详细介绍被称为“黑金”的石墨烯到底有多强？带注释

1、an被称为“黑金的石墨烯，到底有多强?今天我要讲的一种材料叫石墨烯，它是一种纳米材料，很小。它有很多优异的性能，那 么一个材料优质的性能从哪里来?大家想过这个问题吗？第一，从它是什么元素，第二，这些元素是怎么排列的。同样是碳，为什么钻石、石墨、二氧化碳的价值差距这么大？比如钻石和石墨两种材料，他们都是由碳构成的，但是这种两种材料在我们日常生活中 价值似乎完全不同。钻石颜值很高，价格很贵，它透明、坚硬、绝缘。相反，石墨是什么？它是黑色的、松 软的、导电的，两种材料完全相反，然而它们都是实实在在由碳组成的材料。如果我说这位女士你带的0.2克的这块碳是从哪里买的？你肯定感到不高兴，我这是钻 石。然而

2、这些钻石也好，石墨也好，和我们呼出的二氧化碳里面的碳都是一样的。好比说, 今天你大概呼出了 2000多克拉的碳，那么你就觉得这个呼吸好值钱。结构不一样造成了性质的不一样，我们可以看到，在图中钻石是一个三维结构，而石墨 在二维层面有一个很强的化学键连接，在层和层之间是一种很弱的化学键，叫范德华力 的连接，这就造成了它们性质的巨大的不同。我们今天要谈的是个纳米碳材料，那我们就看看在纳米的结构里面，材料的结构对材料的性质究竟会造成什么样的影响。为什么。维碳获得了诺奖，而一维碳却失之交臂?第一，o维碳，也叫碳60o我们看到它是笼子状的结构，它是一种五边形和六边形拼 凑起来的，跟足球非常像，所以它有一个

3、另外的名字叫足球烯。如果我们在足球的每一个拼凑的键点上放一个原子，我们就完全相同地制造了一个碳 60的这样的一个分子结构。这个分子是在1986年被两位美国科学家和一位英国科学家发现的，并由此获得诺贝尔 化学奖。富勒烯2的发现加深了我们对宇宙中含碳分子的认识、碳的演化的认识，以及对 芳香族3物质的理解。一维碳材料;碳纳米管，我们可以看到它是一个管子状的结构，它的直径大约在一纳米 上下。这个材料是由日本nec的科学家饭岛澄男发现的。1991年，当时由于透射电镜的技术的发展，他可以很清楚地看到这样的一个管式结构。 这个碳管在我们做纳米材料的领域中非常重要，因为他使纳米材料进入了普通人的视野，而 他在

4、科学界也掀起了纳米材料的高潮。纳米管有很多奇异的性质，我们似乎觉得碳60获了诺奖，碳管是不是也应该获得诺奖 呢？但他并没有，当然诺奖的委员会有不同的考虑，但是有一个原因可能让大家对它有点忧 虑。饭岛澄男发现了碳管的时候，有许多人跳出来说，我早就发现了，我冤枉。也有好多团 队这样跳出来，最著名的应该是前苏联的科学家，在1952年的时候他们就看见了纳米碳管的影子。但由于当时他们是用俄语写的论文，不能被世界其他地方人读到，而且当时的苏联跟其 他国家的交往也没有那么多，他们就错过了把这个科研成果公之于众的机会。大家为此争论不休的时候，科学家忽然在久远的大马士革钢刀里面发现了碳纳米管，当 时的这个技术已

5、经失传了。大马士革钢刀存在于公元三世纪到十七世纪，现在我们又找回了这项技术，在那里我们 也发现了碳纳米管，而且碳纳米管在里面是有一个增强和增韧的作用的。大马士革刀非常锋利，我找到的英文资料是这样形容它的，一根头发落在大马士革钢刀 上面会被削成两半，如果用大马士革钢刀去削一个步枪的枪管可以把它削断。这跟我们中文 形容刀快不是一样的吗？吹毛断发，削铁如泥。碳纳米管为什么会出现在大马士革钢刀里面呢？这个并不难理解，是因为我们在炼铁炼 钢的过程中有碳的存在，它就提供了碳源，同时有铁的存在，铁是一种催化剂，在今天讲碳 管的时候，还要大量地使用铁。所以那个时候，在一定的工艺条件下生产出的大马士革钢刀里面有

6、碳纳米管就不奇怪了。用透明胶带分离出石墨烯下面进入我们的主题二维材料，一提到二维，我相信有很多大刘（刘慈欣）的粉丝想到 三体里面讲的二向箔，是一个维度打击武器，可以让一个三维世界在上面坍塌，有无穷的力 量。我们钦佩大刘的丰富的想象力。但是我们也知道，想象力一定是基于一些现实的基础, 好比说我们想到了一个长着翅膀、会飞的熊，是因为我们见过一只熊和翅膀，我们把它放在 一起就出现了新的创意。我也在想，大刘是不是受到了二维材料石墨烯的启示，想到这样一种结构。石墨烯的结 构就是一个单层的石墨，石墨我们大家非常熟悉，然而这个石墨烯是不是也像石墨那么普通?实际上不是的，石墨烯从石墨里面是分离出来的，我们承认

7、这一点。然而石墨烯给我们 打开了一个广阔的视野，告诉我们材料可以是以二维形式存在的。作为一个材料科学家，我们受过的教育一直是二维材料这样一层原子组成的结构，在热 力学上是不稳定的，它会坍塌。就仿佛说有一张纸有两个足球场那么大，它自己无法支撑自 己，除非放在什么上面才行。2014年，英国曼彻斯特大学的两位科学家dr. geim和novoselov,他们两个人在石墨里 面分离出了石墨烯，给我们开阔了一个新的视野，以此为发端，至今为止，我们找到了上千 种二维材料。我们看看二维材料最早是被用一个多么意想不到的方法分离的。他们拿了一个胶带,然后拿一块石墨这样反复粘。因为它是层状结构，一层一层被分开， 最

8、终会找到一些单层的结构，然后把它转移到一个基底上面去，就可以研究它了。黑金石墨烯有多强？1 .力学性质石墨烯的力学性质非常之强，它的力学拉伸强度达到130gpa,相当于钢铁的一百倍。 理论计算得到，如果石墨烯有效的连接厚度能够达到一毫米，它都能够撑起一只大象的重量。 它这么强的力学性能从何而来？就像我们开始讲的;结构决定了性质。它是一个二维结构，碳和碳之间的链非常之强。在每一个碳周围有三个邻居，这三个邻 居形成的碳的键非常短，非常强，支撑了石墨烯的高强的力学性质。2 .电学性质它的电学性质很值得一提，它的电子迁移率可以达到200,000cm2/vs,是硅的一百倍。什么是电子迁移率呢？就是说电子

9、在这种材料里可以跑得多快。一个材料的导电性由两 件事情决定，一个是电子在里面跑多快，第二是有多少电子在里面跑。大家可以想象一下高速公路，这条公路上限速是多少，车可以跑多快，以有多少车在上 面跑决定了这条高速公路的运力。所以我们在电子器件制造中，很多的时候我们希望有一个 高运力，这样的话能加速器件的运算速度。第二，它的电流密度的承受能力非常之大。好比说我们有一个常用的导线，比如说金属 线铜线，我们通电流，如果电压增加，电流增加到一定程度，电流会把铜丝烧断。a但是石墨烯抗烧断的能力非常之高，它可以达到铜的100万倍！如果我们用石墨烯做导 线的话可以大大降低导线的重量。而且最近的一个新发现，在双层石

10、墨烯里面，如果转动一 个角度，它会有一些超导现象出现。但在电学性能中它有一项不足，就是它的零能带隙，能带是关系到一个半导体的存 在的。如果这个能带合适，这就是个好的半导体。由于石墨烯是零能带，它就不是半导体, 它是个金属性质，那么做电子器件还是有一定的困难。科学家们正在克服这些零能带造成的 问题。3 .致密与大比表面积它石墨烯是一个很致密的材料，由于它的键很短，就是原子和原子之间的距离很近，只 有0.142nmo也就是说，包括氢气、氮气这么小的分子、原子都没有办法穿过它。它是一种 很好的阻隔材料，比表面积可以达到2630m2/g,就是说它的面积非常大。我们看中间这张图，就是用石墨烯组成了一个泡

11、沫状的结构，它可以自己把自己支撑起 来，但非常非常的轻。我们把它放在一个狗尾草上面，狗尾草看上去没有任何的结构上的变 化。我们可以用这些石墨烯来做一些过滤的材料，在上面开一些我们能控制尺寸的小洞，就 可以分离不同的气体或者是液体。比如海水里面的盐的分离，空气中的氧气跟氮气的分离。4 .光和热的性质石墨烯的光的性质，因为只有一种碳源，只有一层碳原子，它的透光率可以达到97.7%, 也就是说一层碳原子可以吸收2.3%的光。这个是大还是小呢？实际上是一个很强的光吸收，大约50层石墨烯我们就可以把光完 全吸收。这对于其他材料来说很难。但石墨烯可以，我们只用它其中的一层就够了，这就使 得它有很多可用的地

12、方。37.035.333.531.729.9石墨烯的导热性质非常好，目前有两种主要的导热方式。一种叫电子导热，就是一个材 料如果它导电非常好的话，它的导热往往也很好，比如说铜和铝。但是还有一种材料，它的导热是不需要寄托于导电上的，它是靠声子导热的，就是说声波 的传播速度，在石墨烯中声波的传播速度可以达到22km/s,所以它具有非常好的导热效果。如何合成石墨烯?furnace石墨烯的合成有两种形态，一种是长成石墨烯大面积的薄膜，碳在上面组成一个薄膜，原材 料往往是一种碳氢气体，比如说甲烷。这张图里面可以看到，中间有一个蓝颜色的代表一个碳原子，四周红颜色的代表氢原子, 一个碳带四个氢。它落到了一个

13、表面上以后，由于催化作用它会分解，这些氢气就走掉了, 留下碳在上面重组，就构成了这样一个石墨烯结构。我们把它放到一个炉子里面，在高温条件下可以做成小单片，也可以通过卷对卷的方式长成 大的石墨烯薄膜。还有一种非常有用的石墨烯材料叫石墨烯粉体。既然石墨烯是石墨中的某一层，我们怎 么把它单拿出来呢？我们把石墨粉作为原材料，然后通过氧化石墨粉，或者是插层石墨粉，把层和层之间插 进其他的物质，然后把它们分开，这样就得到了石墨烯的粉体。但是这个过程有一点问题，在插层和氧化的过程中会造成大量的缺陷，石墨烯的某些性 质就会下降。在实验室我们做成了这样一种东西，通过化学气相沉积的方法，在高温下铜的溶液中通 入甲

14、烷气体，它就在这个里面形成了气泡，然后在铜的表面形成石墨烯。在这些气泡上升的 过程中携带着这些石墨烯飞出来，然后气泡破掉，我们就收集到了石墨烯。石墨烯到底是不是新材料之王？1.水处理由于石墨烯可以做到高疏水性，就是我们在中间图所看的，一滴水流在上面完全变成了水珠。左边是用这种性质做成了一个水处理的机器，它可以把水、油及固体悬浮物三项分开。在我们最左边的这幅图里面是一个水、油、悬浮物混合的溶液，然后它进入这个机器以 后分出来的中间的是纯水或者处理后的比较干净的水，右边橘色的是油，另一个管道出现的 是固态颗粒。右边我们看到它可以做成一个整机，就可以真正地去处理水了。2 .重防腐桥梁工程也好，海洋工

15、程也好，防腐是一个很重要的事情。石墨烯的防腐涂料是一种很 好的重防腐的一个材料，因为它在里面构建出了一个复杂的迷宫结构。那些腐蚀性的离子想 透过迷宫结构要走的路更久，所以它腐蚀经历的时间也就越长。3 .吸附我们知道雾霾是个大问题，它对我们的健康产生很大的影响。现在最好的防雾霾的口罩, 除了石墨烯的以外就是市面上的这种口罩。它是用静电来吸引小粒子的，但是只能保持一小 时的功效，因为我们呼吸的水蒸气在进出的过程中，静电就被中和掉了，这样的话它就失去 了效果。石墨 烯的口罩是靠大比表面积让气体在里面迂回地走，由于大的比表面积，它会吸附 那些颗粒，可以长时间使用而不失效，最长可以达到200个小时。现在

16、这种石墨烯口罩市场 上己经有卖的了。4 .生物示踪随着人民生活水平的提高，对健康也会越来越关注，癌症是我们非常关注的疾病。癌症 从一个癌细胞被激活到长成一个肿瘤可能只需要几周的时间，为了治疗，我们需要监控它, 我们需要看见它，看见肿瘤是怎么分裂的。bright fieldbright/gfp fieldio用石墨烯做的示踪原子非常好，我们看左边这个图，用石墨烯看到的癌细胞是绿的，它 不染色这个正常的细胞，我们就看到癌细胞是怎么变化的。我们可以看到视频中的癌细胞是怎么分化的，这个就是实时的十秒钟癌细胞是怎么分裂 的。这两个细胞它们在一起的时候很快地就变成了四个细胞。有很多种不同的生物示踪的材料,

17、但是石墨烯的好在哪里呢？石墨烯的发光寿命非常长, 普通的示踪材料大概从两个小时到一天它就不再发足够强的光了，我们也就看不到那些癌细 胞是怎么演变的。而石墨烯是一种超稳定结构，它的键很短，化学性质比较惰性，它可以保持两周到一个 月的示踪长度，大大方便于我们对疾病的诊断和跟踪。5 .红外成像石墨烯由于有比较均衡的红外的吸收的谱，很少的材料才能达到这样一个功效。中红外 和中远红外同时成像都可以。我们可以看到两张黑白的图，这里面一个人拿着一个电烙铁，电烙铁发出的光温度很高, 大概三四百度。这是一个中红外的波段，人体发出的是远红外的波段。这种石墨烯的红外的成像可以让两个波段同时呈现，也可以只让一个波段出

18、现，上面就 是只看电烙铁，下面就是人和电烙铁都看到。我们就可以同时对人和发动机做监控。还有热管理，热管理在我们的实际生活中已经开始应用了，加热的地板，加热的服装等等。下面我想谈一些思考，石墨烯有这么多美妙的性质，它能不能称作新材料之王呢？我觉得为时还早。因为之所以能称王，它必须在这个时代有掌控力、有支配力的，它必 须是一个对我们的生活影响最大的材料。在人类的历史上实际上这种材料并不是很多，第一个是石头，因为它命名了一个时代; 石器时代，它是我们最早使用的一个工具，然后到了青铜时代，再往后就是钢铁，再往后塑 料、硅、黄金。因为黄金奠定了各国的货币基础，使大家做生意成为可能。我想只有这些材料目前才

19、能称为王，但石墨烯目前还不能称王。它未来会不会成为王呢? 我觉得还是有可能的，这要看这个行业会发展到哪一个方向去，现在我们暂且可以把石墨烯 叫王储。expectationson theriseat thepeakactivity beyond early adopterssliding intothe troughclimbing the slopeenteringthe plateaunegative press beginsr&dmass media hype beginsearly adopters investigatesupplier coniolidition and fa

20、iluresstartup companies first round of venture capital fundingfirst-generation products, high price, lots of customization neededthird-generation products, out of the box, product suitessecond-feneration products, some servicessecond/third rounds of venture capital fundingsupplier proliferationhigh-

21、growth adoption phase starts: 20% to 30h of the potential audience has adopted the innovationmethodologies and best practices developingless than s percent of the potential audience has adopted fullyslope of enlightenmentplateau ofproductivitytechnology peak of inflated trough of trigger expectations disillusionment当下石墨烯在中国经过了一个热潮，现在到了哪一个阶段，我们看新技术的成长规律, 它是一个从起始到高期待，然后往下走。它必然要往下走，这