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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(shū)涉及石墨烯的方方面面——?dú)v史、基本特征、生產(chǎn)方式以及應(yīng)用等。本書(shū)為從事石墨烯應(yīng)用行業(yè)的讀者們提供了學(xué)習(xí)途徑。石墨烯的研究領(lǐng)域?qū)挿呵野l(fā)展迅猛，此書(shū)為讀者提供的知識(shí)足以使其在石墨烯的研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域探索前行。
一、本書(shū)內(nèi)容
�。ㄒ唬┦┑臍v史
最初，科學(xué)家試著使用化學(xué)剝離法來(lái)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(jié)構(gòu)中，每一層石墨可以被視為單層石墨烯。經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)處理，除去嵌入的大原子或大分子后，會(huì)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(zhì)，科學(xué)家并沒(méi)有繼續(xù)這方面研究。還有一些科學(xué)家采用化學(xué)氣相沉積法，將石墨烯薄膜外延生長(zhǎng)于各種各樣的基板上，但初期品質(zhì)并不優(yōu)良。于2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和俄國(guó)切爾諾戈洛夫卡微電子理工學(xué)院的兩個(gè)物理團(tuán)隊(duì)共同合作，首先分離出單獨(dú)石墨烯平面。海姆和團(tuán)隊(duì)成員偶然地發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)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(cè)，撕開(kāi)膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復(fù)這一過(guò)程，就可以得到越來(lái)越薄的石墨烯薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構(gòu)成——他們制得了石墨烯。當(dāng)然，僅僅制備是不夠的。通常，石墨烯會(huì)隱藏于一大堆石墨殘?jiān)�，很難緊貼在基板上；所以要找到相當(dāng)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(wú)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(yīng)，就可以有效地使用光學(xué)顯微鏡找到這些石墨烯。于2005年，同樣曼徹斯特大學(xué)團(tuán)隊(duì)與哥倫比亞大學(xué)的研究者證實(shí)石墨烯的準(zhǔn)粒子是無(wú)質(zhì)量迪拉克費(fèi)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(shí)起，上百位才學(xué)兼優(yōu)的研究者踏進(jìn)這一嶄新領(lǐng)域。現(xiàn)在，眾所皆知，每當(dāng)石墨被刮磨時(shí)，像用鉛筆畫(huà)線時(shí)，就會(huì)有微小石墨烯碎片被制成，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一大堆殘?jiān)�。�?004/05年以前，沒(méi)有人注意到這些殘?jiān)槠惺裁从锰帲虼�，石墨烯的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該歸功于海姆團(tuán)隊(duì)，他們?yōu)楣腆w物理學(xué)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(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為"載荷子"的性質(zhì)和相對(duì)論中的中微子非常相似。為了進(jìn)一步說(shuō)明石墨烯中的載荷子的特殊性質(zhì)，我們先對(duì)相對(duì)論量子力學(xué)或稱量子電動(dòng)力學(xué)做一些了解。經(jīng)典物理學(xué)中，一個(gè)能量較低的電子遇到勢(shì)壘的時(shí)候，如果能量不足以讓它爬升到勢(shì)壘的頂端，那它就只能待在這一側(cè)；在量子力學(xué)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(dāng)它遇到勢(shì)壘的時(shí)候，有可能以某種方式穿透過(guò)去，這種可能性是0到1之間的一個(gè)數(shù)；而當(dāng)石墨烯中電子波以極快的速度運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘前時(shí)，就需要用量子電動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋。量子電動(dòng)力學(xué)做出了一個(gè)更加令人吃驚的預(yù)言：電子波能百分百地出現(xiàn)在勢(shì)壘的另一側(cè)。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(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見(jiàn)光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)兩名華裔科學(xué)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(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這種物質(zhì)為"太空電梯"超韌纜線的制造打開(kāi)了一扇"阿里巴巴"之門，讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯可能成為現(xiàn)實(shí)。石墨烯還具有超高的強(qiáng)度，碳原子間的強(qiáng)大作用力使其成為目前已知的力學(xué)強(qiáng)度最高的材料，并有可能作為添加劑廣泛應(yīng)用于新型高強(qiáng)度復(fù)合材料之中。石墨烯良好的導(dǎo)電性及其對(duì)光的高透過(guò)性又讓它在透明導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，而這類薄膜在液晶顯示以及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域至關(guān)重要。另外，石墨烯在高靈敏度傳感器和高性能儲(chǔ)能器件方面也已經(jīng)展示出誘人的應(yīng)用前景。
�。ㄈ┦⿷�(yīng)用前景
1.最有希望從幻想成為現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用是可用于手機(jī)等裝置的柔性電子屏幕。因其電子化學(xué)穩(wěn)定性能以及柔性和透明的特點(diǎn)，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(shù)已獲得了初步成功并很快能面向市場(chǎng)。電子巨頭三星是眾多對(duì)該技術(shù)感興趣的公司之一，蘋(píng)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(xiàng)專利的蘋(píng)果相比，三星擁有38項(xiàng)與石墨烯相關(guān)的專利技術(shù)。在這之前，蘋(píng)果己經(jīng)通過(guò)使用錮錫氧化物來(lái)制造第一款觸屏手機(jī)。
2.另一項(xiàng)可能的未來(lái)應(yīng)用是制造具備超高機(jī)械強(qiáng)度的石墨烯復(fù)合材料，用于建筑物、汽車、輪船、漁船、飛機(jī)、宇宙飛船及機(jī)器人等。如此一來(lái)，加來(lái)道雄表示石墨烯將改變我們的生活方式的說(shuō)辭便不足為怪了。
3.另一項(xiàng)未來(lái)應(yīng)用似乎可替代傳統(tǒng)的、通過(guò)與空氣產(chǎn)生共振而發(fā)出聲音的揚(yáng)聲器。人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)加熱處理，石墨烯也能實(shí)現(xiàn)相同的功能。因其超薄的特性，石墨烯幾乎無(wú)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(yáng)聲器。
二、知識(shí)拓展
�。ㄒ唬┦┑陌l(fā)展
由于石墨烯的重要特性和巨大應(yīng)用價(jià)值，美國(guó)、歐盟、日本和中國(guó)等80多個(gè)國(guó)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(kāi)發(fā)。歐盟委員會(huì)將石墨烯列為僅有的兩個(gè)"未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目"之一。美國(guó)將石墨烯視為支撐未來(lái)科技發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。各國(guó)企業(yè)也積極進(jìn)行石墨烯產(chǎn)業(yè)的布局，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有近300家公司涉足石墨烯相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)，其中包括IBM、杜邦、洛克希德·馬丁、波音、三星、陶氏化學(xué)、索尼等科技巨頭。
�。ǘ┪覈�(guó)石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀與水平
我國(guó)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(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》中明確提出支持石墨烯實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)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(jiàn)》。在基礎(chǔ)科研方面，全球石墨烯研究論文超過(guò)12萬(wàn)篇，中國(guó)占有40%,排名第一；全球?qū)＠暾?qǐng)總量為49229件，中國(guó)專利申請(qǐng)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(jí)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，下游應(yīng)用正穩(wěn)步推進(jìn)。全國(guó)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(guó)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(kāi)拓者。
�。ㄈ┪覈�(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)存在的問(wèn)題
第一個(gè)是技術(shù)問(wèn)題，比如高質(zhì)量、低成本、綠色制備的提純技術(shù)，以及它的應(yīng)用技術(shù)，自身的安全以及生產(chǎn)的環(huán)保性，這些技術(shù)都還有待進(jìn)一步研究。市場(chǎng)問(wèn)題就是它的研發(fā)落后，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)也缺乏指導(dǎo)，所以市場(chǎng)需求尚未打開(kāi)。
第二個(gè)是石墨烯材料有一個(gè)優(yōu)材低用的問(wèn)題，就是在下游領(lǐng)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(yīng)用技術(shù)門檻低，再加上我們資本市場(chǎng)的一個(gè)熱捧，所以很多企業(yè)都紛紛涉足其中，甚至盲目地?cái)U(kuò)大產(chǎn)能，對(duì)目前產(chǎn)品的低端化、同質(zhì)化的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。能夠真正體現(xiàn)石墨烯性能的高端應(yīng)用卻很少。
第三個(gè)是成本問(wèn)題，前期的研發(fā)投入資金量大，周期長(zhǎng)，而且石墨烯的這種制備成本，也需要進(jìn)一步的降低。
第四個(gè)是環(huán)保問(wèn)題，石墨烯的制備方法會(huì)帶來(lái)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(shè)施的缺失，政府監(jiān)管的不到位，所以對(duì)環(huán)境保護(hù)還存在著較大的壓力。
�。ㄋ模┦┑陌l(fā)展趨勢(shì)
1.更快的計(jì)算機(jī)芯片和寬帶。生產(chǎn)電子器件的企業(yè)目前正朝著無(wú)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(jié)晶完整性以及高于硅片的導(dǎo)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(shè)備的潛力。IBM公司己宣告其生產(chǎn)出晶圓級(jí)的石墨烯電路。該電路是一種利用石墨烯中的高速電子實(shí)現(xiàn)功能的寬帶射頻混合器。石墨烯的該種特性有望應(yīng)用于高頻手機(jī)傳送中，即應(yīng)用在接收器以及為基站發(fā)送信號(hào)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(guò)了目前手機(jī)使用的頻率。這一結(jié)果有望拓寬手機(jī)使用的無(wú)線電頻譜，增強(qiáng)手機(jī)連接信號(hào)。
2.超強(qiáng)防彈衣。馬薩諸塞大學(xué)的研究人員表示，當(dāng)子彈擊中石墨烯后，石墨烯會(huì)在子彈撞擊點(diǎn)伸長(zhǎng)變形成圓錐狀，吸收大量的子彈動(dòng)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(duì)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(dòng)能的能力比鋼材高10倍。由于石墨烯薄且擁有超高的機(jī)械強(qiáng)度，所以它是最適合制造防彈背心的材料。
3.石墨烯無(wú)人機(jī)。大疆創(chuàng)新科技有限公司是一家中國(guó)的國(guó)際化公司。該公司正開(kāi)發(fā)一種多旋翼飛行器形式的石墨烯無(wú)人機(jī)，將石墨烯用于機(jī)身、機(jī)翼以及支撐架。該無(wú)人機(jī)重量輕、剛性大、電池容量大，能實(shí)現(xiàn)較快加載且壽命長(zhǎng)。然而，由于石墨烯電池還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，石墨烯無(wú)人機(jī)還將推遲上市。
三、工程案例分析
�。ㄒ唬└弑葟�(qiáng)度相關(guān)領(lǐng)域
由于石墨烯比碳納米纖維的質(zhì)地更為堅(jiān)硬，質(zhì)量更輕，并能承受金剛石切割器的切削力，科學(xué)家正考慮將其應(yīng)用于制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、飛輪、飛行器、運(yùn)輸和高功率傳輸線等。目前，一些利用石墨烯高強(qiáng)度特性的商業(yè)應(yīng)用己投入生產(chǎn)。例如：海德網(wǎng)球拍系列"YouTekTMSPEED"目前己經(jīng)準(zhǔn)備上市，該網(wǎng)球拍的桿涂有原子厚度的碳原子層。
（二）高彈性相關(guān)領(lǐng)域
石墨烯具有高電子遷移率和高機(jī)械強(qiáng)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(shí)時(shí)探測(cè)人體肌肉內(nèi)的汞含量，但它們對(duì)汞不具有特異性，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還有很大的進(jìn)步空間。具有高敏感性和高選擇性的液態(tài)離子封閉場(chǎng)效應(yīng)晶體管型柔性石墨烯汞適體傳感器得以開(kāi)發(fā)。這種基于石墨烯的適體傳感器探測(cè)時(shí)間小于1s.在這種裝置中，石墨烯片轉(zhuǎn)移至像聚合物一樣的柔性基底上并可用作適體傳感器。
�。ㄈ╇娏Πl(fā)電
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(yīng)性氣體進(jìn)行工作，換句話說(shuō)，這些氣體不會(huì)降解石墨烯，可用于研制燃料電池的電極。
2.太陽(yáng)能電池。
�。ㄋ模┽t(yī)療領(lǐng)域
1.細(xì)胞毒性。
2.藥物傳輸。
四、結(jié)語(yǔ)
石墨烯被譽(yù)為"神奇的材料",從納米級(jí)的"綠色"科技到傳感器，以及未來(lái)的導(dǎo)電涂層等方面，都具有極大的應(yīng)用潛力�？梢哉f(shuō)，石墨烯的出現(xiàn)不僅給科學(xué)家們提供了一個(gè)充滿魅力與無(wú)限可能的研究對(duì)象，更讓我們對(duì)其充滿了期待。也許在不久的將來(lái)，石墨烯就會(huì)為我們搭建起更加便捷與美好的生活。
五、參考文獻(xiàn)
[1] Abhilash M.; International J. of Pharma and Bio Sciences, Vol. V1（1）p. 1, 2010
[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(jī)械工業(yè)出版社
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