神奇新材料石墨烯可与塑料相媲美(组图)
发表时间：2011/6/8 来源：喜嘉化工（广州）有限公司
自问世起，石墨烯就被当作21世纪的“神奇材料”，在科学界掀起巨大的波澜。其非比寻常的导电导热性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性等等属性引无数科学家“竞折腰”，有人认为石墨烯将是昂贵的硅的“终结者”并对此欢呼不已。尽管如此，仍然有科学家在种种纷乱的喧嚣中保持冷静态度。据英国广播公司（BBC）近日报道，IBM公司的科学家就认为，石墨烯不太可能替代硅，因为它没有能带隙，没有晶体管所需的开和关状态。他们认为，目前最需要的是实事求是地进行研究。
用途广泛“可与塑料相媲美”
尽管研究石墨烯的先驱直到去年才摘得诺贝尔奖的桂冠，但在此之前，石墨烯已被业内人士吹捧为“下一个伟大的事物”。很多人认为，它将是硅的“终结者”，并将改变计算机和其他设备的命运。
科学家们认为，它是迄今为止最薄（300万片石墨烯叠加在一起才不过1毫米厚）、最坚固的材料，也是人们所知的导电、导热性能最强的材料，其拥有超凡的坚硬度、柔韧度、透明度和导电性，可以广泛应用于触摸屏、太阳能电池、复合材料（如现在广泛使用的碳纤维）等各种物品的制造中。
早在1947年，就有科学家从理论上提出石墨烯可能存在，但大部分科学家们都认为石墨烯不可能在现实自然界中获得。
石墨烯首次在实验室中“现身”是在2004年。当时，英国两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫发现，他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面黏在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
这两位科学家也因此获得了2010年的诺贝尔奖。此后，制备石墨烯的新方法层出不穷，关于石墨烯的“神奇”性质不断见诸报端。安德烈·杰姆表示：“石墨烯并不仅仅只有一种用途，它甚至并不只是一种材料，它的种类繁多，其用途之广泛可与塑料相媲美。”
有鉴于此，越来越多的科学家为石墨烯“竞折腰”。目前，大约有200家企业和新兴公司正在着力研究石墨烯。2010年，关于石墨烯的论文多达3000多篇。对整个产业和广大消费者来说，这些都不啻为福音，因为如果这些研究获得成功，未来，人们将可以得到更多运行速度越来越快、制造成本越来越低、“身材”越来越纤细娇小、柔韧程度越来越好的电子设备和其他设备。
莱斯大学的科学家詹姆斯·图尔表示：“从理论上来讲，未来人们能够卷起iPhone手机，将其像铅笔一样别在脑后。”
如果石墨烯能像现在的塑料一样“飞入寻常百姓家”，那么从包装纸到衣服在内的任何物品将都可以被数字化。未来，人们会发现，信用卡的数据处理能力将与目前的智能手机一样高。
瑞典查尔姆斯理工大学的教授贾瑞·卡拉瑞特表示：“石墨烯将广泛出现在透明电子元件、柔性电子设备以及运行速度更快的电子设备上。”除了在数字领域大展拳脚之外，也可以将单层石墨烯固体粉末添加到轮胎上，使其更加坚硬。
无限的发展速度
韩国三星公司是石墨烯领域的最大投资者，该公司和韩国成均馆大学携手进行石墨烯技术的研发工作。2010年7月份，据美国麻省理工学院《技术评论》杂志报道，三星科学家首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的25英寸的柔性透明触摸屏。
杰姆表示：“三星公司认为，未来五年内，将会有数十款用石墨烯制成的产品出现在商业市场上。”
诺贝尔授奖委员会表示，一块一平方米的石墨烯吊床可以支撑4公斤重的猫，该吊床的重量仅为0.77毫克，不足猫的腮须重，人肉眼根本看不到。
IBM和诺基亚等公司也不甘落后，全力前进。2010年，IBM公司宣布，其制造出了截止频率为150G赫兹的晶体管，其运行速度大大超过现在速度最快晶体管设备（40G赫兹）。由于截止频率较高，新晶体管能被整合入手机、网络、雷达等通讯应用中。更重要的是，利用现有硅组件制作技术即可生产该款晶体管，也就是说，其商业化产品的问世指日可待。
来自美国IBM研究总部的研究员林育民（音译）表示：“说到晶体管的速度，我们现在还不知道其最终极限是多少？尽管我们已经发现了一些亟待解决的问题，但我们并不认为这是石墨烯自身的属性所造成。”在欧洲，一支研究石墨烯的团队获得了欧盟为期10年高达10亿欧元的资助。
IBM公司的艾文里斯表示：“如果石墨烯能够取代硅，我们将是最高兴的人。但是，最重要的是，研究人员要保持清醒客观，不要夸大其词。”
用途广泛“可与塑料相媲美”
尽管研究石墨烯的先驱直到去年才摘得诺贝尔奖的桂冠，但在此之前，石墨烯已被业内人士吹捧为“下一个伟大的事物”。很多人认为，它将是硅的“终结者”，并将改变计算机和其他设备的命运。
科学家们认为，它是迄今为止最薄（300万片石墨烯叠加在一起才不过1毫米厚）、最坚固的材料，也是人们所知的导电、导热性能最强的材料，其拥有超凡的坚硬度、柔韧度、透明度和导电性，可以广泛应用于触摸屏、太阳能电池、复合材料（如现在广泛使用的碳纤维）等各种物品的制造中。
早在1947年，就有科学家从理论上提出石墨烯可能存在，但大部分科学家们都认为石墨烯不可能在现实自然界中获得。
石墨烯首次在实验室中“现身”是在2004年。当时，英国两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫发现，他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面黏在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
这两位科学家也因此获得了2010年的诺贝尔奖。此后，制备石墨烯的新方法层出不穷，关于石墨烯的“神奇”性质不断见诸报端。安德烈·杰姆表示：“石墨烯并不仅仅只有一种用途，它甚至并不只是一种材料，它的种类繁多，其用途之广泛可与塑料相媲美。”
有鉴于此，越来越多的科学家为石墨烯“竞折腰”。目前，大约有200家企业和新兴公司正在着力研究石墨烯。2010年，关于石墨烯的论文多达3000多篇。对整个产业和广大消费者来说，这些都不啻为福音，因为如果这些研究获得成功，未来，人们将可以得到更多运行速度越来越快、制造成本越来越低、“身材”越来越纤细娇小、柔韧程度越来越好的电子设备和其他设备。
莱斯大学的科学家詹姆斯·图尔表示：“从理论上来讲，未来人们能够卷起iPhone手机，将其像铅笔一样别在脑后。”
如果石墨烯能像现在的塑料一样“飞入寻常百姓家”，那么从包装纸到衣服在内的任何物品将都可以被数字化。未来，人们会发现，信用卡的数据处理能力将与目前的智能手机一样高。
瑞典查尔姆斯理工大学的教授贾瑞·卡拉瑞特表示：“石墨烯将广泛出现在透明电子元件、柔性电子设备以及运行速度更快的电子设备上。”除了在数字领域大展拳脚之外，也可以将单层石墨烯固体粉末添加到轮胎上，使其更加坚硬。
无限的发展速度
韩国三星公司是石墨烯领域的最大投资者，该公司和韩国成均馆大学携手进行石墨烯技术的研发工作。2010年7月份，据美国麻省理工学院《技术评论》杂志报道，三星科学家首次制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的25英寸的柔性透明触摸屏。
杰姆表示：“三星公司认为，未来五年内，将会有数十款用石墨烯制成的产品出现在商业市场上。”
诺贝尔授奖委员会表示，一块一平方米的石墨烯吊床可以支撑4公斤重的猫，该吊床的重量仅为0.77毫克，不足猫的腮须重，人肉眼根本看不到。
IBM和诺基亚等公司也不甘落后，全力前进。2010年，IBM公司宣布，其制造出了截止频率为150G赫兹的晶体管，其运行速度大大超过现在速度最快晶体管设备（40G赫兹）。由于截止频率较高，新晶体管能被整合入手机、网络、雷达等通讯应用中。更重要的是，利用现有硅组件制作技术即可生产该款晶体管，也就是说，其商业化产品的问世指日可待。
来自美国IBM研究总部的研究员林育民（音译）表示：“说到晶体管的速度，我们现在还不知道其最终极限是多少？尽管我们已经发现了一些亟待解决的问题，但我们并不认为这是石墨烯自身的属性所造成。”在欧洲，一支研究石墨烯的团队获得了欧盟为期10年高达10亿欧元的资助。
IBM公司的艾文里斯表示：“如果石墨烯能够取代硅，我们将是最高兴的人。但是，最重要的是，研究人员要保持清醒客观，不要夸大其词。”
石墨烯的结构
石墨是大家很熟悉的名字，因为我们日常用的铅笔芯就是石墨制成的。中国是石墨产量大国，每年生产大约八十万吨，占世界产量70%左右。虽然大家对石墨并不陌生，但对石墨的性质了解得大概并不多。石墨可以说是最纯的碳，它的纯不仅在于是纯碳原子构成的，而且结构最规则最简单：是由一层一层网状结构堆砌成的，每一层网是蜂窝状，即由六角形构成。六角形每个角上有一个碳原子。每个碳原子与另外三个碳原子相邻。
石墨有很好的导热和导电性能，由于其层状结构，这些性质不是各向同性的。热传播、声传播和导电性质沿着蜂窝网络传播得好，从网到网之间的传播就不那么好。而且，网络结构本身很稳定，但网与网之间结合力就不那么强了。
石墨烯的来源
正是由于网与网之间结合力不强，才导致石墨烯的发现。所谓石墨烯，就是单层网状石墨——当然，有人愿意将石墨这个名字留给立体结构的石墨，而给平面结构的石墨单独一个名字，石墨烯。单层石墨烯非常薄，考虑到石墨中的两层网之间的距离是0.335纳米，石墨烯还不到这个厚度，所以是透明的。两位俄国人，Andre Geim 和Konstantin Novoselov，由于在制作石墨烯上面的先驱作用以及研究石墨烯的性质获得今年诺贝尔物理学奖。Geim和Novoselov都在曼切斯特大学工作（我们可能对英国著名足球俱乐部曼联更加熟悉），Geim是那里的教授，而Novoselov由于年轻，只有36岁，还只是一位普通研究人员。有趣的是，在曼切斯特大学物理天文学院的主页上， Novoselov在祝贺他们获得获奖的新闻中被称为教授。他们在做出开创性的发现之后六年就获得了诺贝尔奖。
他们发现石墨烯的方法很简单，就是用透明胶将石墨一层一层剥开。后来，哥伦比亚大学的P. Kim等人将石墨晶体附在原子力显微镜上在一个表面上擦出石墨烯。这很像我们用铅笔写字，确实，当我们写字的时候，纸上会留下一些很薄很薄的石墨，有的可能是几层石墨烯，有的干脆就是石墨烯，当然这些很薄的地方用肉眼看不出来。有趣的是，石墨是通过所谓范德瓦尔斯力附着在纸上的，这是一种分子间的力，虽然弱，却足够强。
石墨烯优越性
石墨烯的制作成功带来一些研究方向的革命性的变化，这主要归功于石墨烯的特殊性质。首先，石墨烯有特殊的力学性质，当片状物足够大之后，结构是稳定的，而且强度超过单层铁（想象中的产物）强度的一百倍。一张一米见方的石墨烯可承重大约4公斤，也就是说，如果用一米见方的石墨烯做成吊床，一直猫可以安安稳稳地躺在上面睡觉（下图）。最近，用一种新方法，已经可以制造宽度为70厘米的石墨烯了。
石墨烯的第二个特点是轻。轻是当然的，因为这是一种厚度只是一个原子的东西！我们很容易计算石墨烯的重量。考虑到石墨烯上的每个六角形蜂窝的面积是0.052平方纳米（一米=十亿纳米），我们就能算出一平方米有多少六角形，大约是两千亿亿个。而碳原子大约是六角形的二倍（这也很好算，每个六角形含有6个碳原子，而每个碳原子被3个六角形共用，所以碳原子的个数是六角形个数的6/3=2倍）。这样算出来的结果是，一平米的石墨烯的重量是0.77毫克，和可以躺在上面的猫的一根胡须差不多重！
石墨烯还有很好的光学性质，它几乎是透明的，吸光率只有2.3%。因为透明，一张吊床根本看不见，一只猫躺在上面像是悬空一样。
石墨烯还有很好的导电性，这是物理学家最感兴趣的性质。每个碳原子有一个自由电子，所以石墨烯的导电性能非常好。还是用一平米的石墨烯吊床做例子，它的电阻只有31欧姆。另外，石墨烯的导热性能很好，比铜还要好十倍。
由于石墨烯是透明的并且导电性能好，未来可能应用于制造触摸屏，以及太阳能电池。我想，这可能是这个发现能够获得诺贝尔奖的重要原因。其实，在发现石墨烯之前，1991年人们就发现了碳纳米管。碳纳米管一方面工业应用前景似乎不如石墨烯，另一方面在物理学的应用方面也不如石墨烯，所以迟迟没有得奖。可以说，碳纳米管就是石墨烯卷成的管子。碳的奇妙家族中还有一位叫做富勒烯，是由碳原子组成的球状结构。最有名的是碳60富勒烯，由20个六角形和12个五角形组成，含有60个碳原子，很像足球。1996年诺贝尔化学奖就奖给了富勒烯的发现。富勒烯也可视作石墨烯卷成的结构。
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