石墨烯的发现、性能和用途

2017-11-29 13:27:15 admin 131

石墨的孪生兄弟——钻石

提起钻石,人们就会联想到它那璀璨夺目、光芒四射的形象。钻石是金刚石经过揣摩之后的称谓。天然的金刚石是稀有资源,所以价格昂贵,大多数人只能对它望而生畏。尽管如此,人们对钻石仍是十分艳羡。正由于可做"钻石"用的天然金刚石十分稀有,人们才想到用人工金刚石来代替它,这样自然而然地就想到了金刚石的孪生兄弟—石墨。

金刚石和石墨的化学成分都是碳(C),称"同素异形体’。它们具有相同的"质",但"形"或"性"却有大相径庭—金刚石是现在国际上最硬的物质,而石墨却是最软的物质之一。尽管石墨和金刚石的硬度不同如此之大,但人们仍是期望能用人工组成的方法来获取金刚石,由于自然界中石墨(碳的)藏量十分丰厚。可是,要使石墨中的碳变成金刚石那样摆放的碳实非易事。石墨在5-6万大气压((5-6) x 103MPa〕及摄氏1000-2000度高温下,再用金属铁、钻、镍等做催化剂,可使石墨转变成金刚石。现在国际上已有十几个国家(包含我国)可以组成人工金刚石。但这种金刚石由于颗粒很细,主要用途是做磨料,用于切削物质,以及制造地质钻探和石油钻机运用的钻头。当时,在国际金刚石的消费构成中,80%的人工金刚石用于工业出产,其产值现已远远超越天然金刚石的产值。开端组成的金刚石颗粒呈黑色,0.5毫米巨细,重约0.1克拉(用于宝石的金刚石一般最小不能小于0.1克拉)。现在,我国研发的大颗粒金刚石达3毫米以上,美国、日本等已制成6.1克拉多的金刚石。之所以说金刚石已从石墨中"飞"出,是由于宝石级的人工金刚石在不久的将来,就可供给市场。

石墨烯的呈现

石墨烯呈现在实验室中是在2004年,由英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特·诺沃塞洛夫(两人因而取得2010年诺贝尔物理学奖)发现,他们能用一种十分简略的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的双面粘在一种特殊的胶带上,扯开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,所以薄片越来越薄,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。实际上,石墨烯是一种从石墨材猜中剥离出的单层碳原子面材料即碳的二维结构。人们常见的石墨,由一层层蜂窝状有序摆放的平面碳原子堆叠而成。石墨的层问作用力较弱,很简单相互剥离,构成薄薄的石墨片,当把石墨片剥成单层之后,这种只要一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。研究人员发现,在石墨烯样品微粒开端碎裂前,它们每100纳米间隔上可接受的最大压力竟然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算,这一成果相当于要施加55牛顿的压力才干使1米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于一般食物塑料包装袋的《厚度约100纳米)石墨烯,那么需求施加差不多两万牛顿的压力才干将其扯断。换句话说,如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能接受大约两吨重的物品。所以说,迄今为止,石墨烯是国际上现已发现的最薄和最坚固的物质。

石墨烯的呈现在科学界激起了巨大的波涛。人们发现,石墨烯具有非同小可的导电功能,具有超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性.它的呈现,有望在现代电子科技领域引发一轮革新。在石墨烯中,电子可以极为高效地搬迁,而传统的半导体和导体,例如铜和硅远不如石墨烯表现得好。由于电子和原子的磕碰,传统的半导体和导体用热的方法释放了一些能量,现在一般的电脑芯片以这种方法浪费了70-80%的电能;而石墨烯则不同,它的电子能量不会被损耗。

石墨烯是一种可能推翻人类日子的产品,应用领域广泛。美国普林斯顿大学的研究人员指出,若是选用石墨烯(graphene)电极,锂电池的充电时刻将能从2小时缩短到只要10分钟。现在,科学家制备石墨烯的新方法层出不穷,石墨烯广泛应用于工业化出产的日子指日可下。但由于将这种产品出产出来并不简单,因而其市场价格奇高:一克石墨烯可卖到5000元,是黄金价格的十几倍。号称国内首家从事石墨烯出产的厦门凯纳石墨技术有限公司,年产值仅为20-30克。

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