生物材料——石墨烯

神奇的石墨烯,材料院：张佳慧万心灵,1.简介,石墨烯目前是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，透明度高于高于碳纳米管和金刚石。,1.简介,石墨烯目前是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，透明度高于高于碳纳米管和金刚石。,石墨烯是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起，而碳纳米管就是石墨烯卷成了筒状。适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至太阳能电池。,2.特性,导电性和透光性：传统的半导体和导体，由于电子和原子的碰撞，会以热热的形式释放了一些能量。而石墨烯则不同，在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而它的电子能量不会被损耗，这使它具有了的优良特性。,摩擦学特性：单层石墨烯的摩擦力大于多层石墨的摩擦力,然而单层石墨烯的表面性能更加稳定;3.改进的理论计算结果与实验结果较为相符。石墨烯与氮化硅针尖间的摩擦系数(等效剪切模量)很小,经计算其等效摩擦系数约为92.2MPa。机械特性：石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。,电子的相互作用：石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。化学性质：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。,3.制备方法,机械剥离法：石墨烯最早的制备方法，质量好，迁移率高；但产量和效率低氧化还原方法：氧化还原法由于其稳定性而被广泛采用，产量高。但氧化过程会导致大量的结构缺陷，这些缺陷导致的电子结构变化使石墨烯由导体转为半导体，严重影响石墨烯的电学性能，制约了它的应用。,3.石墨层间化合物法：石墨插层化合物途径制得的石墨烯结构缺陷少，质量高，但是有机溶剂和表面活性剂难以完全除去，影响石墨烯的电学性能，而且部分有机溶剂价格昂贵。4.沉积生长法：沉积法能够生长出大面积、高质量的石墨烯膜，具有其他方法不可比拟的优点，但是条件比较苛刻，过程比较复杂。,5.化学合成法：通过自下而上的有机合成法可以制备具有确定结构而且无缺陷的石墨烯纳米带，并可以进一步对石墨烯纳米带进行功能化修饰。6.碳纳米管法：所得石墨烯具有较高的电导率和迁移率。这些以碳纳米管为出发点的尝试，为制备石墨烯提供了新思路，面临的问题是如何控制石墨烯带的宽度、边缘平滑性和均一性，以满足各种应用的要求。,4.应用,代替硅生产超级计算机：石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料，这种特性尤其适合于高频电路。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。在纳电子器件方面的应用：墨烯具有高载流子迁移率，并且受温度和掺杂效应的影响很小，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性，使电子工程领域极具吸引力的室温弹道场效应管成为可能。,光子传感器：因为石墨烯是透明的，用它制造的电板比其他材料具有更优良的透光性。基因电子测序：由于导电的石墨烯的厚度小于DNA链中相邻碱基之间的距离以及DNA四种碱基之间存在电子指纹，因此，石墨烯有望实现直接的，快速的，低成本的基因电子测序技术。减少噪音：通过在二层石墨烯之间生成的强电子结合，从而控制噪音。噪声。,其他应用：石墨烯还可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，石墨烯可以用来做绷带,食品包装甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管,因石墨烯还可以取代灯具的传统金属石墨电极,使之更易于回收。这种物质不仅可以用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯成为现实。,5.石墨烯电池,美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为，未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后，将带来电池产业的变革，从而也促使新能源汽车产业的革新。,6.未到来的石墨烯时代,石墨烯一种只有一个原子厚的二维碳膜，的确是种令人惊讶的材料。石墨烯导电性强、可弯折、机械强度好，看起来颇有未来神奇材料的风范。如果再把它的潜在用途开个清单保护涂层，透明可弯折电子元件，超大容量电容器，等等那简直是改变世界的发明。,在2012年，因石墨烯而获得诺贝尔奖的康斯坦丁诺沃肖洛夫曾经在自然上发表讨论石墨烯的未来，两年来的发展也基本证明了他们的预测。石墨烯“前途是光明的、道路是曲折的”，虽然将来它也许能发挥重大作用