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《石墨烯：改變世界的新材料》讀后感
《石墨烯：改變世界的新材料》讀后感
成型1601喬偉琦
摘要：本書涉及石墨烯的方方面面——歷史、基本特征、生產(chǎn)方式以及應用等。本書為從事石墨烯應用行業(yè)的讀者們提供了學習途徑。石墨烯的研究領域寬泛且發(fā)展迅猛，此書為讀者提供的知識足以使其在石墨烯的研發(fā)與應用領域探索前行。
一、本書內(nèi)容
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最初，科學家試著使用化學剝離法來制造石墨烯。他們將大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨層間化合物。在其三維結構中，每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經(jīng)過化學反應處理，除去嵌入的大原子或大分子后，會得到一堆石墨烯爛泥。由于難以分析與控制這堆爛泥的物理性質，科學家并沒有繼續(xù)這方面研究。還有一些科學家采用化學氣相沉積法，將石墨烯薄膜外延生長于各種各樣的基板上，但初期品質并不優(yōu)良。于2004年，英國曼徹斯特大學和俄國切爾諾戈洛夫卡微電子理工學院的兩個物理團隊共同合作，首先分離出單獨石墨烯平面。海姆和團隊成員偶然地發(fā)現(xiàn)了一種簡單易行的制備石墨烯的新方法。他們將石墨片放置在塑料膠帶中，折疊膠帶粘住石墨薄片的兩側，撕開膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復這一過程，就可以得到越來越薄的石墨烯薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構成——他們制得了石墨烯。當然，僅僅制備是不夠的。通常，石墨烯會隱藏于一大堆石墨殘渣中，很難緊貼在基板上；所以要找到相當數(shù)量的石墨烯，猶如大海撈針。甚至在范圍小到1cm2的區(qū)域內(nèi)，使用尖端科技都無法找到。海姆的秘訣是，如果將石磨烯放置在鍍有一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干涉效應，就可以有效地使用光學顯微鏡找到這些石墨烯。于2005年，同樣曼徹斯特大學團隊與哥倫比亞大學的研究者證實石墨烯的準粒子是無質量迪拉克費米子。類似這樣的發(fā)現(xiàn)引起一股研究石墨烯的熱潮。從那時起，上百位才學兼優(yōu)的研究者踏進這一嶄新領域�，F(xiàn)在，眾所皆知，每當石墨被刮磨時，像用鉛筆畫線時，就會有微小石墨烯碎片被制成，同時也會產(chǎn)生一大堆殘渣。在2004/05年以前，沒有人注意到這些殘渣碎片有什么用處，因此，石墨烯的發(fā)現(xiàn)應該歸功于海姆團隊，他們?yōu)楣腆w物理學發(fā)掘了一顆閃亮的新星。
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石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300,遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為"載荷子"的性質和相對論中的中微子非常相似。為了進一步說明石墨烯中的載荷子的特殊性質，我們先對相對論量子力學或稱量子電動力學做一些了解。經(jīng)典物理學中，一個能量較低的電子遇到勢壘的時候，如果能量不足以讓它爬升到勢壘的頂端，那它就只能待在這一側；在量子力學中，電子在某種程度上是可以看作是分布在空間各處的波。當它遇到勢壘的時候，有可能以某種方式穿透過去，這種可能性是0到1之間的一個數(shù)；而當石墨烯中電子波以極快的速度運動到勢壘前時，就需要用量子電動力學來解釋。量子電動力學做出了一個更加令人吃驚的預言：電子波能百分百地出現(xiàn)在勢壘的另一側。另外，研究也發(fā)現(xiàn)，盡管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現(xiàn)。美國哥倫比亞大學兩名華裔科學家最近發(fā)現(xiàn)，鉛筆石墨中一種叫做石墨烯的二維碳原子晶體，竟然比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質為"太空電梯"超韌纜線的制造打開了一扇"阿里巴巴"之門，讓科學家夢寐以求的2.3萬英里長太空電梯可能成為現(xiàn)實。石墨烯還具有超高的強度，碳原子間的強大作用力使其成為目前已知的力學強度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應用于新型高強度復合材料之中。石墨烯良好的導電性及其對光的高透過性又讓它在透明導電薄膜的應用中獨具優(yōu)勢，而這類薄膜在液晶顯示以及太陽能電池等領域至關重要。另外，石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲能器件方面也已經(jīng)展示出誘人的應用前景。
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1.最有希望從幻想成為現(xiàn)實的應用是可用于手機等裝置的柔性電子屏幕。因其電子化學穩(wěn)定性能以及柔性和透明的特點，石墨烯是最適合制造共扼聚合物發(fā)光電池的材料。該技術已獲得了初步成功并很快能面向市場。電子巨頭三星是眾多對該技術感興趣的公司之一，蘋果公司也期望能分一杯羹，但其速度似乎落后于三星。與僅擁有兩項專利的蘋果相比，三星擁有38項與石墨烯相關的專利技術。在這之前，蘋果己經(jīng)通過使用錮錫氧化物來制造第一款觸屏手機。
2.另一項可能的未來應用是制造具備超高機械強度的石墨烯復合材料，用于建筑物、汽車、輪船、漁船、飛機、宇宙飛船及機器人等。如此一來，加來道雄表示石墨烯將改變我們的生活方式的說辭便不足為怪了。
3.另一項未來應用似乎可替代傳統(tǒng)的、通過與空氣產(chǎn)生共振而發(fā)出聲音的揚聲器。人們發(fā)現(xiàn)通過加熱處理，石墨烯也能實現(xiàn)相同的功能。因其超薄的特性，石墨烯幾乎無需電流便可輕易地產(chǎn)生聲波，從而生產(chǎn)出高保真音頻揚聲器。
二、知識拓展
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由于石墨烯的重要特性和巨大應用價值，美國、歐盟、日本和中國等80多個國家皆將石墨烯材料的發(fā)展提高到戰(zhàn)略高度，相繼投入數(shù)十億美元用于石墨烯材料的研究和開發(fā)。歐盟委員會將石墨烯列為僅有的兩個"未來新興技術旗艦項目"之一。美國將石墨烯視為支撐未來科技發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。各國企業(yè)也積極進行石墨烯產(chǎn)業(yè)的布局，據(jù)統(tǒng)計，全球有近300家公司涉足石墨烯相關的研究和開發(fā)，其中包括IBM、杜邦、洛克希德·馬丁、波音、三星、陶氏化學、索尼等科技巨頭。
（二）我國石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀與水平
我國政府高度重視石墨烯發(fā)展，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委和科技部聯(lián)合發(fā)布的《關鍵材料升級換代工程實施方案》中明確提出支持石墨烯實現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)模應用。工信部專門印發(fā)了《加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》。在基礎科研方面，全球石墨烯研究論文超過12萬篇，中國占有40%,排名第一；全球專利申請總量為49229件，中國專利申請量為23953件，占比48.65%,排名第一。在石墨烯產(chǎn)業(yè)化方面，各級政府也在積極加快產(chǎn)業(yè)化步伐，石墨烯薄膜和粉體己實現(xiàn)量產(chǎn)，下游應用正穩(wěn)步推進。全國石墨烯產(chǎn)業(yè)己形成江蘇常州、浙江寧波、北京等城市為首的格局。國內(nèi)江南石墨烯研究院、常州二維碳素、寧波墨西等企業(yè)成為石墨烯產(chǎn)業(yè)的開拓者。
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第一個是技術問題，比如高質量、低成本、綠色制備的提純技術，以及它的應用技術，自身的安全以及生產(chǎn)的環(huán)保性，這些技術都還有待進一步研究。市場問題就是它的研發(fā)落后，產(chǎn)業(yè)應用技術也缺乏指導，所以市場需求尚未打開。
第二個是石墨烯材料有一個優(yōu)材低用的問題，就是在下游領域的優(yōu)材低用。由于現(xiàn)在石墨烯產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，但是這些應用技術門檻低，再加上我們資本市場的一個熱捧，所以很多企業(yè)都紛紛涉足其中，甚至盲目地擴大產(chǎn)能，對目前產(chǎn)品的低端化、同質化的現(xiàn)象非常嚴重。能夠真正體現(xiàn)石墨烯性能的高端應用卻很少。
第三個是成本問題，前期的研發(fā)投入資金量大，周期長，而且石墨烯的這種制備成本，也需要進一步的降低。
第四個是環(huán)保問題，石墨烯的制備方法會帶來一些環(huán)境的影響，造成生態(tài)的破壞能力，再加上石墨烯企業(yè)環(huán)保設施的缺失，政府監(jiān)管的不到位，所以對環(huán)境保護還存在著較大的壓力。
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1.更快的計算機芯片和寬帶。生產(chǎn)電子器件的企業(yè)目前正朝著無限縮小其產(chǎn)品尺寸的方向努力。他們致力于把更多的器件放在寬度小于1nm的芯片上。而石墨烯的結晶完整性以及高于硅片的導電性正顯示出可在分子水平上生產(chǎn)二極管和晶體管等電子設備的潛力。IBM公司己宣告其生產(chǎn)出晶圓級的石墨烯電路。該電路是一種利用石墨烯中的高速電子實現(xiàn)功能的寬帶射頻混合器。石墨烯的該種特性有望應用于高頻手機傳送中，即應用在接收器以及為基站發(fā)送信號中。IBM公司生產(chǎn)的石墨烯器件可在150×103MHz的頻率下工作，這早己超過了目前手機使用的頻率。這一結果有望拓寬手機使用的無線電頻譜，增強手機連接信號。
2.超強防彈衣。馬薩諸塞大學的研究人員表示，當子彈擊中石墨烯后，石墨烯會在子彈撞擊點伸長變形成圓錐狀，吸收大量的子彈動能。研究人員表示，雖然有裂縫形成，但石墨烯制成的防彈背心對子彈沖擊力的吸收能力是凱夫拉防彈衣的兩倍多，并且承受動能的能力比鋼材高10倍。由于石墨烯薄且擁有超高的機械強度，所以它是最適合制造防彈背心的材料。
3.石墨烯無人機。大疆創(chuàng)新科技有限公司是一家中國的國際化公司。該公司正開發(fā)一種多旋翼飛行器形式的石墨烯無人機，將石墨烯用于機身、機翼以及支撐架。該無人機重量輕、剛性大、電池容量大，能實現(xiàn)較快加載且壽命長。然而，由于石墨烯電池還未實現(xiàn)商業(yè)化應用，石墨烯無人機還將推遲上市。
三、工程案例分析
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由于石墨烯比碳納米纖維的質地更為堅硬，質量更輕，并能承受金剛石切割器的切削力，科學家正考慮將其應用于制造風力渦輪機葉片、飛輪、飛行器、運輸和高功率傳輸線等。目前，一些利用石墨烯高強度特性的商業(yè)應用己投入生產(chǎn)。例如：海德網(wǎng)球拍系列"YouTekTMSPEED"目前己經(jīng)準備上市，該網(wǎng)球拍的桿涂有原子厚度的碳原子層。
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石墨烯具有高電子遷移率和高機械強度，這兩大特性適用于制造各種類型的柔性電子線路。此外，石墨烯片也可沉積于聚合物之上作為基底，從而可低成本制造某些電子線路。(www.gymyzhishaji.com)目前，有數(shù)種裝置可實時探測人體肌肉內(nèi)的汞含量，但它們對汞不具有特異性，因此實時監(jiān)測還有很大的進步空間。具有高敏感性和高選擇性的液態(tài)離子封閉場效應晶體管型柔性石墨烯汞適體傳感器得以開發(fā)。這種基于石墨烯的適體傳感器探測時間小于1s.在這種裝置中，石墨烯片轉移至像聚合物一樣的柔性基底上并可用作適體傳感器。
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1.燃料電池。燃料電池的種類繁多，但多是在室溫下使用非反應性氣體進行工作，換句話說，這些氣體不會降解石墨烯，可用于研制燃料電池的電極。
2.太陽能電池。
（四）醫(yī)療領域
1.細胞毒性。
2.藥物傳輸。
四、結語
石墨烯被譽為"神奇的材料",從納米級的"綠色"科技到傳感器，以及未來的導電涂層等方面，都具有極大的應用潛力。可以說，石墨烯的出現(xiàn)不僅給科學家們提供了一個充滿魅力與無限可能的研究對象，更讓我們對其充滿了期待。也許在不久的將來，石墨烯就會為我們搭建起更加便捷與美好的生活。
五、參考文獻
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[2] Ahn S.H. and Guo L.; J. Adv. Mater., Vol. 20, p. 2044, 2008
[3] Allen M.J., Tung V. C. and Kanter R. B.; Chem, Rev., Vol. 110, p. 132.2010
作者：瑪杜麗·沙倫（Madhuri Sharon）
馬赫斯赫瓦爾·沙倫（Maheshwar Sharon）
翻譯：張純輝、沈啟慧
出版社：機械工業(yè)出版社
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