從茹毛飲血的原始社會(huì)到王權(quán)初現(xiàn)的部落時(shí)代,再到如今文明守禮的現(xiàn)代社會(huì),人類(lèi)經(jīng)歷了數(shù)萬(wàn)年的發(fā)展,而推動(dòng)人類(lèi)發(fā)展的正是材料工具的發(fā)現(xiàn)與使用。
Tips:文明的起源。人類(lèi)意識(shí)的誕生為文明起源奠定了基礎(chǔ)。意識(shí)具有感知和認(rèn)知兩大功能:感知賦予人感覺(jué)體驗(yàn),人在感覺(jué)基礎(chǔ)上建立了認(rèn)知觀。
遠(yuǎn)古時(shí)代,人們用石頭制作各式各樣的工具用于采集食物,出現(xiàn)早期的部落文明。秦漢時(shí)期,各種鐵器、弓弩的發(fā)明使我們能夠橫掃草原,成為屹立東方的天漢之國(guó)。中世紀(jì)時(shí),紙張,火藥、指南針的發(fā)明推動(dòng)了文明、探索的進(jìn)步。
近代,石油的發(fā)現(xiàn)更是推動(dòng)了工業(yè)革命的發(fā)展,將人類(lèi)引進(jìn)一個(gè)嶄新的文明的世界。20世紀(jì),各類(lèi)半導(dǎo)體材料的出現(xiàn),引領(lǐng)我們走向高度發(fā)達(dá)的信息化時(shí)代。
Tips:中國(guó)四大發(fā)明是造紙術(shù)、指南針、火藥、印刷術(shù)。四大發(fā)明是中國(guó)古代創(chuàng)新的智慧成果和科學(xué)技術(shù),四大發(fā)明的概念卻來(lái)源于西方學(xué)者,并在之后被中國(guó)人接受。
縱觀世界的發(fā)展史,就是一部材料的進(jìn)化史。每一個(gè)新型材料的出現(xiàn)都引領(lǐng)著一個(gè)時(shí)代的發(fā)展,改變著人類(lèi)的生活方式。而引領(lǐng)21世紀(jì)發(fā)展的超級(jí)材料就是石墨烯。那么石墨烯時(shí)代的來(lái)臨會(huì)給我們的社會(huì)生活帶來(lái)怎樣的變化呢?
什么是石墨烯?
說(shuō)起石墨烯,大家可能會(huì)一頭霧水,不清楚這是個(gè)什么東西,但要說(shuō)到石墨,大家的認(rèn)識(shí)就深刻多了。石墨是碳的同素異形體,簡(jiǎn)單來(lái)講他倆都是由碳原子組成的,但是因?yàn)榕判蚍绞讲煌?,?dǎo)致性質(zhì)不同的同卵雙胞胎。石墨在日常運(yùn)用中,因其質(zhì)地偏軟具有一定的延展性,常用做鉛筆的筆芯。
Tips:石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性,在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景,被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。
在我們用這些鉛筆在紙上勾勒未來(lái)的藍(lán)圖時(shí),我們并不知道這些黑色的線(xiàn)條竟然能誕生出影響世界走向的超級(jí)材料。這種引領(lǐng)人類(lèi)未來(lái)走向的材料就是石墨烯。石墨烯與石墨僅有一字之差,兩者的關(guān)系十分緊密,可以說(shuō)石墨烯就是從石墨身上帶下來(lái)的孩子。
我們知道,石墨是由一層一層的六邊形碳原子層有序堆疊而形成,看起來(lái)就像是一個(gè)蜂窩狀的立體圖形。由于石墨各層面的分子間作用力較小,因此石墨層間很容易剝離,形成薄的石墨片,這也正是鉛筆在紙上留下痕跡的原因。當(dāng)石墨剝離成一個(gè)單層的,只有一個(gè)碳原子層時(shí),所獲得的就是石墨烯。
Tips:石墨是碳的一種同素異形體,為灰黑色、不透明固體,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,耐腐蝕,同酸、堿等藥劑不易發(fā)生反應(yīng)。
科學(xué)界在很長(zhǎng)一段時(shí)間中,認(rèn)為石墨烯的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,無(wú)法單獨(dú)存在,僅將其當(dāng)做一種假設(shè)性結(jié)構(gòu)。直到2004年,英國(guó)物理學(xué)家海姆與同事成功在實(shí)驗(yàn)中將石墨烯從石墨中分離出來(lái),從而證實(shí)了它可以單獨(dú)存在,石墨烯才從人類(lèi)的假想來(lái)到真實(shí)的世界。兩位得出開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)家,也憑此獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
事實(shí)上,早在20世紀(jì)初,科學(xué)家就開(kāi)始尋找石墨烯的身影,特別是在X射線(xiàn)晶體學(xué)創(chuàng)立后,科學(xué)家可以通過(guò)X射線(xiàn)來(lái)研究晶體中原子的排列順序,極大的方便了科學(xué)家對(duì)石墨性質(zhì)結(jié)構(gòu)的描述和石墨烯的發(fā)現(xiàn)。1918年,物理學(xué)家V. Kohlschütter和P. Haenni詳細(xì)地描述了石墨氧化物質(zhì)的性質(zhì)。
Tips:X射線(xiàn)晶體學(xué)是一門(mén)利用X射線(xiàn)來(lái)研究晶體中原子排列的學(xué)科。運(yùn)用X射線(xiàn)晶體學(xué) [1] 可以了解大分子如蛋白質(zhì)與DNA的結(jié)構(gòu)和功能。
1948年,物理學(xué)家發(fā)布了用透射電子顯微鏡拍攝的少層石墨烯(層數(shù)在3層至10層之間的石墨烯)圖像,這也是最早的石墨烯圖像。以上種種發(fā)現(xiàn)振奮了科學(xué)家們好奇、探索的心理,他們?cè)噲D開(kāi)始分離、制造石墨烯。
但是囿于時(shí)代的局限和設(shè)備的落后,科學(xué)家并沒(méi)有見(jiàn)到夢(mèng)想中的石墨烯。2004年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)與俄國(guó)微電子工藝研究所合作共同研究開(kāi)發(fā)石墨烯項(xiàng)目。在兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的精誠(chéng)合作之下,成功分離出了單獨(dú)的石墨烯平面,這是世界上首個(gè)成功的石墨烯分離實(shí)驗(yàn)。在分離石墨烯的過(guò)程中,曼徹斯特大學(xué)家教授海姆與其團(tuán)隊(duì)偶然地發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)便的易于操作的石墨烯新型制備方法。
Tips:透射電子顯微鏡Transmission Electron Microscope,簡(jiǎn)稱(chēng)TEM,可以看到在光學(xué)顯微鏡下無(wú)法看清的小于0.2um的細(xì)微結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)稱(chēng)為亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)。
他們巧妙地利用了石墨的層狀結(jié)構(gòu)特征,將石墨片放在膠帶上,用膠帶粘住石墨片的兩側(cè),輕輕撕開(kāi)膠帶后,石墨片也一分為二,然后重復(fù)進(jìn)行以上操作使石墨片的厚度越來(lái)越小,直到再也無(wú)法分離。最后用顯微鏡在浩如煙海的薄片中尋找到了厚度只有0.34納米的石墨烯。在海姆及其團(tuán)隊(duì)日以繼夜、苦心孤詣的專(zhuān)研下,石墨烯從虛幻來(lái)到了現(xiàn)實(shí)世界,并綻放出璀璨的光彩。
石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
石墨烯是一種由碳原子經(jīng)SP2電子雜化軌道形成的,是碳元素的一種同素異形體,是碳原子六邊形結(jié)構(gòu)組成的二維單層石墨層材料。它可以翹曲成零維的富勒烯,卷成一堆碳納米管或者堆垛成三維石墨,它是眾多碳質(zhì)材料的最基本單元。
Tips:碳納米管,又名巴基管,是一種具有特殊結(jié)構(gòu),徑向尺寸為納米量級(jí),軸向尺寸為微米量級(jí),管子兩端基本上都封口的一維量子材料。
如果對(duì)石墨烯有更深入的了解,人們就有可能依據(jù)自己的意愿定向制作某種碳質(zhì)材料。石墨烯的外觀并不是平滑如鏡的,在微觀上它的表面呈現(xiàn)出一種粗糙性,表面的起伏如同波浪一般。關(guān)于這種粗糙性的由來(lái),科學(xué)家們猜測(cè)這可能是襯底與石墨烯相互作用導(dǎo)致的。
完美的石墨烯結(jié)構(gòu)是二維的,并且只包括六邊形結(jié)構(gòu),可以將其看作是一層被剝離的石墨分子。我們知道碳原子的原子數(shù)量是6,在電子軌道的排列中,P軌道上沒(méi)有排滿(mǎn)。在石墨烯結(jié)構(gòu)中,碳原子的連接方式是苯環(huán)狀六邊形連接,所以每個(gè)碳原子在連接之后會(huì)剩下一個(gè)P電子,能夠在晶體中自由移動(dòng),賦予石墨烯良好的導(dǎo)電性。
Tips:物體傳導(dǎo)電流的能力叫做導(dǎo)電性。各種金屬的導(dǎo)電性各不相同,通常銀的導(dǎo)電性最好,其次是銅和金。
石墨烯有單雙多層之分,其中,單層石墨烯厚底為0.334納米,約為人體頭發(fā)的十萬(wàn)分之一,而石墨烯的性能也與其層數(shù)密切相關(guān)。
石墨烯的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定,是平面六邊形結(jié)構(gòu)。石墨烯內(nèi)部的碳原子之間的連接十分柔韌,當(dāng)外力施加在石墨烯上,其碳原子面會(huì)彎曲變形,以極其柔韌的身姿來(lái)承接外力,使內(nèi)部的碳原子不必重新排列來(lái)抵抗外力的入侵,從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)使石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性。
Tips:導(dǎo)熱硅脂具有高導(dǎo)熱率,極佳的導(dǎo)熱性,良好的電絕緣性,只針對(duì)絕緣導(dǎo)熱硅脂,較寬的使用溫度,很好的使用穩(wěn)定性,較低的稠度和良好的施工性能。
另外石墨烯中的電子在sp2軌道中移動(dòng)時(shí),不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生不必要的散射。由于石墨烯的原子間作用力十分強(qiáng)大,即使周?chē)?span style="color:#202122;font-size:16px;">碳原子發(fā)生擠撞,石墨烯內(nèi)部電子受到的干擾也非常小,可以應(yīng)用在各種高新技術(shù)領(lǐng)域。
石墨烯的應(yīng)用前景
目前石墨烯行業(yè)正在摸索之中,不過(guò)石墨烯材料的前景十分廣大。得益于石墨烯良好的導(dǎo)電性和透光性,使它能夠應(yīng)用在透明導(dǎo)電電極上。手機(jī)觸摸屏、液晶顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管、電腦的顯示屏等等元件,都需要良好的透明導(dǎo)電電極材料。更不必說(shuō),石墨烯同時(shí)具備優(yōu)秀的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、柔韌性和高強(qiáng)度性,堪稱(chēng)全能復(fù)合型材料之王。
Tips:OLED又稱(chēng)為有機(jī)電激光顯示、有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體。OLED屬于一種電流型的有機(jī)發(fā)光器件,是通過(guò)載流子的注入和復(fù)合而致發(fā)光的現(xiàn)象,發(fā)光強(qiáng)度與注入的電流成正比。
通過(guò)化學(xué)氣相沉積法,我們可以得到大面積的、透明的單層石墨烯薄膜,用于光伏器件的陽(yáng)極,能量轉(zhuǎn)化率為1.71%。此外,石墨烯材料可以用來(lái)制備太陽(yáng)能電池。
除了應(yīng)用于化學(xué)方面,石墨烯還可以應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)方面。研究表明石墨烯制作的過(guò)濾器比目前市面上的任何一種過(guò)濾技術(shù)更強(qiáng)更陷阱,可用于海水淡化,將其變?yōu)榈?,供人?lèi)飲用和農(nóng)田灌溉,緩解干旱地區(qū)的旱情。
Tips:太陽(yáng)能電池,是一種利用太陽(yáng)光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片,又稱(chēng)為“太陽(yáng)能芯片”或“光電池”,它只要被滿(mǎn)足一定照度條件的光照度,瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。
石墨烯氧化物還是一種抗菌物質(zhì)。我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn),石墨烯氧化物對(duì)大腸桿菌有著優(yōu)異的抑制作用,它就像是大腸桿菌的天敵一樣。在這個(gè)抑制過(guò)程中就像裝感應(yīng)器一樣只針對(duì)大腸桿菌,不影響人體其他的細(xì)胞。如果這種氧化物能夠?qū)ζ渌募?xì)菌也有抗菌性,那么在抑制其他細(xì)胞方面如癌細(xì)胞的生長(zhǎng),就能拯救人類(lèi)的生命,為醫(yī)學(xué)打開(kāi)一條通天坦途。
石墨烯材料強(qiáng)大的應(yīng)用空間和領(lǐng)域,讓世界各國(guó)都為之著迷,認(rèn)為得石墨烯材料之先者可得天下。世界各國(guó)出臺(tái)許多政策和計(jì)劃來(lái)大力開(kāi)發(fā)和扶持石墨烯項(xiàng)目,爭(zhēng)取把握住改變世界的機(jī)遇,成為時(shí)代的弄潮兒。
Tips:大腸桿菌Escherichia coli,又叫大腸埃希氏菌,在1885年發(fā)現(xiàn)的。大腸桿菌是條件致病菌,在一定條件下可以引起人和多種動(dòng)物發(fā)生胃腸道感染或尿道等多種局部組織器官感染。
作為最先發(fā)現(xiàn)和分離出石墨烯材料的國(guó)家,英國(guó)在石墨烯材料的研發(fā)和開(kāi)拓中占盡先機(jī),不僅將石墨烯作為戰(zhàn)略性新興材料之一,還投入大把的金錢(qián)在石墨烯的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域之中,身體力行的扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)。并在2018年,建成石墨烯工程創(chuàng)新中心,在石墨烯基礎(chǔ)研發(fā)領(lǐng)域領(lǐng)跑全球。
美國(guó)十分重視石墨烯材料的研發(fā)。目前已經(jīng)建成了相對(duì)完善的產(chǎn)業(yè)鏈,國(guó)家高度支持研發(fā)石墨烯晶體管、儲(chǔ)能設(shè)備,并在以上領(lǐng)域取得多項(xiàng)重大技術(shù)突破。日本從2007年開(kāi)始在石墨烯領(lǐng)域發(fā)力,目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為全面,主要在電子領(lǐng)域的研發(fā)有所突破。歐盟更是豪擲10億歐元投入到石墨烯產(chǎn)業(yè)的研發(fā)之中。
Tips:英國(guó)是由大不列顛島上的英格蘭、威爾士和蘇格蘭以及愛(ài)爾蘭島東北部的北愛(ài)爾蘭以及一系列附屬島嶼共同組成的一個(gè)西歐島國(guó)。
在這場(chǎng)看不見(jiàn)硝煙的石墨烯研發(fā)大戰(zhàn)中,我國(guó)已經(jīng)取得了戰(zhàn)績(jī),領(lǐng)先于世界各國(guó)。我國(guó)豐富的石墨含量是支撐我們的根源與底氣。我國(guó)的石墨資源為5500萬(wàn)噸,僅位于巴西之下,是全世界第二大石墨資源儲(chǔ)備大國(guó)。強(qiáng)大的石墨資源儲(chǔ)備,使我們能夠進(jìn)行大量的石墨烯制備,并應(yīng)用在研究之中。截止目前,我國(guó)的石墨烯專(zhuān)利數(shù)量位于世界第一,占全世界石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)總數(shù)的66.57%,專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)達(dá)35570件。
我國(guó)十分重視石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展,出臺(tái)了許多利好政策扶持石墨烯產(chǎn)業(yè)。目前,我國(guó)已經(jīng)形成以長(zhǎng)三角區(qū)域和珠江三角區(qū)為中心向四周輻射的石墨烯產(chǎn)業(yè)格局。在寧波實(shí)行石墨烯產(chǎn)業(yè)三年攻堅(jiān)計(jì)劃,在2017年到2019年間,建成相對(duì)完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈。在北京建立18個(gè)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)開(kāi)展石墨烯共性技術(shù)研究及應(yīng)用。
Tips:寧波是國(guó)家歷史文化名城,公元前2000多年的夏代,寧波的名稱(chēng)為“鄞”,春秋時(shí)為越國(guó)境地,秦時(shí)屬會(huì)稽郡的鄞、鄮、句章三縣,唐時(shí)稱(chēng)明州。
我國(guó)舉全國(guó)之力,來(lái)應(yīng)對(duì)這一場(chǎng)時(shí)代風(fēng)向之戰(zhàn),通過(guò)政策扶持、社會(huì)引導(dǎo)、積極攻堅(jiān)等幾個(gè)方面多管齊下,造就了我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)的輝煌成就。在這個(gè)決定世界走向的超級(jí)材料大戰(zhàn)中,取得領(lǐng)先地位。
每一個(gè)新技術(shù)的誕生都會(huì)推動(dòng)世界的發(fā)展,給社會(huì)帶來(lái)新的氣象、新的生活方式。石墨烯材料的出現(xiàn),無(wú)疑是引領(lǐng)時(shí)代潮流的力作。
Tips:石墨烯作為近年來(lái)備受關(guān)注的新型材料,其用途非常廣泛,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)域和新興領(lǐng)域都將帶來(lái)革命性的技術(shù)進(jìn)步。
我國(guó)能夠在石墨烯材料的發(fā)展中取得領(lǐng)先地位,是無(wú)數(shù)的科研人員從青絲到白發(fā),日以繼夜,夙興夜寐所取的輝煌成就,是強(qiáng)大國(guó)力支撐下的無(wú)雙戰(zhàn)績(jī)。這場(chǎng)勝利是中華兒女從富起來(lái)到強(qiáng)起來(lái)的標(biāo)志,是中華民族偉大復(fù)興道路的基石,是無(wú)數(shù)研究人員的心血。