浙江大學利用石墨烯製成的“碳海綿”很輕,很容易被玻璃棒上的靜電吸附。 龍 巍攝
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不久前,清華大學的研究團隊發佈了一項“智能石墨烯人工喉”的發明,利用多孔石墨烯材料的優勢,製造出一種收發同體、適合穿戴的集成聲學器件,有望在未來解決聾啞人的“說話”難題。
在國際上,英國劍橋大學等機構的研究人員則報告說,他們找到一種新方法來“喚醒”石墨烯的超導性,“被喚醒”後的石墨烯能夠用於製造超級計算機等。
石墨烯,堪稱當前最熱的全新材料。在航空領域,人們用“難得的元素”形容輕得像空氣、堅硬得像鋼鐵的性能完美的材料。此前,鈦合金算是最接近這一品質的理想之選,而“後起之秀”石墨烯則被認為向人類夢想的“難得的元素”更近了一步。
什麼是石墨烯
目前世界上最薄最輕最強的材料,硬度比最強的鋼鐵還要強100倍
和金剛石一樣,石墨是碳元素的一種存在形式。不同的是,由於原子結構不同,金剛石是地球上最堅硬的東西,石墨則是最軟的礦物之一,常做成石墨棒和鉛筆芯。石墨烯就是從石墨材料中剝離出來的,只由一層碳原子在平面上構成。
可以說,石墨烯的特點之一就是薄,堪稱目前世界上最薄的材料,只有一個原子那麼厚,約0.3納米,是一張A4紙厚度的十萬分之一,頭髮絲的五十萬分之一。同時,它又能導電,電子在石墨烯中的運動速度達1000千米/秒,是光速的1/300。輕薄、強韌、導電、導熱……石墨烯這些特性賦予人們很多想象空間。
中國電科55所微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室副主任孔月嬋博士介紹說,石墨烯的硬度非常強,比現在最強的鋼鐵還要強100倍；石墨烯的電子運行速度也非常高,是硅的10倍,非常適合發展下一代超高頻電子器件。此外,石墨烯還是傳導熱量的高手,比最能導熱的金屬銀還要強10倍。
石墨烯的特性,也表現得很“好玩”。比如當一滴水在石墨烯表面滾動時,石墨烯能敏銳地“覺察”到細微的運動,併產生持續的電流。這種特性給科學家們提供了一種新思路來從水的流動中獲取電能。
“石墨烯可以對單個電子進行感應,帶電粒子在石墨烯表面的移動可引起石墨烯內電子的快速移動,實現傳感和發電過程。”浙江大學信息電子工程學院副教授林時勝介紹說,石墨烯的這一特性在能源與電子傳感方面可以有很多應用,比如在雨天可以用塗有石墨烯的雨傘來進行發電,或者可以做成靈敏的傳感器件等。
正是這些全面的性能,讓石墨烯受到了前所未有的關注,一些人甚至開始預言,石墨烯的出現將引領一場由材料進步而引發的工業革命。
怎樣獲取石墨烯
世界上第一次得到單層石墨烯,是靠透明膠“粘”出來的
人們第一次獲取到石墨烯,用的是“簡單粗暴”的辦法。
石墨烯本身存在於自然界。石墨烯是一層碳原子形成的薄片,原子之間形成一個六角形的環,環環相連形成蜂窩狀的平面。它一層層疊起來就是石墨,厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡就可能是幾層到幾十層石墨烯。此前,碳的這種二維結構形式一直存在於人們的猜想中,只是難以剝離出單層結構。關鍵的難題,就是怎樣讓石墨分層到極薄的薄片。
許多人在學生時代也都有這樣的經歷,當在紙上寫錯字的時候,就會用透明膠帶,把錯字粘掉。但誰也沒有想到,就是這樣一個簡單的方法,讓人們發現了神祕的石墨烯。
製造石墨烯,簡單說就是要把石墨變薄,不能靠切,不能靠磨,而要靠粘。2004年,英國曼徹斯特大學的海姆和諾沃肖洛夫,用透明膠將一塊石墨片反覆粘貼與撕開,石墨片的厚度逐漸減小,最終形成了厚度只有0.335納米的石墨烯,也就是隻有一個原子厚度的石墨烯。這是世界上第一次得到單層的石墨烯,兩位科學家因此獲得了2010年度諾貝爾物理學獎。
中國電科55所微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室高級工程師吳雲博士給記者做了演示。他把一小片石墨片粘在膠帶上面,然後對它進行交疊的撕拉。粘了半個小時後,膠帶上面已經佈滿了灰色的石墨,然後再用膠帶把這些石墨轉移到了一塊乾淨的硅片上。
吳雲說,這時候看到的都不是石墨烯,因為石墨烯不僅非常薄,而且透光度達到97%以上,幾乎完全透明,人的肉眼是根本看不到的,要找到它,還得通過專用技術手段。但這已經是多層的石墨片,再通過技術手段定位並確定層數,最終才能找到製作出的單層石墨烯。
專家說,這只是最初生產石墨烯的方法。膠帶紙粘貼法演化而來的機械剝離法,只是實驗室製備石墨烯的一種方法。目前,隨著技術進步,高質量的石墨烯可以被更多地生產出來。
石墨烯將帶來什麼
應用石墨烯材料,手機屏幕可以輕易彎曲甚至摺疊
石墨烯的出現,有望給我們的生活帶來驚喜。手機充電可以“秒充”,手機屏幕可以輕易彎曲甚至摺疊,汽車可以使用石墨烯導靜電輪胎,避免摩擦起電發生爆燃……從航空航天、電子信息到節能環保,利用石墨烯的特性,很多領域很可能都會發生巨大的變化。
用石墨烯替代硅,可以提高電子芯片的性能。科研人員目前正把石墨烯的生產和應用引入半導體行業,石墨烯引發的技術革命很可能從我們常見的小小芯片開始。
電子芯片的基礎材料是硅。然而,隨著芯片上元器件越來越密集,最高端的芯片上,兩個元器件之間的距離已經不到10個納米,幾乎到達硅材料的極限。想要繼續提高性能,該怎麼辦?科研人員開始嘗試用石墨烯部分代替硅的作用。
“由石墨烯製作的器件,理論上頻率可以達到硅的十倍甚至上百倍,可以在雷達上應用,大幅提高雷達的分辨率。而且在通訊、成像上都有比較廣泛的應用。”孔月嬋介紹說,而且,當前石墨烯的研發生產設備和普通半導體器材生產設備一樣,現有的技術開發都可以基於成熟的設備和工藝,為後續的工程化研製奠定了基礎。
科研人員還在做另一件大事。他們讓石墨烯附著在厚度只有50納米的金箔上,然後用一套新的辦法,把石墨烯完整地轉移到柔軟的塑料片上。
孔月嬋說,石墨烯可以通過靈活的方法轉移到任意科研人員希望的襯底上,比如電子器件上專用的一個塑料襯底,它具備柔性,也適合晶體管的製備過程。通過特別的石墨烯轉移技術,將帶有石墨烯的金箔附著在了塑料片上,以之為基礎在這塊塑料片上製備出具有一定功能的電子器件。最關鍵的是,這樣的電子器件可以輕鬆彎曲。未來無論是可以摺疊的顯示屏幕,還是能夠植入人體的可穿戴設備,都可能靠這樣的石墨烯器件來實現。
石墨烯另一個被寄予厚望的應用領域是電能的儲存。在天津電源研究所,這裡的科研人員正在開展最先進電容器的研究。電容器與電池一樣,都能用來儲存電能。它的優勢在於充電速度快,幾分鐘就能充滿,而且可以重複使用幾萬次。但它存儲的電量不如電池多,還無法通過存儲足夠多的電能在生活裡派上大用場。
“這是我們已經做好的改性石墨烯配成的漿料,下一步我們就把這些漿料通過塗布機塗到鋁箔上,成為我們石墨烯電容器所用的正極。”中國電科18所化學與物理電源技術國防科技重點實驗室常務副主任丁飛博士說,電容材料對電容器的性能有著至關重要的影響。通過對石墨烯材料進一步改性研究,科研人員正在讓電容器的儲電能力一步一步向電池靠攏,而同時它擁有的超快充電速度,能夠為人們的生活帶來更多的便利。“我們正在做的改性石墨烯電容器,可以幾分鐘充滿,其能量密度有望在一段時間之後,接近現有鋰電池的能量密度。”
能量密度是指在一定空間或質量的物質中儲存能量的大小,能量密度越高,就表示這種物質的儲電能力越強。據丁飛介紹,目前他們所研製的改性石墨烯電容器的樣品,能量密度已達到傳統電容器的3倍以上。雖然還處於實驗室研究階段,但是石墨烯材料的強大能力讓研發團隊看到改性石墨烯電容器應用的廣闊前景。
未來,當充電設施越來越完善時,電動汽車使用石墨烯電池,可能花兩三分鐘就可以把電充滿。
中國電科55所所長、微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室主任高濤認為,即使在實驗室條件下,石墨烯的神奇性能依然沒有完全釋放出來。同時,技術層面還存在著不少挑戰,真正大面積應用還有很長的路要走。但通過加強需求和研究的結合,不斷在石墨烯材料的製備和器件研製方面取得重要突破,石墨烯這種新一代戰略性新興材料將會極大改變人們的生活。
《 人民日報 》( 2017年03月27日 20 版)