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石墨烯有什么奥秘?它很常见,1克足以覆盖1个足球场

科技新闻网 2019-10-08 13:40:32

石墨烯有什么奥秘?它很常见,1克足以覆盖1个足球场

自21世纪以来石墨烯已经成为新型材料的研究重点,许多科学家都对石墨烯有着浓厚的兴趣,也相继研发出了不同类型的石墨烯概念产品,我们先用一个实验解开石墨烯是什么。

铅笔里面装有一根软石墨棒,软石墨棒是由牢固结合的原子层组成的一种碳,这些原子层通过范德华力非常脆弱地结合在一起。当沿着纸张拖动铅笔时,石墨薄层会被摩擦下来并留在上面。

所以,我们看到的就是一个原子厚度的超薄石墨层。像这样的铅笔书写或标记中都有少量的石墨烯斑点,但它们只有一个原子的厚度,所以这样的石墨层就是我们所听到的石墨烯!

石墨烯与石墨、钻石之间的关联

在物理课本中我们知道碳有2中截然不同的形式存在,即同素异形体,分别是石墨(常见于铅笔笔芯)和钻石。令人神奇的是,这两种根本不同的材料都是由相同的碳原子结合而成。

那么,石墨为什么不同于金刚石呢?这是因为石墨是由其他材料与石墨混合在一起,而钻石则是由单一的碳原子组成的物质,所以在纯度上比石墨更坚固。如果我们在书本上学的这些止步于此,那就没有了石墨烯的出现了,也正是孜孜不倦的探究精神,在1985年人们发现额碳的另一种同素异形体-富勒烯,由60个碳原子的橄榄球状笼子制成,直到2004年将平坦的碳原子卷曲制成直径为1纳米的超薄空心管和鼓状石墨烯。

石墨烯是什么

观察许多熟悉的固体材料,我们会发现:许多原子排列成规则的,无休止的重复三维结构,只而原子之间没有看不见的结合,它们不是结合在一起,而是固定在一起。钻石和石墨都具有三维结构,尽管它们是完全不同的:在钻石中,原子紧密地结合在三维四面体中,而在石墨中,原子紧密地结合在二维层中,二维层固定在这些层上相对较弱上方与下方。

图左:钻石具有基于重复四面体的坚固三维体系。红色斑点是碳原子,灰色线是将它们连接在一起的键。(键是不可见的,但我们可以这样绘制它们,因此我们可以更轻松地对其进行可视化。)

图右:基于紧密结合的六边形层,石墨的结构要弱得多。这些层在范德华力的作用下彼此薄弱地相连。

而石墨烯是单层石墨。它的晶体结构是二维的。换句话说,石墨烯中的原子是平坦放置的,就像桌子上的台球一样。就像在石墨中一样,每一层石墨烯都是由碳的六边形“环”制成的,从而呈现出蜂窝状的外观。由于这些层本身只有一个原子高度,因此需要堆叠约300万个才能将石墨烯制成1毫米厚!

所以拥有一个原子厚度石墨烯注定是很轻的一种物质,很显然我们可以把1克的石墨烯分布开来,足足可以覆盖1个足球场大小的面积,尽管没有人这样做过,但我们可以做一个计算,如果将石墨烯覆盖整我们的国土面积,也只需要2000吨而以。

石墨烯的特点

强度:石墨烯比钻石的硬度更强!石墨烯被认为是迄今发现的最坚固的材料,比钢强200倍。值得注意的是,它既僵硬又有弹性,因此您可以将其拉伸到惊人的程度(原始长度的20%到25%)而不会断裂。那是因为石墨烯中碳原子的平面可以相对容易地弯曲而不会分裂。我们可以使用这一特征用其制造复合材料,用于汽车制造,以及其它用途,可以更环保更节能。

电导率:石墨烯电池大家肯定听说过,它就是利用了石墨烯的电导率,因为石墨烯的扁平六边形晶格对电子的阻力相对较小,电子可以快速,轻松地通过电子,甚至比一些超导体载流性能都更好,根据其超好的防渗透特质与体积结构,电池将做得更小,存电量更多,相比普通锂电池更具环保性。

电子特性:电导率只是以相对粗糙的方式将电从一个地方“运送”到另一个地方。石墨烯可以搭载操纵带电的电子流,如果处理器用上了石墨烯,电子像光子一样穿过石墨烯,速度更快,或许我们能更快速的发展到6G时代。

光学性质:通常,一种物体越薄,它越可能是透明的,石墨烯也一样,只有一个原子厚的超薄石墨烯几乎完全透明,它的透光率约97-98%的光率。但是我们要记住石墨烯也是一种神奇的电导体,我们可以结合这一性质,制作出既是窗户玻璃有能发电的环保材料了。

石墨烯的未来

尽管石墨烯的这些特征已被证实,但是还需要解决很多技术难题才能投入生产使用,可以肯定的是石墨烯是一种环保节能材料,对我们的环境有着莫大的提升与改造,相信不久的将来一大部分是石墨烯参与的格局。对此看法你有什么见解呢?

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