什麼是石墨烯

一種新材料有可能改變未來。被稱為“超級材料”的石墨烯讓世界各地的研究人員爭先恐後地更好地理解它。該材料的一長串最高級特質使它看起來幾乎是神奇的，但它可能對物理和工程的未來產生非常真實和激烈的影響。

什麼是石墨烯？

描述石墨烯的最簡單方法是它是一層薄薄的石墨 - 鉛筆芯中使用的柔軟片狀材料。石墨是元素碳的同素異形體，意味著它具有相同的原子，但它們以不同的方式排列，賦予材料不同的性質。例如，鑽石和石墨都是碳的形式，但它們具有截然不同的性質。鑽石非常堅固，而石墨則很脆。石墨烯的原子排列成六邊形排列。

有趣的是，當石墨烯與石墨分離時，它具有一些神奇的特性。它只有一個原子厚度，是迄今發現的第一個二維材料。儘管如此，石墨烯也是已知宇宙中最強的材料之一。拉伸強度為130 GPa（gigapascals），比鋼強100多倍。

儘管如此薄，但石墨烯的強度令人難以置信，已經足以令人驚歎，但其獨特的性能並不止於此。它還具有柔韌性，透明性，高導電性，並且對大多數氣體和液體來說似乎是不可滲透的。幾乎看起來似乎沒有石墨烯不優於的區域。

石墨烯的應用

太陽能電池/光伏發電

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石墨烯具有高導電性和透明性。因此，它作為太陽能電池中的材料具有很大的潛力。通常，太陽能電池使用硅，當光子撞擊材料時會產生電荷，從而使自由電子鬆動。硅每個光子只能釋放一個電子。研究表明，石墨烯可以為每個撞擊它的光子釋放多個電子。因此，石墨烯在轉換太陽能方面可能要好得多，預計效率為60％，而目前的硅電池能夠提供大約25％的效率。

半導體

由於其高導電性，石墨烯可用於半導體中以大大提高信息傳播的速度。最近，能源部進行的測試表明，當半導體聚合物放置在石墨烯層上而不是硅層時，導電性能要快得多。即使聚合物較厚，這也適用。當放置在石墨烯層頂部時，50納米厚的聚合物比10納米的聚合物層更好地進行電荷。面對先前的智慧，這種觀點認為聚合物越薄，它就能越好地傳導電荷。

水過濾

石墨烯的緊密原子鍵使其幾乎對所有氣體和液體都不可滲透。奇怪的是，水分子是一個例外。因為水可以通過石墨烯蒸發，而大多數其他氣體和液體不能，石墨烯可能是過濾的特殊工具。曼徹斯特大學的研究人員用酒精測試了石墨烯的滲透性，並且能夠提取非常強烈的烈酒樣品，因為只有樣品中的水能夠通過石墨烯。

由於人口過剩仍然是世界上最緊迫的環境問題之一，保持清潔水供應只會變得更加重要。事實上，水資源短缺困擾著全球超過10億人口，這一數字只會在目前的趨勢下繼續上升。石墨烯過濾器具有改善水淨化的巨大潛力，增加了可用的淡水量。事實上，洛克希德·馬丁公司最近開發了一種名為“Perforene”的石墨烯過濾器，該公司稱其可以徹底改變海水淡化過程。

石墨烯研究的未來

鑑於石墨烯看似無窮無盡的優勢，人們可以期待在任何地方看到它。那麼，為什麼沒有廣泛採用石墨烯呢？與大多數事情一樣，它歸結為金錢。石墨烯的大量生產仍然非常昂貴，限制了它在任何需要大規模生產的產品中的使用。此外，當生產大片石墨烯時，材料中出現微小裂縫和其他瑕疵的風險增加。無論科學發現多麼令人難以置信，經濟學總是會決定成功。

拋開生產問題，石墨烯研究絕不會放緩。世界各地的研究實驗室 - 包括首次發現石墨烯的曼徹斯特大學 - 正在不斷申請創造和使用石墨烯的新方法的專利。歐盟於2013年批准為一項旗艦計劃提供資金，該計劃將資助用於電子產品的石墨烯研究。也許更重要的是，亞洲許多主要的科技公司正在對包括三星在內的石墨烯進行研究。由於歐盟試圖在亞洲爆炸性經濟增長的情況下穩步站穩腳跟，石墨烯可能成為未來幾年國際政治中的重要戰場。同樣，帝國經常根據他們對資源的控制而起伏不定。

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儘管目前存在侷限性，但研究人員正在嘗試各種石墨烯用途，從燈泡到防彈衣。

革命不會在一夜之間發生。硅是在19世紀中葉發現的，但是近半個世紀以來，硅半導體為計算機的興起鋪平了道路。石墨烯可能具有幾乎神話般的品質，是推動人類歷史下一個時代的資源嗎？只有時間會給出答案。