石墨烯改变世界的神奇新材料，石墨烯科普
chanong
|有没有一种薄膜的强度足以支撑铅笔尖座上大象的重量而不留下一个洞？
石墨烯可以做到这一点。
近日，中国科学院院士、北京石墨烯研究所所长刘忠范和北京石墨烯研究所副所长魏迪在北京科协主办的首都科学大讲堂上台。石墨烯器件技术研究部负责人专家向公众介绍了2010年获得诺贝尔奖的明星材料石墨烯。
诺贝尔奖奖品被透明胶带撕下
石墨烯在自然界中已经存在，但其单层结构很难剥离。 1毫米厚的石墨含有约300万层石墨烯。如果你用铅笔轻轻地划过一张纸，它可能会留下多层石墨烯的痕迹。
石墨烯是一种二维碳材料，由周期性密集排列的碳原子层组成，呈六角形蜂窝结构。石墨很早就被发现，但石墨烯直到2004年才被发现。这是因为70多年前的理论研究表明，具有完美二维结构的晶体无法在绝对零以外的环境中稳定存在。
2004年，曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）用一种非常简单的实验方法颠覆了科学家的理论认识。当从高取向热解石墨�**胧⒃诹矫嬲程厥饨捍保苯捍凰旱羰保至殉闪桨搿Ｋ孀耪飧龉痰募绦谋涞迷嚼丛奖。钪战鲇梢徊闾荚幼槌傻钠某晌�
理论上这是不可能的，但实验恰好实现了这一点。这一发现立即震惊了科学界。仅仅六年后，两位发现者共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。
“人们常说石墨烯的诺奖是用透明胶带撕下来的，其实这样一个简单但重要的发现是不容小觑的。”学者刘忠范说，在科学研究中，他们说像这两位科学家这样的科学家很重要：尽管你有勇气去探索，但勇气是非常重要的。
石墨烯因其具有许多神奇的特性而被称为“新材料之王”。它是最薄的材料，因为它只有一个原子层，而且它也是最强的材料，理论上比钢强200倍。它是最优异的材料，导电率是银的1.6倍，导热率是铜的13倍。
刘忠范表示，石墨烯是已知最强的材料之一，具有优异的韧性、可弯曲、超强的导热性和导电性，极具吸引力，具有广泛的潜在应用前景。
由于它是透明导电薄膜，因此可以用作触摸屏，并且由于石墨烯中的电子运动速度极快，室温下的电子迁移率是硅的10倍以上，因此还可以用作超高速集成电路；这种轻质、高质量、高强度的材料在航空航天领域具有非常重要的应用潜力，其电磁屏蔽性能还可用于隐身飞机和隐身材料的生产.
它可能会带来类似于科幻电影场景的酷炫应用程序。
“石墨烯的酷炫应用是基于其酷炫的材料特性。石墨烯具有非常高的载流子迁移率，使电子能够非常快地移动。对于在高速公路上行驶的汽车来说，石墨烯就像能源一样。“超级跑车。韦迪表示，这种功能使其可以用作很酷的设备，例如智能夜视眼镜。
人体可以发射远红外线，而石墨烯具有极高的载流子迁移率，因此可以快速回收远红外线照射后产生的电子。这样，用石墨烯镜片制成的眼镜即使在晚上也可以看到一切，并且还可以收集用户自身的生理数据，例如血糖水平和脑电波。同时，由于石墨烯具有光学透明性，还可以作为显示器投射各种信息，让您在去往目的地时即时显示交通状况以及附近的酒店、旅游景点、餐厅等服务信息一个不知名的地方。可以做。
石墨烯行业的实力企业有哪些？
然而，理想很充实，现实却比较单薄。目前市场上可以买到的大多数石墨烯可能只是石墨。
2018年发表了一篇论文，编号为《先进材料》，作者之一是石墨烯领域诺贝尔奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）。在这篇文章中，研究人员分析了美洲、亚洲和欧洲60 家公司的粉末石墨烯样品，发现大多数公司样品中石墨烯含量低于10%，而石墨烯含量超过50% 的样品却发现根本不存在。
单层石墨烯是实验室产品，但工业化大批量生产多少层石墨烯呢？
“从应用的角度来看，一般的共识是10层以下可以称为石墨烯。但严格来说，只有单层石墨片才是真正的石墨烯；超出的层就是普通的常规粉状块状石墨。”刘忠范说。
石墨烯一般分为两类：粉末石墨烯和薄膜石墨烯。这两类石墨烯的制造方法完全不同，应用领域和场景也完全不同。
在大规模工业制造中，石墨烯粉末通常是通过化学反应剥离石墨层来生产的。然而，此类氧化还原方法常常产生大量废酸和废水。例如，如果用浓硫酸和高锰酸钾煮石墨，则需要50公斤浓硫酸、3公斤高锰酸钾和1吨水才能生产1公斤石墨烯。
大规模生产薄膜石墨烯最典型的方法是化学气相沉积技术，该技术利用高温化学反应在高温炉中逐层生产石墨烯。例如，当甲烷在1000 摄氏度下穿过铜箔表面时，会产生石墨烯单原子层。
我国石墨烯产业现状如何，石墨烯产业在国际上的地位如何？
截至2020年6月底，在日本工商局注册的经营范围与石墨烯相关的公司数量已达1.68万家。全国已建立29个石墨烯产业园、54个石墨烯研究院、8个石墨烯产业创新中心和12个石墨烯联盟，分布在21个省市。
日本自2011年以来在石墨烯领域发表的论文数量一直领先全球，目前已占全球总量的三分之一以上。此外，日本是全球石墨烯领域专利申请数量最多的国家，约占全球专利申请量的70%。我国粉状石墨烯的生产能力非常大，达到每年5000吨以上。我国薄膜石墨烯生产也处于世界领先地位，年产能约为650万平方米。
“我们在产业规模、知识产权拥有量、发表论文数量等方面都处于世界领先地位。但与欧洲、美国、日本、韩国相比，中国石墨烯产业还缺乏重点。”国外越来越注重真正体现石墨烯新材料性能的未来技术的研发，但中国非常重视近期实用产品的开发。”刘忠范说。虽然未来核心技术我们还没有太关注，但总体来看，我国石墨烯基础研究和产业化能力仍处于世界前列。
魏迪表示，中国石墨烯产业目前主要集中在低附加值添加剂涂料、加热领域，但未来应该更多地关注光电器件、传感器器件等高附加值产业，我相信。
什么是“杀手级”应用程序？
到目前为止石墨烯已经尝试过哪些应用？
刘忠范介绍，我国石墨烯产业有“三大要素”，一是新能源，用石墨烯作为锂离子电池的导电添加剂，电池的充电速度加快、容量增加，二是添加防腐涂料。节省防腐涂料中昂贵的锌含量，同时提高防腐性能；第三，其导热性可用于制作眼罩、护膝等理疗产品等，这是健康领域。这三者加起来约占90%。
我国还拥有石墨烯触摸屏、电池、导热膜石墨烯手机等高端石墨烯产品。
国际上石墨烯主要应用哪些产品？
2019世界移动大会将设有石墨烯专题展馆，石墨烯应用于数据通信、传感器、物联网、可穿戴设备、新能源等领域。例如，由石墨烯制成的超灵敏电子传感器可以检测有害气体，由石墨烯制成的宽带图像传感器可以同时检测可见光和红外光。
石墨烯几乎是通用的，但目前石墨烯材料应用广泛但不专门化。那么未来石墨烯真正不可替代的“杀手级”应用会是什么呢？
刘忠范说，“‘杀手级’用途意味着我们离不开石墨烯。石墨烯的‘杀手级’用途目前还没有被发现。”
他表示，未来可以从两个方向发现石墨烯的杀手级应用：一是通过逻辑推理，二是通过意想不到的用途。
逻辑推理的应用可以从石墨烯本身的性能来推断。例如，目前的透明导电薄膜是ITO玻璃的一种，缺乏柔韧性，且含有稀有元素铟。石墨烯薄膜具有非常好的导热性和导电性，透明、柔韧、仅含有碳原子，常见且廉价。未来，石墨烯薄膜将作为透明导电薄膜用于制造可穿戴柔性电子设备，前景广阔，可能成为“杀手级”应用。
不合逻辑和意想不到的用途需要研究人员的创造性思维。 “比如我们在蓝宝石上生长石墨烯，与LED结合，制作LED照明器件。如果其他工艺不变，发光效率可以提升30%以上。”刘忠范表示，一旦实现产业化，这将是下一步的目标。第一代LED节能照明装置彻底淘汰了现有照明装置，也是“杀手级”应用。
“杀手级应用只能使用石墨烯，无法用其他材料替代。因此，我们需要基于石墨烯材料的独特优势来探索‘杀手级’应用，并将其放大。”Wadey从器件角度说道：通过将石墨烯的超高载流子迁移率与硅基半导体集成，可以实现性能优异的光电探测器件、夜视远红外探测器件、逻辑电路器件等。
来源：经济日报客户端