàn)中，機(jī)器人可以看到四處以1.5英寸的速度（三至四厘米）每秒，游泳，爬坡，推雙重量，振動(dòng)。這是由于外部磁場(chǎng)，這是預(yù)計(jì)從四線圈下面的框中，而不需要在機(jī)器人本身的電

12、池。機(jī)器人可以指示自毀，被趕進(jìn)一個(gè)罐丙酮使它溶解，只留下一個(gè)小磁鐵。專家認(rèn)為，在未來(lái)它將能獨(dú)立運(yùn)作，有可能擁有所有的現(xiàn)代機(jī)器人所沒(méi)有得技能。一個(gè)小小的自我折疊的折紙機(jī)器人能夠行走和游泳，在自毀，揭示了“折紙”無(wú)人機(jī)可以立即展開(kāi)起飛。法國(guó)研究人員在EPFL和教育機(jī)器人最近推出一個(gè)“折紙”無(wú)人機(jī)可以折疊的雙臂節(jié)省空間-使它小到可以放在上衣口袋里。啟動(dòng)它，車主可以簡(jiǎn)單地拿出來(lái)，因?yàn)橹鄙龣C(jī)能在之后的指示中，展開(kāi)雙臂在短時(shí)間內(nèi)起飛?！皺C(jī)器人的新穎之處在于它可以折疊或展開(kāi)其轉(zhuǎn)子在半秒之內(nèi)，”達(dá)里奧說(shuō)，LED的研究人。當(dāng)不在使用時(shí)，它們會(huì)環(huán)繞在設(shè)備的身體水平。發(fā)現(xiàn)的可折疊的微型無(wú)人機(jī)飛行秒，研究人員說(shuō)，“這

13、臺(tái)設(shè)備的分離是由自己的能力自行展開(kāi)的，由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的力使武器進(jìn)入了位置”。你可以在背包里攜帶許多這樣的背包，比如，當(dāng)你需要它們的時(shí)候，就讓它們松開(kāi)?！崩纾撛O(shè)備可以迅速進(jìn)入災(zāi)害區(qū)，以便帶回照片和建立聯(lián)系需要的時(shí)間。武器，由玻璃纖維和光彈性聚酯，折疊成一個(gè)梯形的形狀。該轉(zhuǎn)子在同一方向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致手臂旋轉(zhuǎn)出相反的方式，并打開(kāi)左右雙垂直褶皺。當(dāng)手臂完全伸展時(shí)，他們的上一節(jié)水平移動(dòng)，會(huì)鎖定部分開(kāi)放，而小磁鐵則保持一切平衡。一個(gè)飛行器在飛行時(shí)保持穩(wěn)定，兩轉(zhuǎn)子對(duì)角的對(duì)方需要順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)而使其他兩個(gè)逆時(shí)針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此，該無(wú)人機(jī)必須在起飛前扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。這個(gè)動(dòng)作是在50毫秒內(nèi)自動(dòng)發(fā)生，一旦傳感器檢測(cè)到手臂

14、已經(jīng)鎖定到位。智能發(fā)熱理療深圳烯旺新材料科技股份有限公司推出的全球首款石墨烯智能發(fā)熱理療系列產(chǎn)品如護(hù)腰、圍巾、發(fā)熱戶外服等。江南石墨烯研究院名譽(yù)理事長(zhǎng)、深圳烯旺新材料科技股份有限公司董事長(zhǎng)馮冠平教授介紹說(shuō)：“傳統(tǒng)護(hù)腰升溫慢、溫度低，且不便于攜帶，而石墨烯護(hù)腰由內(nèi)襯層、石墨烯加熱膜層和外敷層組成，其內(nèi)的碳原子產(chǎn)生的熱能3秒內(nèi)迅速升溫，僅10秒可達(dá)35。石墨烯獨(dú)特的晶粒取向可讓護(hù)腰產(chǎn)品均勻發(fā)熱。起主要作用的加熱膜由無(wú)錫格菲電子薄膜科技有限公司生產(chǎn)的石墨烯制成。小方盒是USB插口充電器，采取藍(lán)牙控溫和控制盒控溫模式，可持續(xù)恒溫發(fā)熱56小時(shí)，有三個(gè)檔位供調(diào)節(jié)。像這樣有溫度的系列產(chǎn)品還有護(hù)腿、圍巾、戶外

15、服和坐墊等，輕薄柔軟便于攜帶?！边@類石墨烯產(chǎn)品的理療效果怎樣？清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院王釗教授回答說(shuō)，研究發(fā)現(xiàn)，除了智能保暖，石墨烯在發(fā)熱過(guò)程中產(chǎn)生的814微米遠(yuǎn)紅外線是最適合人體健康的波段，能與生物體內(nèi)細(xì)胞的水分子產(chǎn)生最有效的“共振”，促進(jìn)生物生長(zhǎng)和血液循環(huán)，強(qiáng)化各組織之間的新陳代謝和增加再生能力，提高機(jī)體的免疫能力，從而起到醫(yī)療保健作用。石墨烯碳滑板在湖南大學(xué)、山西大同大學(xué)等科研院所炭材料專家的技術(shù)支持下，大同新成新材料股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱新城新材）成功研發(fā)“一種受電弓炭滑板材料的制備方法”技術(shù)，已申請(qǐng)發(fā)明專利并獲受理。該技術(shù)主要用于炭滑板的生產(chǎn)制造，可以顯著提高炭滑板材料的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性及摩擦磨

16、損性能。受電弓滑板是高鐵機(jī)車的關(guān)鍵部件。目前現(xiàn)有技術(shù)的受電弓碳滑板中主要是添加加了硫磺、氮化硼、氯化鈣粉等化學(xué)制劑，其體積密度、機(jī)械強(qiáng)度和可靠性等性能指標(biāo)不太理想，性能指標(biāo)偏低，使用壽命較短。隨著新材料不斷研發(fā)成功和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，國(guó)際上正在逐步向碳纖維、金屬纖維、帶有潤(rùn)滑功能的金屬基和無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料發(fā)展。我國(guó)鐵路高速化發(fā)展較晚，在碳基滑板的研制及應(yīng)用方面處于滯后狀態(tài)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)較高速鐵路用電力機(jī)車受電弓滑板主要依賴進(jìn)口，且價(jià)格昂貴。鐵總一直致力于力推核心零部件的國(guó)產(chǎn)化。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，新城新材提出了利用石墨烯增強(qiáng)炭基復(fù)合材料來(lái)制備生產(chǎn)受電弓碳滑板材料。該復(fù)合材料綜合了炭材料的優(yōu)異電學(xué)性能和

17、石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及耐摩擦磨損等性能，經(jīng)過(guò)多次的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，最終確定了受電弓碳滑板材料的工藝配方與技術(shù)路線。所得產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)明顯均優(yōu)于TJ/CL 328-2014動(dòng)車組碳滑板中關(guān)于碳條性能的指標(biāo)要求。人造肌肉科學(xué)家創(chuàng)造微小的折紙石墨紙，可以變成一個(gè)盒子。紙是由2種石墨烯片制成的一個(gè)原子厚，當(dāng)暴露在溫度或光，從而改變石墨烯結(jié)構(gòu)的褶皺。在未來(lái)，它可以創(chuàng)建任何從微小的機(jī)器人到人造肌肉，科學(xué)家創(chuàng)造了折紙風(fēng)格的石墨烯紙可以折掉。這一突破是在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種利用熱能和紅外光來(lái)移動(dòng)薄的石墨烯片的方法之后進(jìn)行的。作為材料界的新星，石墨烯因具有極好的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)

18、性能，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、鋰離子電池、航天、軍工、新一代顯示器等傳統(tǒng)領(lǐng)域和新能源、新材料等新興領(lǐng)域都將帶來(lái)革命性的技術(shù)進(jìn)步。盡管石墨烯在諸多領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用，但是沒(méi)有一種方法可以大批量生產(chǎn)石墨烯。二維石墨烯存在著合成成本高，工藝復(fù)雜;易于堆積或團(tuán)聚;分散于穩(wěn)定劑中，濃度很低等材料制備和應(yīng)用難點(diǎn)。在制備三維石墨烯并降低成本的道路上，沈培康教授團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了長(zhǎng)期研究，并邁出了關(guān)鍵一步發(fā)明了離子交換樹(shù)脂一步法批量制備三維多級(jí)孔石墨烯材料。通過(guò)離子交換樹(shù)脂一步法制備三維類石墨烯材料，產(chǎn)品合成工藝簡(jiǎn)單，原料來(lái)源廣泛，成本低廉，可以成噸、成百噸生產(chǎn)。目前石墨烯行業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)申請(qǐng)數(shù)量非常大，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。目前，有報(bào)告稱石墨烯技術(shù)