(转载,目前最热门的材料---石墨烯材料)
2004年,英国物理学家安德烈·海姆和·康斯坦丁诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出石墨烯,凭借“在二维石墨烯材料的开创性实验”,这两位科学家共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯的发现,之所以意义重大,是因为它创造了诸多“纪录”。
石墨烯是世上最薄的材料,只有0.34蚋米厚,十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径,它比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍,每100纳米距离上可承受的最走压力竟然达到了2.9微牛左右,这意味着,如果制成包装袋,那么它将能承受走约两吨重的物品。在石墨烯中,电子能够极为高效地迁移,迁移速率仅为光速的三百分之一,远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。
让材料学家更为惊喜的是,石墨烯几乎完全透光,透光率在97%以上。它在透明电极方面的应用会大幅降低电子设备的成本,并使其更省电、更清晰。同时,石墨烯太阳能技术的光电转换效率高速60%,是现有多晶硅太阳能技术的2倍,这使太阳能产业的升级成为可能。
超轻防弹表,超薄超轻型飞机、超薄能折叠的手机、高强度航空材料,高性能储能和传感器、超级电容器,甚至更富想象力的太空电梯,石墨烯众多的优越特性,使越来越多基于石墨烯材抖的未来设备进入科学家的研究视野.可以说,石墨烯是过去十年,乃至未来几十年,所有材料“明星”中最耀眼的一颗。
由于碳原子之间化学键的特性,石墨烯很顽强:可以弯曲到很大角度而不断裂,还能抵抗很高的压力。而因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,为它带来了全新的电学属性。石墨烯在可见光下透明,但不透气。这些特征使得它非常适合作为保护层和透明电子产品的原料。
但是适合归适合,真的做出来还没那么快。
问题之一:制备方式。
许多项研究向我们展示了石墨烯的惊人特征,但有一个陷阱。这些美妙的特性对样品质量要求非常高。要想获得电学和机械性能都最佳的石墨烯样品,需要最费时费力费钱的手段:机械剥离法——用胶带粘到石墨上,手工把石墨烯剥下来。
别笑,2004年诺沃肖洛夫他们就是这么制备出石墨烯的。
问题之二:电学性能。
石墨烯一个有前景的方向是显示设备——触屏,电子纸,等等。但是目前而言石墨烯和金属电极的接触点电阻很难对付。诺沃肖洛夫估计这个问题能在十年之内解决。
但是为啥我们不能干脆抛弃金属,全用石墨烯呢?这就是它在电子产品领域里最致命的问题。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,我们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: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。
另一方面,如果商业领域过度夸大其神奇之处,可能会导致石墨烯产业变成泡沫;一旦破裂,那么也许技术和工业的进展也无法拯救它。科学作者菲利普·巴尔曾经在《卫报》上撰文《不要期望石墨烯带来奇迹》,指出所有的材料都有其适用范围:钢坚硬而沉重,木头轻便但易腐,就算看似“万能”的塑料其实也是种种大相径庭的高分子各显神通。石墨烯一定会发挥巨大的作用,但是没有理由认为它能成为奇迹材料、改变整个世界。或者,用诺沃肖洛夫自己的话说:“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。” 至于眼下的可打印、可折叠电子产品,可折叠太阳能电池,和超级电容器等等新领域能否发挥它的潜能,就让我们平心静气拭目以待吧。