當前位置: 華文世界 > 科學

石墨烯時代即將來臨?超級材料「突圍戰」開啟,中國已搶占先機

2024-06-29科學

導語

一種新型材料「石墨烯」被發現,它的強度高達200倍,比鋼還要結實,而且它的導熱性是銅的1000倍。

因此,石墨烯很快便得到了許多科研人員的喜愛,以及資金的支持。

但是,自石墨烯誕生起,已經過去了數十年,卻並沒有在我們的生活中出現。

直到最近,石墨烯的出現讓人們看到了希望。

自從上世紀60年代一種叫「碳納米管」的材料被發現之後,這種材料和石墨烯一樣,都被稱為「超級材料」,它們有著出色的效能,可以用於替代許多材料。

但是,這兩種材料之間卻又存在著一些差距。

那麽,石墨烯和碳納米管之間的關系到底又是怎樣的?

在這個「突圍戰」中,誰還是最有可能打破石墨烯的局呢?

碳納米管的誕生。

20 世紀60 年代,一名叫做「喬治·斯特朗」的科學家,在進行石墨研究時,利用電子顯微鏡觀察一段切割下來的石墨管,但是發現在石墨管的周圍,還有著一層層的碳原子。

「喬治·斯特朗」便將這個發現進行了記錄,並組成了一個名為「碳納米管」的名稱。

1965年,日本大阪大學的「水島文男」教授, 向其學生講述了碳納米管的相關研究內容,隨後,一位學生「松浦大洋」表示想要給這些碳原子分子起一個昵稱,於是,他便將這個昵稱命名為「烯」。

烯也就是石墨的一種變形,而石墨烯則是石墨的單層碳原子,同時,石墨也只是由石墨烯堆疊而成的。

隨後,美國柏克利實驗室的「喬治·斯特朗」教授,對碳納米管的性質以及以單層碳原子堆積而成的石墨進行了深入的研究,並在 80 年代成功將石墨烯從石墨中進行了剝離。

由於這種碳納米管以及從石墨中進行剝離的石墨烯碳原子都具有優秀的效能,因此,被眾多科研人員稱為「超級材料」。

2004 年,安德烈·蓋姆,以及科斯托舊諾沃斯教授,對石墨進行剝離,並首次制備出石墨烯薄膜,並且發現石墨烯的導熱性,遠高於銅。

這樣的成果讓他們兩人贏得了2006年諾貝爾物理學獎。

石墨烯能夠改變世界。

石墨烯被發現以來,就被認為是一種能夠改變世界的材料。

盡管石墨烯的發明人,卻一直都沒有停止過對石墨烯的研究,加之石墨烯在諾貝爾獎,以及許多國際大獎的嘉獎下,石墨烯的研究資金更是一波接一波的湧入,可以說,石墨烯即將掀起一場「突圍戰」。

在石墨烯被發現後,很快便得到了全球範圍內的認可,認為石墨烯是一種能夠改變世界的材料。

因為石墨烯具有著極強的韌性,可以用於制作防彈衣、防爆窗,命中彈頭以及大型飛船的外殼。

石墨烯還擁有很高的導電性、導熱性,因此,它還很容易就能夠被套用到電子產品中,可以用於制造手機、電腦、平板的螢幕,同時還具有極強的機械效能。

石墨烯不僅可以用於制造電子產品,還可以用於制造鋼鐵、混凝土、磚墻,全球鋼鐵產量約為14億噸,因此,如果真的能夠用石墨烯制造鋼材的話,可以直接節省下全球14億噸的原料材料,而且更加堅固耐用。

同樣的,世界上塑膠的產量也是非常大的,它是一種很輕便的材料,可以用於制造各種容器以及包裝盒。

如果使用石墨烯代替塑膠,將會在一定程度上減輕地球上的塑膠垃圾汙染。

石墨烯的突圍戰。

石墨烯的出現,無疑給我們的生活帶來了巨大的改變,但是在石墨烯的走紅後,許多科研人員也發現了石墨烯存在的一些缺點。

石墨烯在實際套用中,通常是以石墨烯納米薄膜的形式進行套用的,但是這種納米薄膜是非常難以制造的,需要耗費大量的金錢以及人力。

因此,許多科研人員就開始尋找一種替代品,這就是石墨烯「突圍戰」的開啟。

在這場「突圍戰」中,有兩種材料是不容忽視的,一種就是最早被發現的碳納米管,另一種則是被發現的時候沒有多少人關註的「碳平台」。

可以說,這三種材料之間的關系,就是石墨烯「突圍戰」的「三國關系」。

自從 60 年代碳納米管被發現以來,碳納米管也遵照著石墨烯的發展軌跡,同時還擁有著石墨烯所沒有的好處,那就是納米管更容易進行制備。

在 1991 年,日本育英大學的一位教授,首次制備出多壁的碳納米管,多壁是一種碳納米管材料,它能夠將碳納米管對接在一起,形成一種管狀的材料,因此,多壁能夠更好的套用在一些材料上。

碳納米管是將碳原子的六元環進行卷曲而成的,因此,碳納米管就存在兩種類別,一種是單壁的碳納米管,它由一根碳原子組成,另一種就是多壁的碳原子管。

可以說,碳原子管的誕生,是石墨烯誕生以來,最大的對手。

而多壁碳納米管的強度與碳納米管相似,但是卻比碳納米管更加韌性,因此,受到很多科研人員的喜愛,並且也獲得了大量的研究資金,用於對多壁碳納米管的研究。

可以說,碳納米管以及多壁碳納米管這兩種材料,和石墨烯之間的關系,就像是一個蓋過一個一樣。

而被譽為「碳之後的材料」,則是在 2015 年才被科研人員發現的一種材料「G Tene」,它是一種類似於石墨烯的碳原子薄膜,但是卻擁有著石墨烯沒有的好處。

G Tene 比石墨烯更加容易制備,因此,在 G Tene 被發現之後,很快就得到了科研人員的關註,並且被寄予了厚望。

那麽,G Tene 能否打破石墨烯的局呢?

結語

盡管 G Tene 材料擁有著石墨烯沒有的優勢,但是H Tene 也存在著著不是完全能夠取代石墨烯的不足。

因此,在這場「突圍戰」中,誰最終石墨烯的對手,還需要時間進行論證。

但是,值得高興的是,石墨烯在中國的研究方面,那就是張掖的一所高校也是當地的數十個當地企業,以及市政府,聯合進行資金支持,開展對石墨烯的研究。

可以說,中國在石墨烯的研究方面,已經走在了全球的前列。