石墨烯的应用与使用

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石墨烯的应用和使用

石墨烯,一种广为人知、大名鼎鼎的二维碳同素异形体,其用途多样性不输于地球上发现的任何已知材料。 作为最轻和最坚固的材料,石墨烯具有惊人的性能。与其他任何产品相比,石墨烯拥有更好的导热和导电能力,意味具有大量而广泛的应用前景。 首先,石墨烯可用于帮助提高当前材料和物质的性能和效率。在未来,石墨烯还将与其他二维(2D)材料一起创造出更为优异的的化合物,以适应更广泛的应用需求。 要了解石墨烯的潜在应用,必须首先了解该材料的基本特性。

石墨烯首次为人工制备得到:科学家取下一块真正石墨,逐层分离,直到只剩下一层。 该过程被称为机械剥离, 所得到的石墨单层(称为石墨烯)仅为1个原子厚度,是制备得到的能在各种环境中(温度,空气等)稳定存在的最薄的材料。 石墨烯只有1个原子厚度,所以可以用其他化合物插入石墨烯层(例如一层石墨烯,一层另一种化合物,再加另一层石墨烯,如此重复)制造其他材料,有效利用石墨烯作为设计其他材料的原子支架。 而这些新制造的化合物结构也可能是顶级材料,就像石墨烯一样,具有多种潜在应用。

二维材料

在石墨烯的开发及其特殊性质被发现后,不出意外,人们对其他二维材料的兴趣大幅增加。 其他此类二维材料(如氮化硼、二硒化铌和硫化钽)可与其他二维晶体结合使用,几乎具有无限的应用前景。 如果拿被称为相对高效超导体的化合物二硼化镁(MgB2)作为例子来说,在其间隔的硼和镁原子层间引入石墨烯层,可大大提高其作为超导体的效率。 或者,另外一个例子在制造NAND闪速存储器时将可作为半导体的矿物辉钼矿(MoS2)与石墨烯层(石墨烯作为优异的电导体)相结合,可以开发比现有技术更小、更灵活的闪速存储器(根据瑞士洛桑联邦理工大学研究团队报导)。

石墨烯的唯一问题是,高质量的石墨烯是一个没有带隙(无法关闭)的导体。 因此,为了在未来使用石墨烯制造纳米电子器件时,需要对其进行工程设计,将其电子迁移率降低到当前应变硅膜的电子迁移率水平。 而同时需要进行大量研究和开发,以便在电气系统中使用石墨烯来替代硅。 最近有一些研究团队已经证明,这不仅仅是可能的,而且有很大可能性。我们能够预期在数月而非数年内,在基本水平上该目标可以达成。

这两个例子只是石墨烯研究领域的冰山一角。石墨烯的材料将应用于多种学科,包括但不仅限于:生物工程、复合材料、能源技术和纳米技术等。

应用

生物工程

虽然目前仍有许多障碍和困难需要克服,但未来石墨烯必定会在生物工程领域占据重要地位;。 估计表明,直到2030年即我们开始看到石墨烯广泛应用于生物应用之前,我们仍然需要了解其生物相容性,必须进行各种安全性、临床和监管试验,简而言之将会经过很长时间。 然而,石墨烯显示的优异特性表明它会通过多种方式革新这一领域。 由于其具有较大的表面积、高导电性、薄度和强度,因此石墨烯能够用于开发快速有效的生物电感应装置,监测血糖水平、血红蛋白水平、 DNA测序等等。 最终,我们甚至可以看到能够用作抗生素,甚至抗癌治疗的工程化设计的“有毒”石墨烯。 此外,由于其分子组成和潜在的生物相容性,也可用于组织再生过程。

光电子学

一个即将开始在商业规模上使用石墨烯的特定领域是光电子学,尤其是触摸屏、液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)等。 对于一种在光电应用中使用的材料,它必须能够透射超过90%的光,具有低电阻,并提供超过1×106Ω1m1的导电性能。 石墨烯是一种几乎完全光透明的材料,光学透射率高达97.7%。 正如我们之前提到的,它还具有高导电性。所以石墨烯将非常适合光电子应用,如智能手机、平板电脑的LCD触摸屏以及台式电脑和电视机屏幕。

目前使用最广泛的材料是氧化铟锡(ITO)。在过去几十年的时间内,ITO的制造和开发已经形成一种能够在该应用中表现完美的材料。 然而最近的测试表明,即使在当前(相对开发不充分)的状态下,石墨烯也拥有可匹敌ITO的性能。 此外,最近研究表明通过调节费米能级可以改变石墨烯的光吸收。 虽然相比ITO似乎不是很大的改进,但石墨烯显示出的额外特性,表明用石墨烯代替ITO可以实现光电子学中其他非常先进的技术。 高品质石墨烯具有非常高的拉伸强度,并且具有弹性(弯曲半径小于可卷绕电子纸所需的5-10毫米),这使得它将几乎不可避免地很快用于上述应用中。

在潜在的现实电子产品方面,我们最终有望看到像石墨烯电子纸这样能够显示交互式和可更新信息的设备,以及包括便携式计算机和电视机在内的可弯曲电子设备。

“石墨烯是一种可在多种学科中使用的材料,包括但不仅限于:生物工程、复合材料、能源技术和纳米技术。”

超滤

石墨烯的另一个卓越的特性是,尽管水可以流过它,但液体和气体几乎完全不能渗透(即使是相对较小的氦分子)。 这意味着石墨烯可以用作超滤介质,充当两种物质之间的屏障。 使用石墨烯的好处是,它仅有1个单原子厚度,还可以用来电子测量2种物质间的应力和压力(以及许多其他变量)。 哥伦比亚大学的一个研究小组已设法制造出孔径小至5纳米的单层石墨烯过滤器(目前,先进的纳米多孔膜具有30-40纳米的孔径)。 虽然这些孔径极其微小,但石墨烯很薄,因此超滤期间的压力仍会降低。 一般而言,石墨烯比氧化铝(目前用于100纳米以下的过滤应用)坚固得多而且不那么脆。 这意味着什么? 这可能意味着石墨烯可被用于开发滤水系统、海水淡化系统以及高效和经济上更可行的生物燃料制造。

复合材料

石墨烯坚固、坚硬而且很轻。 目前,航空航天工程师正在将碳纤维纳入飞机的生产,因为它也非常坚固和轻便。 然而,石墨烯更坚固,同时也更轻。 最终,预计石墨烯将被用来(可能整合在诸如环氧树脂之类的塑料中)制造一种可代替飞机钢体结构的材料,从而提高飞机燃料效率、航程并减轻重量。 由于其导电性,它甚至可以用作涂覆飞机的表面材料,以预防雷击造成的电气损坏。 在此例中,同样的石墨烯涂层也可用于测量应变,通知驾驶员飞机机翼应力水平的变化。 这些特点还有助于开发高机械强度要求的应用,例如军事人员和车辆的装甲。

光伏电池

石墨烯具有非常低的光吸收率(大约2.7%的白光),同时还具有高电子迁移率,这意味着石墨烯可以用作光伏电池制造中硅或ITO的替代品。 目前光伏电池的广泛生产仍然使用硅电池,成本较高,而基于石墨烯的电池成本可能远低于硅电池。 当诸如硅等材料将光转换成电时,每个产生一个电子需要激发一个光子,这意味着大量的势能会随着热量的流失而消失。 最近发表的研究证明,当石墨烯吸收一个光子时,它实际上会产生多个电子。 此外,硅仅能够从某些光波段发电,但是石墨烯能够在所有波长上工作,这意味着石墨烯具有与硅、ITO或砷化镓(也被广泛使用)相同甚至更高的效率。 而可弯曲和细薄意味着基于石墨烯的光伏电池可用于服装生产;可帮助手机充电,甚至可以用作翻新的光伏纱窗或窗帘为家庭供电。

储能

目前正在大量研究的另一领域是能量储存。 在过去的几十年中,所有电子产品领域均以非常快的速度进步(参考摩尔定律,其中指出,电子电路中使用的晶体管数量将每2年翻一番)。而非使用状态下,电池和电容器的能量储存问题始终存在。 此类储能问题的解决方案的发展速度要慢得多。 主要问题在于:电池可以存储大量的能量,但是充电需要很长时间,而另一方面,电容器可以快速充电,但却不能存储太多的能量(相对而言) 。 该问题的解决方案在于开发能量存储组件,例如超级电容器或电池,兼顾两者而不会相互牺牲。

目前,科学家正在致力于提高锂离子电池的能力(通过加入石墨烯作为阳极),以提供更高的存储容量、更长的寿命和更快的充电速率。 此外,科学家正在研究和开发用于制造超级电容器的石墨烯。这类超级电容器能够非常快速地充电,而且还能存储大量的电力。 同时,还在开发基于石墨烯的微型超级电容器用于低能量应用,例如智能电话和便携式计算设备,并且可能在未来5 - 10年内能够实现商业化供应。 石墨烯增强型锂离子电池可用于更高能量的应用中,例如电动车辆,或者目前作为智能手机、笔记本电脑和平板电脑中的锂离子电池使用。


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