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石墨烯问世 人类看到了划时代变革的曙光

导读: 中国改革开放总设计师邓小平曾说过“科学技术是第一生产力”,科技的突破往往会给人们的生活,乃至整个社会带来极大的变化。石墨烯作为近年来纳米材料领域的焦点,其独一无二的分子结构让科学家看到了人类社会继信息时代后的又一次划时代的变革。

  OFweek仪器仪表网讯:中国改革开放总设计师邓小平曾说过“科学技术是第一生产力”,科技的突破往往会给人们的生活,乃至整个社会带来极大的变化。石墨烯作为近年来纳米材料领域的焦点,其独一无二的分子结构让科学家看到了人类社会继信息时代后的又一次划时代的变革。

  研究发现,石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的 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,它同时具备最薄和最坚硬两大优势,更集声、光、电、热、力、磁四种以上材料特性于一身,可谓 纳米材料中的“多面手”,一旦石墨烯能够大规模的应用,将会掀起电动汽车电池、超强防弹衣、电子弯曲屏等多个领域的新变革,对人类社会而言这将是一场翻天 覆地的改变。

  作为目前已知的世上最薄、最坚硬、导电性最好而且拥有强大灵活性的纳米材料,石墨烯成为制造灵活显示屏、可穿戴设备以及其它下一代电子设备的理想材料,未来在触摸屏、传感器、蓄电池等领域的应用充满了想象。比如,通过它制造出可弯曲的智能手表、可折叠成智能手机的平板电脑、15分钟便充好电且续航能力达500公里的电动车蓄电池,等等。

  中科院近期发布的一份报告指出,石墨烯的研究和产业化发展持续升温,从石墨烯专利领域分布来看,其应用技术研究布局热点包括:石墨烯用作锂离子电池电极材料、太阳能电池电极材料、薄膜晶体管制备、传感器、半导体器件、复合材料制备、透明显示触摸屏、透明电极等。主要集中在如下四个领域:

  传感器领域。石墨烯因其独特的二维结构在传感器中有广泛的应用,具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间快、电子传递快、易于固定蛋白质并保持其活性等特点,能提升传感器的各项性能。主要用于气体、生物小分子、酶和DNA电化学传感器的制作。新加坡南洋理工大学开发出了敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器;美国伦斯勒理工学院研制出性能远超现有商用气体传感器的廉价石墨烯海绵传感器。

  储能和新型显示领域。石墨烯具有极好的电导性和透光性,作为透明导电电极材料,在触摸屏、液晶显示、储能电池等方面有很好的应用。石墨烯被认为是触摸屏制造中最有潜力替代氧化铟锡的材料,三星、索尼、辉锐、3M、东丽、东芝等龙头企业均在此领域作了重点研发布局。美国德州大学奥斯汀分校研究人员利用KOH对石墨烯进行化学修饰重构形成多孔结构,得到的超级电容的储能密度接近铅酸电池。密歇根理工大学科学家研发出一种独特蜂巢状结构的三维石墨烯电极,光电转换效率达到7.8%,且价格低廉,有望取代铂在太阳能电池中的应用。东芝公司研发出石墨烯与银纳米线复合透明电极,并实现了大面积化。

  半导体材料领域。石墨烯被认为是替代硅的理想材料,大量有实力的企业均开展了石墨烯半导体器件的研发。韩国成均馆大学开发出了高稳定性n型石墨烯半导体,可以长时间暴露在空气中使用。美国哥伦比亚大学研发出石墨烯-硅光电混合芯片,在光互连和低功率光子集成电路领域具有广泛的应用前景。IBM的研究人员开发出了石墨烯场效应晶体管,其截止频率可达100GHz,频率性能远超相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率。

  生物医学领域。石墨烯及其衍生物在纳米药物运输系统、生物检测、生物成像、肿瘤治疗等方面的应用广阔。以石墨烯为基层的生物装置或生物传感器可以用于细菌分析、DNA和蛋白质检测。如美国宾夕法尼亚大学开发的石墨烯纳米孔设备可以快速完成DNA测序。石墨烯量子点应用于生物成像中,与荧光体相比具有荧光更稳定、不会出现光漂白和不易光衰等特点。石墨烯在生物医学领域的应用研究虽处于起步阶段,但却是产业化前景最为广阔的应用领域之一。

  关于石墨烯浪潮的问题,烯碳新材技术发展与规划副总监李纪军博士介绍说,石墨烯产业目前处于技术概念期,还处在技术突破的前夜,一旦技术取得突破,石墨烯产业就将取得爆发式增长,如石墨烯应用在消费类电子产品的触摸屏,锂离子电池和超级电容器上,这些应用技术一旦取得突破,将会对目前手机触摸屏产业和汽车行业产生颠覆性改变。

  对石墨烯而言,突破性的改变必然发生于基础研究的突破,基础研究虽然离具体产品较为遥远,但是这个世界高速发展,技术的加速度可以弥补时间错位,关键基础问题的研究一旦突破,在资本和人力的推动下,其他产业化相关问题会很快解决。

责任编辑:nick
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