纳米材料--石墨烯的世界

纳米材料石墨烯的世界制作者安雪2014年05月,1985,2014,1991,1996,2004,2010,发现富勒烯,发现碳纳米管,石墨烯首次制备成功,富勒烯的发现者获得了诺贝化学奖。,Geim教授获得诺贝尔物理学奖,应用成果,加工方法,性能,发展问题,结构,什么是石墨烯石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量,石墨烯是2004年由曼彻斯特大学科斯提亚诺沃谢夫和安德烈盖姆发现的，他们使用的是一种被称为机械微应力技术的简单方法,石墨烯的结构,1、单原子层石墨晶体薄膜2、碳原子构成的二维蜂窝状物质3、只包括六角原胞（等角六边形）,石墨烯的神奇特性,强度最高美国哥伦比亚大学的专家为了测试石墨烯的强度，先在一块硅晶体板上钻出一些直径一微米的孔，每个小孔上放置一个完好的石墨烯样本，然后用一个带有金刚石探头的工具对样本施加压力。结果显示，在石墨烯样品微粒开始断裂前，每100纳米距离上可承受的最大压力为29微牛左右。按这个结果测算，要使1米长的石墨烯断裂，需要施加相当于55牛顿的压力。,石墨烯的性能,石墨烯的加工,机械剥离法化学气相沉积法(CVD)氧化-还原法溶剂剥离法加热Si-C法,1、机械剥离法通过机械力从新鲜石墨晶体的表面剥离石墨烯片层。2、加热SiC法通过加热单晶SiC脱除Si，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层。Berger等人已经能可控地制备出单层.或是多层石墨烯。据预测这种方法很可能是未来大量制备石墨烯的主要方法之一。,CVD法,使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉,通入含碳气体,例如,碳氢化合物,它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面,形成石墨烯,通过轻微的化学刻蚀,使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。,溶液剥离法,原理是将少量的石墨分散于溶剂中,形成低浓度的分散液,利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力,此时溶剂可以插入石墨层间,进行层层剥离,制备出石墨烯,石墨烯的应用,双层石墨烯可降低元器件电噪声,美国IBM公司TJ沃森研究中心的科学家，攻克了在利用石墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题，即通过将两层石墨烯片叠加，可以将元器件的电噪声降低10倍，由此可以大幅改善晶体管的性能，这将有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。,利用石墨烯试制的触摸面板,含有石墨烯的柔性材料在产业化过程中可作为一种透明导电材料，应用在可弯曲、可折叠电子显示器的生产中。,13年E-Ink推出世界最薄电子纸手表，厚度仅为0.8毫米,石墨烯的其他用途,1、透明电极染料太阳能电池的正极2、电化学生物传感器石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移3、超级电容器高效储存和传递能量的体系,它具有功率密度大,容量大,使用寿命长,经济环保4、能源存储质量轻、高化学稳定性和高比表面积5、复合材料独特的物理、化学和机械性能为复合材料的开发提供了原动力,限制石墨烯实际应用的相关课题,石墨烯也像陶瓷一样脆弱！,美国莱斯大学和佐治亚理工学院的一组科学家们测试了小片“双层”石墨两个相当于单原子厚度的纯碳薄片彼此堆叠。科学家们利用聚集的离子束照射它们使得它们产生微小的裂缝。随后拖拉和扭转这一石墨，以观察这些裂缝扩张的速率，直到材料最终断裂。“石墨烯对裂缝的存在非常敏感。相比之下，倘若钢铁里存在一个小裂缝，那还不是特别危险。钢铁具有巨大的裂纹扩张阻力。石墨烯则更像窗户的玻璃。,对材料抵抗裂缝能力也就是断裂韧性的测量不仅仅包括抗拉强度也就是指当材料被拉伸时它断裂的可能性，它还测量了当一种特定材料被扭曲时，它在断裂之前所能忍受的“惩罚”。例如金属是可延展的，你需要反复扭曲弯曲才能折断一根汤匙。玻璃能够抵抗扭曲，但它不具有延展性，因此如果扭曲力或者拉伸力超过一定的极限，它便会迅速断裂。即使是一个小裂缝也足以导致玻璃碎裂。朱教授和莱斯大学的娄俊（JunLou）合作进行的研究发现，有裂缝的石墨烯断裂的可能性是钢铁的10倍，且此时它的断裂韧性更接近于氧化铝或者碳化硅基陶瓷。相对较低的断裂韧性意味着一片石墨烯里一个小裂缝就足以摧毁它。这样小的裂缝很可能是制造石墨时自然产生的结果。,新材料产业面临的问题,第一：炒作过甚在世纪之交，世界各地刮起了一阵纳米狂热风。欧美、日本以及国内争相出台纳米发展计划。科学家们纷纷预言“21世纪将是纳米时代”。于是，国内一时之间出现了“纳米水“、”纳米电冰箱“、“纳米毛衣”、“纳米化妆品”令人眼花缭乱、不明觉厉的产品。2010年获得诺贝尔奖之后，石墨烯在不少研究方向上捷报频传。第二：行业标准缺失没有标准，就无法使用一个公认的准绳来衡量该产品的质量，致使产品和企业真伪难辨、优劣难辨。市面上同样的商品，价格千差万别，势必损害消费者对商品的信任度。而且，没有标准，高端产品不能区分开来，最终陷入低劣产品的价格战的乱像。所以，行业标准缺失往往被认为行业混乱的源头。作为新兴产物，正处在快速发展的新材料产业领域，标准缺失问题尤其明显。,第三：技术低端、忽视研发与其他产业相比，新材料的研发投入高、周期长、产业化风险较大。企业需要保持技术的敏感性和创新意识，并愿意持续投入资金研发。综合考虑这些特点，导致不少企业对于新材料研发不重视，甚至没有研发部门，直接