科学家所提出“石墨烯时代”离我们还有多远?
2015-10-12 05:02:47   来源： ()　   评论：0 点击：

　　新型材料正在逐渐进入我们的生活，并发挥着越来越多的作用。石墨烯作为一种具有异乎寻常特性的极薄的碳原子材料，在近几年来吸引了研究人员巨大的关注。近日，据透露，中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员利用细小的管状石墨烯构成一个拥有与钻石同等稳定性的蜂窝状结构，从而创造出了一种泡沫状材料，这种材料不但非常轻，而且还能抵抗极强的冲击力。据了解，这种材料的强度比同重量的钢材要大207倍，而且能够以极高的效率导热和导电。那么石墨烯这种新型材料到底是什么，科学家所提出的“石墨烯时代”离我们还有多远?

　　对于科研人员而言，石墨烯并不新鲜，但由于它的性能和结构，来自各国的研究人员都致力于对其作出进一步的研究。这次，来自上海的研究小组称，他们新创造出的这种材料，相比较以往所研发报道出来的石墨烯材料，能够承受更大的冲击力，或将能用在未来的防弹衣和坦克表面作为防弹层使用。

　　研究报告称，这种新材料能够支撑起相当于其自身重量40万倍的物体而不发生弯曲。一个这种石墨烯泡沫可以承受力度超过每平方英寸1.45万磅的外力重击，这几乎相当于处于在美国关岛沿海的马里亚纳海沟，这个深达10924米的世界海洋最深处，所经受的巨大压力。

　　值得一提的是，这种材料还可以被挤压成其原始大小的5%，且依然能够恢复原来的形态，即便重复1000次，依然完好无损。因而，这种新材料耐高压耐冲击的超硬特性意味着它在未来的研发过程中，或许可以用在防弹衣的内部和坦克的表面作为缓冲垫，以吸收来自射弹(如子弹、炮弹、火箭弹等)的冲击力。在美国科学家的模拟实验中，仅10-100纳米厚的石墨烯，就能够抵御相当于AK47射出子弹速度的冲击力，这就意味着，若“石墨烯防弹衣”能够制成，抵御普通子弹的冲击力将是小菜一碟。

　　听起来很神奇的石墨烯其实早在2004年就被研发出来。石墨烯这种新型纳米材料被制造出来后，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫也因为他们对这项研发的贡献，而在2010年被授予诺贝尔物理学奖。此后的数年间，这种新型材料引发了科研人员的巨大兴趣，石墨烯所带来的巨大应用潜力也让科学家将之后的研发称为“石墨烯时代”。

　　石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，它良好的导热、导电性，以及超大的硬度和柔韧性让其被称为“奇迹材料”，因为很少有一种材质能同时兼顾这些特性。目前，它是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，美国化学学会称石墨烯的强度是钢铁的200倍，而它如此轻薄，以至于1盎司的石墨烯可以覆盖28个足球场。中国科学家曾合成石墨烯气凝胶，密度只有空气的1/6;一立方英寸(约16.39立方厘米)的石墨烯气凝胶放在一片草叶上，草叶都不会变形。

　　同时它也是已知的世上电阻率最小的材料，常温下其电子迁移率要比硅晶体高很多。针对石墨烯的这一系列特征，业内人士曾表示这项材料的诞生，对于大量使用硅原料的IT产业具有重要意义——“现在芯片有极限宽度，硅的极限是7纳米，已经临近边界了，石墨烯是技术革命前沿”。因而，研究学家对于石墨烯的大体预想方向主要在变革电子行业，并借此催生灵活多变的设备、超动力的量子计算机、电子服装及可与身体细胞交流的计算机。

　　虽说这个神奇的材料已经被提出了各类设想，但是离科学家所期盼的“石墨烯时代”依然还有一定的距离。其实就在2012年，因石墨烯而获得诺贝尔奖的康斯坦丁·诺沃肖洛夫就曾经在《自然》上发表文章讨论石墨烯的未来，他认为这项材料的前途是光明的，但是其中的研发道路却是曲折的。因为，在真正投入日常生活使用之前，还有一些重要的问题需要得到解决，近两年来的发展也基本证明了他们的预测。考虑到产业更新的巨大成本，石墨烯的好处可能不足以让它简单地取代现有的设备——它的真正前景，或许在于为它的独到特性量身定做的全新应用场合

　　在科学家的构想中，石墨烯是一种为IT行业而生的材料。未来石墨烯使用较为有前景的方向是显示设备——触屏、电子纸，等等。但是目前石墨烯和金属电极的接触点电阻很难对付。在电子产品中，石墨烯超强的导电性反而是它进入实际生产中的一个桎梏。现代电子产品全部是建筑在半导体晶体管之上，而它有一个关键属性称为“带隙”：电子导电能带和非导电能带之间的区间。正因为有了这个区间，电流的流动才能有非对称性，电路才能有开和关两种状态——可是，石墨烯的导电性能实在太好了，它没有这个带隙，只能开不能关。只有电线没有逻辑的电路是毫无用途的，所以要想靠石墨烯创造未来电子产品，取代硅基的晶体管，必须人工植入一个带隙——但是简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性。目前针对这个领域的研究的确不少，如多层复合材料、添加其他元素、改变结构等等，但是诺沃肖洛夫等人认为这个问题要真正解决，还要至少十年。

　　除了它自身属性的问题之外，石墨烯产业还有一个意想不到的麻烦：污染。石墨烯产业目前最成熟的产品之一可能是所谓“氧化石墨烯纳米颗粒”，它造价便宜，但对人体很可能有一定毒性，且研究者发现它在地表水里非常稳定、极易扩散。所以虽然现在对它的环境影响下断言还为时太早，但它是否会对环境造成污染也成为了其投放生产前需要解决的一个潜在问题。因而，石墨烯的发明者诺沃肖洛夫曾经给它的发展定性：“石墨烯的真正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现：那些设计时就充分考虑了这一材料特性的产品，而不是用来替代现有产品里的其他材料。”

　　石墨烯和聚苯胺形成三维复合结构，表现出优异的超级电容器性能。