石墨烯的出现，给人类带来的变化是如此之大，你了解过这种材料吗

你了解石墨烯吗

什么是石墨烯呢石墨我们都很熟悉它本身是由碳元素组成我们知道碳元素的不同组织结构会形成不同的物质比如说金字塔结构就是金刚石而石墨的结构是层状的每一层的碳原子都排列成紧密的蜂窝状六边型网络层与层之间的距离很大呈现为一种松散的东西如果我们把一层一层给拆开那么其中的一层单层原子的二维结就是石墨烯

石墨烯这一概念最早

现实中分离出来基本不可能而且物理学家朗动曾在上世纪30年代他就得出结论他认为二维材料的热运动涨落会破坏自身的结构比如说石墨了石墨层越薄卷肉就越容易卷曲成球状或者是柱状无法维持一个稳定的平面结构所以石墨烯的制备这一段时间被人们认为是不可能的事情不过物理学家盖姆和诺沃肖洛夫这俩人就是不信邪他们所使用的方法被人笑称为透明胶大法用通俗的说就是用透明胶粘住石墨层的两个面然后一撕之后不断的重复这一动作当然了在这一过程中还要辅助一些其他的手段就这样最终他们成功制备出了石墨烯

听起来容易做起来难盖姆和诺沃肖洛夫的实际工作是非常艰苦的事实上该物制备石墨烯前前后后用了一年多的时间制备出的石墨烯也只有几平方微米在制备石墨烯中观测是一个很有难度的事情因为单层原子的石墨烯是高度透明的显微镜下肉眼也很难观测到所以制造过程中很难看见还有可能出现的情况是明明制备出来了但却由于没有看见却错过了那么为了解决这个问题盖姆和诺沃肖洛夫巧妙的利用了石墨烯在厚度300纳米的二氧化硅晶片衬底上产生的光线干涉效应借此来分辨石墨烯我们这也是盖姆二人获得成功的最重要原因

至于他们怎么发现300纳米厚的二氧化硅镜片是合适的距诺沃肖洛夫自己的想法纯属偶然不过运气固然是一部分如果没有他们坚持一年多的不懈努力是不可能有如此巨大的成就的那么这个号称地球上最贵的材料石墨烯它究竟有什么用呢主要是两个方面第一个就是推进人类的认识发展石墨烯中的电子运动比较诡异我们电子的质量仿佛是不存在的其实这不是电子而是电子与石墨烯晶格相互作用产生的准粒子原称迪拉克准粒子根据爱因斯坦的相对论无质量的粒子必须以光速运动所以必须用相对论量子力学来描述

但是石墨烯中的这一种粒子它的实际运动速度只有光速的1/300所以在这样的情况下我们就会对光速相对论以及量子力学有更好的理解俄国物理学家伽莫夫曾经在他的物理世界奇遇记里面描述了一个光速缓慢的世界那么一定程度上说石墨烯正是一个这样的设计那么有了石墨烯我们就可以打开研究相对论量子力学的新天地之前一些要用巨型加速器研究的问题现在就可以搬到小型实验室里来解决了甚至在石墨烯中还可以研究一些巨型加速器都很难研究的问题那么这些问题都会对我们认识世界认识宇宙有更大的帮助

石墨烯的第二大作用就是它作为一种材料可以帮助我们更好的改造世界由于石墨烯的结构极为紧密严整不需要特殊的环境保存在室温环境中也几乎没有任何缺陷所以它可以最大程度的发挥众多原子的力量这就使得它拥有超强的强度而且韧性与技巧网上有一幅流传很广的图片说是一只猫躺在石墨烯做的吊床上单层原子的二维石墨烯承受了宏观物体的惊人质量而正是由于这样的特性使得石墨烯可以应用在飞机火箭导弹防弹衣宇宙飞船等对材料性质要求极高的产品中另外石墨烯做为碳纳米管的原料也会帮助我们实现太空电梯至于现在看来不太实际梦想

那么除此之外石墨烯还具有超强的导电导热性能目前来看石墨烯的主要功能也还是集中在电学上由于石墨烯中电子独特的运动使得石墨烯电子的传说以及对外场的反应都超级迅速这种性能既可以体现在单纯的石墨芯中也能体现在含有石墨烯的复合材料中比如说在晶体管工业中用于石墨烯的高度稳定性我们这种晶体管在接近单个原子的线路上依然能够稳定的工作相比之下现在主导的工业采用晶体管在十纳米也就是几十层原子左右的尺度上就会失去稳定性

另外石墨烯中电子对胃肠反应速度超快这一特点又使得它制成的晶体管可以达到极高的工作效率IBM公司曾经在2010年制造出了工作频率达300亿赫兹的石墨烯晶体管这个比同等线路中的硅晶体管高出数个数量级很多人也相信石墨烯将会成为硅的接班人引领新的微缩室内石墨烯的现实应用啊还有很多比较大的方面还有由于石墨烯不透水不透气可以抵御强酸和强碱这就是石墨烯成为了制作保护膜的理想材料由于既能导电又具有高透明度的特性石墨烯还可以在液晶显示器触摸屏太阳能电池板领域大显身手

比如中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究出了可以卷曲的触屏另外石墨烯制作的快速充电电池超级电容器能检测单个污染物分子的污染探测器量子计算机元件等等也都进入了人们的购物小票或实际的研制之中石墨烯阿他还有两个兄弟我们早些时候说过石墨烯自卑的一个原因是二维结构的石墨烯无法维持平面结构但是即使他无法维持也是很厉害的材料一种情况是滚成了球型这被称为覆膜烯或者是足球烯可以应用在工业材料电化学催化剂化妆品抗癌药物等方面

那么还有一种情况是卷曲成圆柱形这就是塔纳米管也许在不远的将来我们就会开石墨烯电池车上班由石墨烯太阳能电池板来供电乘坐太空电梯来一场太空旅行在医院接受各种人造器官的移植佩戴拥有VR技术的石墨烯制成的隐形眼镜等等有人说石墨烯会是下一次工业革命的核心虽然这一说法未免有些夸大但也并非毫无根据当石墨烯结合了纳米技术与材料科学之后梦想也终将照进现实