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未来石墨烯还能给我们带来哪些惊喜?

时间:2023-09-24 13:01:32 点击:313次

不久前,复旦大学研究团队发布了“智能石墨烯人工喉咙”的发明。 利用微孔石墨烯材料的优势,打造出既是收发器又是接收器且适合佩戴的集成声学组件。 有望在未来解决残疾问题。 人们的“说话”问题。

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国际上,美国剑桥学院等机构的研究人员报告称,他们找到了“唤醒”石墨烯超导性的新方法。 “觉醒”的石墨烯还可以用来建造超级计算机。

石墨烯是目前最热门的新材料。 在民航领域,人们用“稀有元素”来形容性能完美的材料,轻如空气,坚硬如钢。 此前,钛合金被认为是最接近这一品质的理想选择,而“后起之秀”石墨烯则被认为距离人类梦想的“稀有元素”更近了一步。

什么是石墨烯

世界上最薄、最轻、最强的材料,比最强的钢强100倍

与金刚石一样,石墨是碳的一种形式。 不同之处在于,由于原子结构不同,钻石是月球上最硬的东西,而石墨是最软的矿物质之一,常被制成石墨棒和笔芯。 石墨烯是从石墨材料上剥离下来的,仅由平坦表面上的一层碳原子组成。

可以说,石墨烯的特点之一就是薄。 它是目前世界上最薄的材料。 它只有一个原子厚,大约0.3纳米,是A4纸长度的十万分之一,是人类头发长度的五十万倍。 一部分。 同时,它还能导电。 石墨烯中电子的运动速度达到每秒1000公里,是光速的1/300。 薄、强、导电、导热……石墨烯的特性给了人们很大的想象空间。

中国电子技术第55研究所微波毫米波单片集成与模块化电路重点实验室副院长孔跃婵博士表示,石墨烯的强度非常强,比当今最强的钢材强100倍; 石墨烯的电子运行速度也非常高。 高,是硅的10倍,特别适合开发下一代超高频电子元件。 据悉,石墨烯也是导热的前身,比最导热的金属银强10倍。

石墨烯的特性也很“好玩”。 例如,当一滴水在石墨烯表面滚动时,石墨烯可以敏锐地察觉到这种细微的运动,并形成连续的电压。 这些特性为科学家提供了从水流中获取电能的新思路。

“石墨烯可以感知单个电子,石墨烯表面带电粒子的连接可以导致石墨烯中电子的快速连接,实现传感器和发电过程。” 浙江大学信息与电子工程学院副院长林世胜表示,石墨烯的这一特性可以在能源和电子传感器方面有很多应用。 例如,下雨时,涂有石墨烯的遮阳伞可以用来发电,或者可以将它们制成敏感的传感器元件。

正是这种综合性能,让石墨烯受到了前所未有的关注。 甚至有人开始预言,石墨烯的出现将推动物质进步引发的一场工业革命。

如何获得石墨烯

全球首次获得双层石墨烯,用透明胶水“粘合”而成。

人们第一次获得石墨烯时,采用的是“简单粗暴”的方法。

石墨烯本身存在于自然界中。 石墨烯是由碳原子制成的薄片。 原子之间形成圆环,环连接形成蜂窝状平面。 逐层堆叠形成石墨。 1毫米厚的石墨含有约300万层石墨烯。 当笔在纸上轻轻飞过时,留下的痕迹可能是几层到几十层石墨烯。 此前,碳的这些二维结构仍然存在于人们的猜测中,但双层结构无法剥离。 关键的难题是如何将石墨分层成极薄的薄片。

很多人在中学生的时候也有过这样的经历。 当他们在纸上写错字时,他们会用透明胶水把它们粘掉。 但谁也没想到,就是这么简单的方法,人们发现了神秘的石墨烯。

制造石墨烯,简单来说,就是把石墨变薄,不是通过切割或研磨,而是通过粘贴。 2004年,美国伯明翰学院的海姆和诺沃肖洛夫用透明胶水反复粘贴和提起一块石墨片。 石墨片的长度逐渐减小,最终生产出长度仅为0.335纳米的石墨烯,其长度仅为0.335纳米。 石墨烯的一个原子长度。 这是世界上首次获得双层石墨烯,两位科学家因此获得2010年诺贝尔化学奖。

中国电子科技第55研究所微波毫米波单片集成与模块电路重点实验室中级工程师吴云博士向记者进行了演示。 他将一小块石墨粘在胶水中,然后将其重叠并剥离。 粘贴半个小时后,胶水已经布满了红色石墨。 然后使用胶水将石墨转移到干净的晶片上。

吴云表示,他此时看到的并不是石墨烯。 由于石墨烯极薄,透光率超过97%,几乎完全透明,肉眼无法看到。 要找,还是很难找到。 必须通过特殊的技术手段来完成。 但这已经是多层石墨片了,然后通过技术手段定位并确定层数,最终就能找到生产出来的双层石墨烯。

专家表示,这就是石墨烯最初的生产方式。 由胶纸粘贴法演变而来的机械剥离法只是实验室制备石墨烯的一种方法。 目前,随着技术的进步,高质量的石墨烯可以大量生产。

石墨烯会带来什么?

使用石墨烯材料,手机屏幕可以轻松弯曲甚至折叠。

石墨烯的出现有望给我们的生活带来惊喜。 手机可以秒充,手机屏幕可以轻松弯曲甚至折叠,车辆可以利用石墨烯在轮胎中传导静电,防止摩擦爆炸……从民航航天、电子信息到节能减排环保方面,借助石墨烯的特性,很多领域都有可能发生巨大的变化。

用石墨烯代替硅可以提高电子芯片的性能。 目前科研人员正在将石墨烯的生产和应用引入半导体行业。 石墨烯引发的技术革命很可能从我们常见的小芯片开始。

电子芯片的基本材料是硅。 然而,随着芯片上的元件越来越密集,最高端芯片上两个元件之间的距离早已小于10纳米,几乎达到了硅材料的极限。 如果我们想继续提升业绩,该怎么办? 研究人员已经开始尝试用石墨烯部分替代硅。

“石墨烯制成的组件理论上可以达到硅频率的十倍甚至数百倍。它们可以用于雷达中,大大提高雷达的帧率。它们还广泛应用于通信和成像领域。” 孔跃婵表示,不过,目前的石墨烯研发生产设备与普通半导体设备生产设备是一样的。 现有技术开发可以基于成熟的设备和工艺,为后续工程研发奠定基础。

研究人员还在研究另一件大事。 他们将石墨烯附着在长度仅为50纳米的金箔上,然后使用一种新方法将石墨烯完全转移到厚塑料片上。

孔跃婵表示,石墨烯可以以灵活的方式转移到研究人员想要的任何基材上,例如专用于电子元件的塑料基材。 它灵活,适合晶体管的制备工艺。 通过非凡的石墨烯转移技术,将带有石墨烯的金箔附着在塑料片上,并以此为基础,在这种塑料片上制备出具有一定功能的电子元件。 至关重要的是,此类电子元件可以轻松弯曲。 未来,无论是可折叠显示屏,还是可以植入人体的可穿戴设备,都有可能依赖这样的石墨烯组件。

石墨烯被寄予厚望的另一个应用领域是电能存储。 在北京电源研究所,研究人员正在对最先进的电容器进行研究。 电容器与电池一样,可用于存储电能。 其优点是充电速度快,只需几分钟即可充满电,并且可重复使用数万次。 然而,它储存的电量不如电池那么多,目前还无法储存足够的电能在日常生活中大有用处。

“这是我们已经准备好的由改性石墨烯制成的涂层。下一步,我们将通过涂胶器将这种涂层涂在铝镀层上,成为我们石墨烯电容器中使用的负极。” 中国电子技术第十八研究所物理化学电源技术国防科技重点实验室常务副主任丁飞博士表示,电容器材料对电容器的性能有着至关重要的影响。 通过对石墨烯材料的进一步改性研究,科研人员正在让电容器的蓄电能力一步步接近电池。 同时,其超快的充电速率也能为人们的生活带来更多便利。 “我们正在制作的改性石墨烯电容器可以在几分钟内饱和,其能量密度预计在一段时间内接近现有锂电池的能量密度。”

能量密度是指一定空间或物质质量中储存的能量数量。 能量密度越高,这些材料的蓄电能力越强。 据鼎飞介绍,他们研发的改性石墨烯电容器样品的能量密度已达到传统电容器的三倍以上。 事实上,目前还处于实验室研究阶段,石墨烯材料的强大能力让开发团队看到了改性石墨烯电容器应用的广阔前景。

未来,当充电设施越来越多时,使用石墨烯电池的电动汽车可能会在两到三分钟内充满电。

中国电子技术第五十五研究所所长、微波毫米波单片集成与模块化电路重点实验室主任高涛觉得,虽然在实验室条件下,石墨烯的神奇特性还没有完全释放出来。 同时,技术层面还存在诸多挑战,距离真正大规模应用还有很长的路要走。 但通过加大需求与研究的结合,石墨烯材料的制备和组件的开发已经取得了重要突破。 石墨烯作为新一代战略新兴材料,将极大改变人们的生活。