石墨烯電池的出現(xiàn)，給人類帶來的變化是如此之大，你了解過這種材料嗎
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-31 12:13
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各位科學(xué)大視野的朋友們，大家好，今天要向大家介紹的是熱度非常高的石墨烯，那么什么是石墨烯呢？石墨我們都很熟悉，它本身是由碳元素組成，我們知道，碳元素的不同組織結(jié)構(gòu)會形成不同的物質(zhì)，比如說金字塔結(jié)構(gòu)就是金剛石，而石墨的結(jié)構(gòu)是層狀的，每一層的碳原子都排列成緊密的蜂窩狀六邊型網(wǎng)絡(luò)，層與層之間的距離很大，呈現(xiàn)為一種松散的東西，如果我們把一層一層給拆開，那么其中的一層單層原子的二維結(jié)就是石墨烯。
石墨烯這一概念最早
現(xiàn)實(shí)中分離出來基本不可能，而且物理學(xué)家朗動曾在上世紀(jì)30年代他就得出結(jié)論，他認(rèn)為二維材料的熱運(yùn)動漲落會破壞自身的結(jié)構(gòu)，比如說石墨了，石墨層越薄卷肉就越容易卷曲成球狀或者是柱狀，無法維持一個穩(wěn)定的平面結(jié)構(gòu)，所以石墨烯的制備，這一段時間被人們認(rèn)為是不可能的事情，不過物理學(xué)家蓋姆和諾沃肖洛夫這倆人就是不信邪，他們所使用的方法被人笑稱為透明膠大法，用通俗的說就是用透明膠粘住石墨層的兩個面，然后一撕，之后不斷的重復(fù)這一動作，當(dāng)然了在這一過程中，還要輔助一些其他的手段，就這樣最終他們成功制備出了石墨烯，
聽起來容易做起來難。蓋姆和諾沃肖洛夫的實(shí)際工作是非常艱苦的，事實(shí)上該物制備石墨烯前前后后用了一年多的時間，制備出的石墨烯也只有幾平方微米，在制備石墨烯中，觀測是一個很有難度的事情，因?yàn)閱螌釉拥氖┦歉叨韧该鞯?，顯微鏡下肉眼也很難觀測到，所以制造過程中很難看見，還有可能出現(xiàn)的情況是，明明制備出來了但卻由于沒有看見卻錯過了，那么為了解決這個問題，蓋姆和諾沃肖洛夫巧妙的利用了石墨烯在厚度300納米的二氧化硅晶片襯底上產(chǎn)生的光線干涉效應(yīng)，借此來分辨石墨烯，我們這也是蓋姆二人獲得成功的最重要原因。
至于他們怎么發(fā)現(xiàn)300納米厚的二氧化硅鏡片是合適的，距諾沃肖洛夫自己的想法純屬偶然，不過運(yùn)氣固然是一部分，如果沒有他們堅持一年多的不懈努力，是不可能有如此巨大的成就的，那么這個號稱地球上最貴的材料石墨烯它究竟有什么用呢？主要是兩個方面，第一個就是推進(jìn)人類的認(rèn)識發(fā)展，石墨烯中的電子運(yùn)動比較詭異，我們電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，其實(shí)這不是電子，而是電子與石墨烯晶格相互作用產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子，原稱迪拉克準(zhǔn)粒子，根據(jù)愛因斯坦的相對論，無質(zhì)量的粒子必須以光速運(yùn)動，所以必須用相對論量子力學(xué)來描述。
但是石墨烯中的這一種粒子，它的實(shí)際運(yùn)動速度只有光速的1/300，所以在這樣的情況下，我們就會對光速相對論以及量子力學(xué)有更好的理解。俄國物理學(xué)家伽莫夫曾經(jīng)在他的物理世界奇遇記里面描述了一個光速緩慢的世界，那么一定程度上說，石墨烯正是一個這樣的設(shè)計，那么有了石墨烯我們就可以打開研究相對論，量子力學(xué)的新天地。之前一些要用巨型加速器研究的問題，現(xiàn)在就可以搬到小型實(shí)驗(yàn)室里來解決了，甚至在石墨烯中還可以研究一些巨型加速器都很難研究的問題，那么這些問題都會對我們認(rèn)識世界認(rèn)識宇宙有更大的幫助。
石墨烯的第二大作用就是它作為一種材料可以幫助我們更好的改造世界，由于石墨烯的結(jié)構(gòu)極為緊密嚴(yán)整不需要特殊的環(huán)境保存，在室溫環(huán)境中，也幾乎沒有任何缺陷，所以它可以最大程度的發(fā)揮眾多原子的力量，這就使得它擁有超強(qiáng)的強(qiáng)度而且韌性與技巧，網(wǎng)上有一幅流傳很廣的圖片，說是一只貓?zhí)稍谑┳龅牡醮采希瑔螌釉拥亩S石墨烯，承受了宏觀物體的驚人質(zhì)量，而正是由于這樣的特性，使得石墨烯可以應(yīng)用在飛機(jī)，火箭，導(dǎo)彈，防彈衣，宇宙飛船等對材料性質(zhì)要求極高的產(chǎn)品中，另外石墨烯做為碳納米管的原料也會幫助我們實(shí)現(xiàn)太空電梯，至于現(xiàn)在看來不太實(shí)際夢想。
那么除此之外，石墨烯還具有超強(qiáng)的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，目前來看石墨烯的主要功能也還是集中在電學(xué)上，由于石墨烯中電子獨(dú)特的運(yùn)動，使得石墨烯電子的傳說，以及對外場的反應(yīng)都超級迅速，這種性能既可以體現(xiàn)在單純的石墨芯中，也能體現(xiàn)在含有石墨烯的復(fù)合材料中，比如說在晶體管工業(yè)中用于石墨烯的高度穩(wěn)定性，我們這種晶體管在接近單個原子的線路上依然能夠穩(wěn)定的工作，相比之下現(xiàn)在主導(dǎo)的工業(yè)采用晶體管在十納米也就是幾十層原子左右的尺度上就會失去穩(wěn)定性。
另外石墨烯中電子對胃腸反應(yīng)速度超快這一特點(diǎn)又使得它制成的晶體管可以達(dá)到極高的工作效率，IBM公司曾經(jīng)在2010年制造出了工作頻率達(dá)300億赫茲的石墨烯晶體管，這個比同等線路中的硅晶體管高出數(shù)個數(shù)量級，很多人也相信石墨烯將會成為硅的接班人，引領(lǐng)新的微縮室內(nèi)，石墨烯的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用啊還有很多，比較大的方面還有由于石墨烯不透水，不透氣，可以抵御強(qiáng)酸和強(qiáng)堿，這就是石墨烯成為了制作保護(hù)膜的理想材料，由于既能導(dǎo)電又具有高透明度的特性，石墨烯還可以在液晶顯示器觸摸屏，太陽能電池板領(lǐng)域大顯身手。
比如中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，研究出了可以卷曲的觸屏，另外石墨烯制作的快速充電電池超級電容器，能檢測單個污染物分子的污染探測器，量子計算機(jī)元件等等，也都進(jìn)入了人們的購物小票或?qū)嶋H的研制之中，石墨烯阿他還有兩個兄弟，我們早些時候說過石墨烯自卑的一個原因是，二維結(jié)構(gòu)的石墨烯無法維持平面結(jié)構(gòu)，但是即使他無法維持也是很厲害的材料，一種情況是滾成了球型，這被稱為覆膜烯，或者是足球烯，可以應(yīng)用在工業(yè)材料電化學(xué)催化劑，化妝品，抗癌藥物等方面。
