石墨烯到底是科技还是科幻?带你了解有关石墨烯的那些事

石墨烯到底是科技还是科幻?关于石墨烯

石墨烯的神奇功能,大家一定都听说过,但经过这些年的观察,很多人发现自己好像被忽悠了,石墨烯似乎离我们依然很遥远。你相信市场上的石墨烯产品吗?到底石墨烯是一个科技噱头,还是一匹真正的黑马?我们从今天开始开拓一个石墨烯专题,后面陆续讲解有关石墨烯的那些事。

石墨烯到底是科技还是科幻?带你了解有关石墨烯的那些事

一、石墨烯的发现

石墨烯,是刚发现十多年的一种新材料。我们这里说发现而不是发明,是因为自然界本来就有石墨烯。我们经常说的石墨在自然界分布非常广泛,它们就是由石墨烯堆积起来的,只是人们一直没有办法把单片的石墨烯拿出来而已。直到2004年,英国的两位科学家成功把单片的石墨烯制备出来,我们才得以深入研究石墨烯,当然这两位科学家也因此获得了2010年的诺贝尔奖。同时,两位科学家制备石墨烯的方法也传为了科学创新的佳话。

化学上一提到制备,往往都是一堆瓶瓶罐罐里加上各种试剂,通过复杂的化学反应流程,最终得到一种物质。但石墨烯最初的制备,居然就像小孩过家家一样,只用石墨和胶带就可以完成。石墨就像是用石墨烯堆叠起来的千层饼,我们如果能一层一层揭开,就得到了石墨烯。但是一层石墨烯的厚度很小,不仅肉眼看不见,就连在显微镜下也分辨不出来。所以,不可能像揭开不干胶一样把它揭下来。但是,英国的两位科学家,想到的办法是用两条胶带分别粘住石墨的两面,然后一揭,就可以粘下来很多层石墨烯。然后再用两个胶带粘住,揭开,石墨又变薄了。如此反复操作,就可以让千层饼一样的石墨越来越薄,最后只剩下一层,就是石墨烯了。这样的一片石墨烯是一种类似蜂窝形状的薄片网络结构,业内都叫它二维晶体材料,得到这样的石墨烯就可以对它进行研究了。这个故事,很多朋友都听过,下面我们再简单说说石墨烯的性质和应用。

石墨烯到底是科技还是科幻?带你了解有关石墨烯的那些事

二、石墨烯的性质和应用

1.理想中的石墨烯材料潜力无限

石墨烯的第一个特殊性质就是很强的力学性能。通俗点说,石墨烯是目前已发现最结实的材料之一。同样粗细的钢缆和石墨烯做的绳子,拉断钢缆的力量再增加200倍才有可能把石墨烯绳子拉断。同时,石墨烯的密度只有钢铁的三分之一到四分之一。科幻小说中,把太空电梯作为未来世界的标配,但这种电梯怎么做,也是一个难题。如果用钢缆来带动电梯的话,几百公里甚至几万公里长的钢缆,不用连接电梯轿厢,自己的重量都可以把自己压断了。最有可能成为太空电梯绳缆的材料就是石墨烯或者碳纳米管做成的绳缆。

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如果用石墨烯做成保鲜膜厚度的薄膜,虽然会像保鲜膜一样柔软,但是要想把它给撕开,可不是个简单的事情。有人做过测算,如果想用针尖扎透一张石墨烯做的保鲜膜,这个针的上面得站一头大象才行。同时,完美石墨烯是近乎绝对不漏气的材料,就连最轻的氢气和氦气也不能从石墨烯的空隙中钻过去。如果未来可以做出完美的石墨烯轮胎,几乎就可以终生不用打气了,即使汽车轧上钉子,也很难把轮胎给扎破。当然也不是永远安全,时间长了还是会磨破的,另外用火烧也会着火的。换句话说,石墨烯虽好,也不是毫无破绽的。

按照这样的能力,石墨烯未来的用途会非常广泛,比如航天领域已经开始规划石墨烯材料做燃料罐了、石墨烯做的太空服也会非常科幻。

这些应用听起来很好,但真正到实际应用还非常遥远。因为这里最大的难题就是石墨烯的生产问题。其实石墨烯本身并不难生产,自然界有的是,我们现在有很多办法提取出石墨烯来,在淘宝上,你一百多块钱就能买一斤石墨烯。但是这样的石墨烯买了也不能做上面说的那些事。你能买到的只是石墨烯粉末,真正的石墨烯薄膜是很贵的。就像钻石一样,越大的钻石越值钱,蜡烛燃烧产生的烟里就有大量的微型钻石,你从来都不会觉得蜡烛燃烧产生的烟会很贵。同样的,石墨烯粉末价格并不高,但要是做成很大面积的石墨烯薄膜,那就价值不菲了。

石墨烯到底是科技还是科幻?带你了解有关石墨烯的那些事

现在的工业生产能做到巴掌大的石墨烯薄膜,就已经很不容易了,因为大片的石墨烯生产,并不像压制钢板那么简单,也不像生产塑料薄膜那么容易。一片石墨烯不管面积有多大,都算是一个分子,越大越复杂的分子生产起来越困难,这是大家都知道的。换句话说,石墨烯的生产,并不是一堆碳原子压制出来的,而是用化学反应合成的,面积越大合成越困难。不过,魔高一尺,道高一丈,我们现在已经有很多方法可以生产石墨烯了。日本索尼公司2012年已经可以生产宽20厘米、长100米的石墨烯复合材料卷轴了,但这种材料的价格大概跟黄金的价格已经差不多了。未来要想让石墨烯大规模应用起来,还需要不断降低生产成本。

但即使我们已经可以生产大面积的完整石墨烯了,要想做成我们刚才提到的轮胎,还是不行的,我们理想中的石墨烯是完美的结构,没有瑕疵,没有缺陷,但现实生产的石墨烯或多或少都有瑕疵,而且面积越大,瑕疵越多。大面积的完美石墨烯材料,眼下的生产水平是做不到的,就算能做到,价格也会高到离谱。一个完美的石墨烯轮胎绝对比最贵的汽车还要贵得多,不是我们一般消费者能消费得起的。东城老师曾经设想,蜘蛛侠的衣服很有可能通过石墨烯和碳纳米管材料来实现,有兴趣的朋友可以猜猜用地球上的材料怎样让衣服实现蜘蛛侠服装的那些功能。找时间,我们讲一讲实现的方法。

2.现实中石墨烯也有很大的发挥空间

有朋友可能会说了,看来真的被人忽悠了,石墨烯根本还没法应用,也不是这样的。石墨烯的性质并不是只有结实这一个,还有很多性质可以现在就用起来。比如石墨烯的导热性非常强,有多强呢,我们简单类比一下。金属界,导热性最强的是银,其次是铜,一般我们的笔记本电脑里都会用铜来把CPU和显卡产生的热量传输出来。比银导热性还强的是金刚石,如果金刚石够大,像一把小尺子一样长,我们用手握住尺子的这一头,就可以用金刚石的另一头来融化冰块。而石墨烯的导热性能是金刚石的1.5倍,也就是比金刚石还强。有些手机生产厂商已经开始尝试用石墨烯材料来给手机散热了。

还有,石墨烯有非常好的导电性能,是目前导电性能最好的半导体材料。再加上石墨烯本性柔软且透明,非常适合做柔性器件。比如通过应用石墨烯材料,生产可以弯折的太阳能电池板。还可以用石墨烯制作柔性屏幕和触摸屏,一举克服现在手机怕摔且不能弯折的劣势,将来可弯折的手机也将会越来越多。目前各国都在攻关石墨烯柔性芯片,一旦研制成功,很多电影中才能见到的柔性可穿戴设备和透明手机将不再是梦想。我国北大科研团队,研发出了碳基芯片,使用碳纳米管做晶体管,未来的发展方向就是在石墨烯的基础上研发柔性碳基芯片。

石墨烯到底是科技还是科幻?带你了解有关石墨烯的那些事

石墨烯可以用来制作锂离子电池的电极材料,比传统的石墨材料性能要好很多,储存的电量更高,寿命更长。但是石墨烯的成本比普通石墨要高很多,对于电池的成本影响比较大,未来能否大范围应用,还得看石墨烯生产成本能否大幅度下降。石墨烯的导电性能还可以进一步加强,比如添加一些元素进行导电性改造,可以做成非常好的导体,或者把石墨烯放到液氦里面,导电性能将大大提高。这都都决定了石墨烯会有非常好的应用前景。

大片的石墨烯用途非常广泛,但也不是说小片的石墨烯就没用了,下面再说说石墨烯粉末的应用。石墨烯粉末,专业点说应该叫石墨烯粉体,也有石墨烯的性质,也能有非常广泛的应用,而且现在来说,这些应用已经走向了市场。

石墨烯到底是科技还是科幻?带你了解有关石墨烯的那些事

石墨烯粉末仍然有良好的导电性和导热性,结构依然很结实,不容易磨坏。所以这类材料往往会被添加进其他材料里面增强其他材料的性能。比如,可以把石墨烯粉末加入润滑油,会给工程机械带来更好的润滑效果,减少机械损伤;添加了石墨烯的油漆有更好的防腐蚀效果;添加了石墨烯的衣服、油漆或地坪,由于具有导电性,可以防止积累静电;地暖用的耐热聚乙烯塑料管材中加入石墨烯可以更好的导热,提高热量的利用率;石墨烯添加到衣物里面,具有一定的远红外辐射功能等等。总之,石墨烯粉体可以在军事、航空航天、工程机械、家居衣物、环境治理、医药等多个领域得到广泛的应用。后面我们会陆续介绍一些应用场景。

三、我国的石墨烯科技具有领先优势

作为一个科技大国,我国一直注重科技领域的布局。东城老师一直有个观点,那就是虽然我们国家在传统科技领域与西方发达国家有一定的差距,但在很多新兴科技领域,中国紧跟世界潮流,甚至一些领域实现了领先。作为爱国志士,我们不应该做“吃火龙果吐籽”的事情,不要事事苛求完美。

我们国家在不放松传统科技领域研发的同时,一直比较注重新兴科技的研发投入。比如石墨烯材料领域,虽然是英国最早突破的,各国也都在研究,但中国的研究成果非常喜人。从国家层面,我国把石墨烯材料和稀土材料作为未来重点发展的产业领域,给予了很大的政策支持。据统计,中国科研人员发表的跟石墨烯相关的论文数量居世界首位,比美国还多。专利数量也远超美国,居于世界首位,据统计,2016年-2018年中国申请石墨烯专利一共有22912件,而美国是841件。从数量上来说,优势还是非常明显的。可见我国各行业对石墨烯材料的重视。再加上我国有巨大的应用市场,未来我国最早完成碳材料革命,一点都不奇怪。

石墨烯到底是科技还是科幻?带你了解有关石墨烯的那些事

在国家的政策指导下,国内大量企业围绕石墨烯材料展开了创业和研发,一大批相关产品面世销售。当然,这些产品里,有些是非常优秀的功能产品,给我们的生活带来了便捷,也有一些是炒作石墨烯噱头,没有宣传的那么神奇,希望大家擦亮眼睛,避免上当。后面,我会陆续介绍一些真实的应用,也会对一些噱头进行辟谣。

出处:见配图水印

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