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石墨烯熱:“熱”在今天,,更要關(guān)注未來(lái)

2021年06月10日 09:47  |  來(lái)源:光明日?qǐng)?bào)
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石墨烯熱:“熱”在今天,,更要關(guān)注未來(lái)

6月6日是國(guó)際石墨烯日。在這一天,,關(guān)于石墨烯的研究與應(yīng)用再次成為科學(xué)界討論的熱點(diǎn),。作為目前世界上已知最薄、最強(qiáng),、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最高的一種新型納米材料,,石墨烯的發(fā)展前景被眾多科學(xué)家所看好,石墨烯也因此被稱為“黑金”,。正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主弗蘭克·維爾澤克所說(shuō),,石墨烯可能是唯一一個(gè)從量子理論到應(yīng)用的實(shí)例。

石墨烯是如何被發(fā)現(xiàn)的,?應(yīng)用前景如何,?從研究到應(yīng)用,我們還要越過(guò)哪些障礙,?

1,、 發(fā)現(xiàn)石墨烯:顛覆了物理學(xué)界傳統(tǒng)思維定式

我們經(jīng)常談及的“石墨烯”,究竟是什么,?

“石墨跟石墨烯只有一字之差,,實(shí)際上,嚴(yán)格意義上的石墨烯就是單層石墨片,。把單層石墨片壘起來(lái),,壘到足夠厚就可以得到石墨。而把石墨一層一層地剝下來(lái),,剝出的單層就是石墨烯,。”根據(jù)北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授彭海琳的描述,,石墨烯就是一種純碳材料,,百分之百的碳材料,,是具有代表性的二維材料,其形狀表現(xiàn)為碳原子構(gòu)成的蜂窩狀,、六角形結(jié)構(gòu)的二維平面,。

石墨烯曾一度被認(rèn)為是一種假設(shè)性結(jié)構(gòu),無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在,。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特別研究員趙揚(yáng)介紹,,改變發(fā)生在2004年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫等人首次成功利用微機(jī)械剝離法從石墨中分離得到石墨烯,,顛覆了物理學(xué)界“二維原子晶體不可能在有限溫度下穩(wěn)定存在”的傳統(tǒng)思維定式,,兩人也因“二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

“雖然這次發(fā)現(xiàn)意義非凡,,但其采用的制備方法卻很簡(jiǎn)單——利用透明膠帶黏住高定向熱解石墨,,把有黏性的一面對(duì)折,再把膠帶撕開(kāi),,石墨薄片就會(huì)被一分為二,。”彭海琳告訴記者,,不斷重復(fù)這個(gè)解離過(guò)程,,石墨片就會(huì)越來(lái)越薄,最終得到只有一層碳原子厚度的二維晶體材料石墨烯,。當(dāng)然,,現(xiàn)在制備石墨烯的方法更多了——經(jīng)過(guò)數(shù)年發(fā)展,科研人員發(fā)現(xiàn)了更多制備石墨烯的方法,,這種新材料由此進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域,。

2、 探索石墨烯:很大程度改變?nèi)祟惿?/p>

石墨烯,,能用來(lái)干什么,?

“石墨烯是目前世界上已知的最薄、最堅(jiān)硬,、導(dǎo)電性最好的納米材料,,幾乎完全透明,具有很大的應(yīng)用前景,,可以應(yīng)用到儲(chǔ)能,、醫(yī)療、電子等各個(gè)領(lǐng)域,?!壁w揚(yáng)舉例說(shuō),石墨烯由于其高導(dǎo)電性、良好的電容性能和散熱性能等,,被廣泛應(yīng)用于電容器,、電池的電極材料中。其高導(dǎo)電性還尤其適合于高頻電路,,因此石墨烯有望成為硅的替代品,,進(jìn)而提升未來(lái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度,,減少能耗,。

南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授蔡衛(wèi)補(bǔ)充說(shuō),石墨烯能替代活性炭等,,提高儲(chǔ)能器件的容量與效率,。“石墨烯復(fù)合材料有望取代傳統(tǒng)的碳纖維,,用于制造更加輕型的飛機(jī)和航天器等,。具體到光學(xué)領(lǐng)域,石墨烯目前的應(yīng)用方向包括柔性透明電極,、光伏器件,、光源、光探測(cè)器,、超快激光器,、光頻轉(zhuǎn)換器及太赫茲器件等?!?/p>

“更值得一提的是,,石墨烯可以用來(lái)做柔性觸摸屏、觸控屏,。目前,,市場(chǎng)上一般是用ITO(氧化銦錫)玻璃做觸摸屏,ITO玻璃比較脆,,不能來(lái)回彎折,。而石墨烯的柔性特質(zhì)則決定其可以來(lái)回掰?!迸砗A照f(shuō),。

蔡衛(wèi)表示,石墨烯的廣泛應(yīng)用將很大程度上改變我們目前的生活,,提供一個(gè)信息溝通更通暢,、生活更加便利及更加環(huán)保的生活環(huán)境。

3,、 研究石墨烯:不能囿于低端應(yīng)用,,要關(guān)注未來(lái)核心技術(shù)

“目前,我們對(duì)石墨烯的研究主要集中在三個(gè)方面:一是石墨烯及其復(fù)合材料的制備與其性能研究,;二是基于石墨烯的基礎(chǔ)物理研究,,如量子物理,、極化激元物理等;三是石墨烯光電子器件及其應(yīng)用等,?!辈绦l(wèi)介紹,目前,,石墨烯研究逐漸走出實(shí)驗(yàn)室,,如2020年5月,華為發(fā)布的國(guó)內(nèi)首款5G平板華為MatePadPro5G搭載了超厚3D石墨烯散熱技術(shù),,總厚度達(dá)到400微米,。

但從研究到應(yīng)用,石墨烯還要越過(guò)諸多障礙,。

趙揚(yáng)說(shuō),,“現(xiàn)階段,若想將石墨烯直接應(yīng)用到實(shí)際還存在一些困難,,主要原因在于石墨烯的生產(chǎn)工藝還不太成熟,,導(dǎo)致石墨烯價(jià)格較高、質(zhì)量差,、產(chǎn)量少,。雖然很多公司的產(chǎn)業(yè)化正在緊鑼密鼓進(jìn)行,部分石墨烯產(chǎn)品也已推向市場(chǎng),,但石墨烯還無(wú)法滿足高質(zhì)量生產(chǎn)和大批量應(yīng)用的需求,。”

彭海琳從國(guó)內(nèi)實(shí)際情況出發(fā),,給記者列舉了一系列數(shù)字——據(jù)統(tǒng)計(jì),,從2011年起,我國(guó)關(guān)于石墨烯的文章數(shù)量已經(jīng)位居世界第一,,接近六萬(wàn)篇,,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)第二名美國(guó)的兩萬(wàn)多篇;我國(guó)申請(qǐng)的石墨烯專利占了全球的54%以上,,也是遙遙領(lǐng)先,。目前,我國(guó)涉及石墨烯業(yè)務(wù)的公司已超5000家,,并且呈現(xiàn)迅速增加之勢(shì),。

但數(shù)字背后也隱藏著危機(jī)?!拔覈?guó)石墨烯研究與國(guó)外不完全在一個(gè)頻道上,。”彭海琳坦陳,“我們更關(guān)注馬上能賺到錢(qián)的商品,。我們有七百多家石墨烯涂料企業(yè),,還有眾多的石墨烯電熱器和大健康企業(yè),以及越來(lái)越多的石墨烯內(nèi)衣,、石墨烯襪子,、石墨烯護(hù)腰、石墨烯口罩等,。反觀國(guó)外,,他們更多關(guān)注的是未來(lái),是石墨烯核心技術(shù)和高大上的產(chǎn)品開(kāi)發(fā),,如柔性石墨烯電子器件,、石墨烯光通信器件、石墨烯太赫茲探測(cè)器等各類傳感器,、石墨烯分離膜及海水淡化技術(shù)等。顯而易見(jiàn),,這些東西不可能立即變現(xiàn),,不能期待幾年之內(nèi)就有多么大的產(chǎn)業(yè),但它們可能代表石墨烯材料與器件的未來(lái)方向,?!?/p>

這樣的觀點(diǎn)值得注意。北京石墨烯研究院院長(zhǎng),、中國(guó)科學(xué)院院士劉忠范就曾多次指出,,我國(guó)的石墨烯研究仍處在產(chǎn)業(yè)化前夜,至多是起步階段,,我們不能過(guò)于急功近利,,既要關(guān)注今天的產(chǎn)品,更要關(guān)注未來(lái)的核心技術(shù),。只有擁有這些核心技術(shù),,才能擁有石墨烯產(chǎn)業(yè)的未來(lái)。

4,、 應(yīng)用石墨烯:更廣泛的應(yīng)用將把人類帶入“碳時(shí)代”

發(fā)展石墨烯,,前路在哪?

“未來(lái),,石墨烯應(yīng)該朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展,,其用途可體現(xiàn)在可穿戴的智能化手機(jī)手表、電動(dòng)汽車(chē)等設(shè)備的電池電極材料,、軍用防彈衣,、航空裝置的機(jī)械保護(hù)材料,以及一些柔性電子顯示屏和電子元件等方面?!壁w揚(yáng)認(rèn)為,。

蔡衛(wèi)表示,從更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展來(lái)看,,石墨烯要推動(dòng)基礎(chǔ)物理的發(fā)展,,目前石墨烯已推動(dòng)整個(gè)二維材料領(lǐng)域的發(fā)展,為探索范德瓦爾斯二維異質(zhì)材料的基礎(chǔ)物理與應(yīng)用提供了可能,,如轉(zhuǎn)角雙層石墨烯可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo),、石墨烯中的元激發(fā)能實(shí)現(xiàn)極端強(qiáng)的光—物質(zhì)相互作用等?!爱?dāng)然,,石墨烯要在新場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。如基于石墨烯的超靈敏光探測(cè)器可應(yīng)用在航空航天,、無(wú)人駕駛,、生物檢測(cè)等領(lǐng)域,又如石墨烯與其他二維材料或者現(xiàn)有硅基納米系統(tǒng)集成,,出現(xiàn)在6G通訊器件中等,。”

“劉忠范院士曾給石墨烯材料勾畫(huà)了三種前途,。第一種前途類似于碳纖維材料,,在某些領(lǐng)域找到不可或缺的用途,成為“撒手锏”級(jí)的應(yīng)用,。第二種前途類似于塑料,,一百年前人們發(fā)明塑料,極大便利了人類生活,,已經(jīng)滲透在日常生活的方方面面,。石墨烯材料也有這種潛質(zhì),在未來(lái)也可能像塑料一樣進(jìn)入我們的日常生活,。第三種前途類似于硅材料,。沒(méi)有硅材料,就沒(méi)有集成電路,,自然也就無(wú)法進(jìn)入信息化時(shí)代,。甚至可以講,我們現(xiàn)在生活在‘硅時(shí)代’,。完美的石墨烯材料擁有遠(yuǎn)優(yōu)于硅材料的光學(xué)和電學(xué)等特性,,可用來(lái)制造未來(lái)的信息器件?!迸砗A毡硎?,首先需要解決的是石墨烯材料的制備問(wèn)題,,在未來(lái),高質(zhì)量石墨烯材料可以考慮先和傳統(tǒng)硅技術(shù)結(jié)合或融合發(fā)展,,最終找到“殺手锏”級(jí)用途,,有可能替代硅基材料,制造“碳基電子器件及集成電路”,,從而把人類帶入“碳時(shí)代”,。

(本報(bào)記者 晉浩天 本報(bào)通訊員 韓芳)


編輯:魯雅靜

關(guān)鍵詞:石墨 材料 未來(lái) 應(yīng)用


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