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石墨烯时代即将来临?超级材料「突围战」开启,中国已抢占先机

2024-06-29科学

导语

一种新型材料「石墨烯」被发现,它的强度高达200倍,比钢还要结实,而且它的导热性是铜的1000倍。

因此,石墨烯很快便得到了许多科研人员的喜爱,以及资金的支持。

但是,自石墨烯诞生起,已经过去了数十年,却并没有在我们的生活中出现。

直到最近,石墨烯的出现让人们看到了希望。

自从上世纪60年代一种叫「碳纳米管」的材料被发现之后,这种材料和石墨烯一样,都被称为「超级材料」,它们有着出色的性能,可以用于替代许多材料。

但是,这两种材料之间却又存在着一些差距。

那么,石墨烯和碳纳米管之间的关系到底又是怎样的?

在这个「突围战」中,谁还是最有可能打破石墨烯的局呢?

碳纳米管的诞生。

20 世纪60 年代,一名叫做「乔治·斯特朗」的科学家,在进行石墨研究时,利用电子显微镜观察一段切割下来的石墨管,但是发现在石墨管的周围,还有着一层层的碳原子。

「乔治·斯特朗」便将这个发现进行了记录,并组成了一个名为「碳纳米管」的名称。

1965年,日本大阪大学的「水島文男」教授, 向其学生讲述了碳纳米管的相关研究内容,随后,一位学生「松浦大洋」表示想要给这些碳原子分子起一个昵称,于是,他便将这个昵称命名为「烯」。

烯也就是石墨的一种变形,而石墨烯则是石墨的单层碳原子,同时,石墨也只是由石墨烯堆叠而成的。

随后,美国柏克利实验室的「乔治·斯特朗」教授,对碳纳米管的性质以及以单层碳原子堆积而成的石墨进行了深入的研究,并在 80 年代成功将石墨烯从石墨中进行了剥离。

由于这种碳纳米管以及从石墨中进行剥离的石墨烯碳原子都具有优秀的性能,因此,被众多科研人员称为「超级材料」。

2004 年,安德烈·盖姆,以及科斯托旧诺沃斯教授,对石墨进行剥离,并首次制备出石墨烯薄膜,并且发现石墨烯的导热性,远高于铜。

这样的成果让他们两人赢得了2006年诺贝尔物理学奖。

石墨烯能够改变世界。

石墨烯被发现以来,就被认为是一种能够改变世界的材料。

尽管石墨烯的发明人,却一直都没有停止过对石墨烯的研究,加之石墨烯在诺贝尔奖,以及许多国际大奖的嘉奖下,石墨烯的研究资金更是一波接一波的涌入,可以说,石墨烯即将掀起一场「突围战」。

在石墨烯被发现后,很快便得到了全球范围内的认可,认为石墨烯是一种能够改变世界的材料。

因为石墨烯具有着极强的韧性,可以用于制作防弹衣、防爆窗,命中弹头以及大型飞船的外壳。

石墨烯还拥有很高的导电性、导热性,因此,它还很容易就能够被应用到电子产品中,可以用于制造手机、电脑、平板的屏幕,同时还具有极强的机械性能。

石墨烯不仅可以用于制造电子产品,还可以用于制造钢铁、混凝土、砖墙,全球钢铁产量约为14亿吨,因此,如果真的能够用石墨烯制造钢材的话,可以直接节省下全球14亿吨的原料材料,而且更加坚固耐用。

同样的,世界上塑料的产量也是非常大的,它是一种很轻便的材料,可以用于制造各种容器以及包装盒。

如果使用石墨烯代替塑料,将会在一定程度上减轻地球上的塑料垃圾污染。

石墨烯的突围战。

石墨烯的出现,无疑给我们的生活带来了巨大的改变,但是在石墨烯的走红后,许多科研人员也发现了石墨烯存在的一些缺点。

石墨烯在实际应用中,通常是以石墨烯纳米薄膜的形式进行应用的,但是这种纳米薄膜是非常难以制造的,需要耗费大量的金钱以及人力。

因此,许多科研人员就开始寻找一种替代品,这就是石墨烯「突围战」的开启。

在这场「突围战」中,有两种材料是不容忽视的,一种就是最早被发现的碳纳米管,另一种则是被发现的时候没有多少人关注的「碳平台」。

可以说,这三种材料之间的关系,就是石墨烯「突围战」的「三国关系」。

自从 60 年代碳纳米管被发现以来,碳纳米管也遵照着石墨烯的发展轨迹,同时还拥有着石墨烯所没有的好处,那就是纳米管更容易进行制备。

在 1991 年,日本育英大学的一位教授,首次制备出多壁的碳纳米管,多壁是一种碳纳米管材料,它能够将碳纳米管对接在一起,形成一种管状的材料,因此,多壁能够更好的应用在一些材料上。

碳纳米管是将碳原子的六元环进行卷曲而成的,因此,碳纳米管就存在两种类型,一种是单壁的碳纳米管,它由一根碳原子组成,另一种就是多壁的碳原子管。

可以说,碳原子管的诞生,是石墨烯诞生以来,最大的对手。

而多壁碳纳米管的强度与碳纳米管相似,但是却比碳纳米管更加韧性,因此,受到很多科研人员的喜爱,并且也获得了大量的研究资金,用于对多壁碳纳米管的研究。

可以说,碳纳米管以及多壁碳纳米管这两种材料,和石墨烯之间的关系,就像是一个盖过一个一样。

而被誉为「碳之后的材料」,则是在 2015 年才被科研人员发现的一种材料「G Tene」,它是一种类似于石墨烯的碳原子薄膜,但是却拥有着石墨烯没有的好处。

G Tene 比石墨烯更加容易制备,因此,在 G Tene 被发现之后,很快就得到了科研人员的关注,并且被寄予了厚望。

那么,G Tene 能否打破石墨烯的局呢?

结语

尽管 G Tene 材料拥有着石墨烯没有的优势,但是H Tene 也存在着着不是完全能够取代石墨烯的不足。

因此,在这场「突围战」中,谁最终石墨烯的对手,还需要时间进行论证。

但是,值得高兴的是,石墨烯在我国的研究方面,那就是张掖的一所高校也是当地的数十个当地企业,以及市政府,联合进行资金支持,开展对石墨烯的研究。

可以说,我国在石墨烯的研究方面,已经走在了全球的前列。