颠覆性改变21世纪的新材料

颠覆性改变 21 世纪的新材料石墨烯的物理化学性质和应用前景石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原 子之间由0键连接，结合方式为sp2杂化，这些0键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100 倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成 键的 p 电子，这些 p 电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的 1/300，赋予了石墨烯良 好的导电性。石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的 ITO 薄 膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜.石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光；导热系数 高达5300W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/Vs，又比纳 米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6dcm,比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶 体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太 阳能电池。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数 十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量， 2013 年一般的电脑芯片以这种方式浪费了 72%-81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。石墨烯独特的性能与其电子能带结构紧密相关。石墨烯电子能带结构以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的势作为微扰，可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分布。在狄拉克点(Dirac Point)附近展开，可得能量与波矢呈线性关系(类似于光子的色散关系)，且 在狄拉克点出现奇点(singularity)。这意味着在费米面附近，石墨烯中电子的有效质量为零，这也解释了该材料独特的电学等性质。主要应用编辑石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验 证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的，是它那许多“极端”性质的物理性质。因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界 上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的 1/300，远远超过了电子在一般导体中 的运动速度。在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30 摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究 成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔， 作为基础材料的石墨烯前景也被看好。有数据显示 2013 年全球对手机触摸屏的需求量大概在 9.65亿片。到2015 年，平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片，为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏，相信 大规模商用指日可待。另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表 面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池 有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源 汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成 果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用.发展前景编辑全球市场美国俄亥俄州的 Nanotek 仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性， 开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为，未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后，将带来电池产业的变革，从而也促使新能源汽车产业的革新。2013 年初，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的 1000 倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电， 同时可用于制造体积较小的器件。6 微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。当前主要制造微型电容器的方法是 平板印刷技术，需要投入大量的人力和成本，阻碍了产品的商业应用。以后只需要常见的DVD刻录机，甚至是在家里，利用廉价材料30 分钟就可以在一个光盘上制造100 多个微型石墨烯超级电容。 正是看到了石墨烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化， 进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，设立专项研发计划，未来 10 年内拨出 10 亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所（NGI），力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。2015年1月，西班牙Graphenano公司（一家以工业规模生产石墨烯的公司）同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电 力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。Graphenano公司计划于2015 年将此电池投入生产，并且计划与德国四大汽车公司中的两家（现在还不方便透露公司名称）将在本月和电动汽车进行试验，韩国的三星电子也在从事旨在硅表面添加石墨烯涂层的硅基阳极物质的研究。如果该研究能够取得 成功，锂离子蓄电池的寿命将会提高到2倍以上。在作为下一代蓄电池而被热切期待的锂空气电池中，通过使用具备三维构造的多孔材质石墨烯作为阳极材料，获得了较高的能量利用效率和100次以上的充放电性能。如果电动车使用这种新型电池，则巡航里程将从目前的 200 公里左右增加到 500-600 公里左右中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新 的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了 7 英寸石墨烯触摸屏中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性。 中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特瑞、正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家上市公司 的代表参加了西班牙的石墨烯会议，并分别与意大利、瑞典代表团签订了深度战略合作协议，为“石 墨烯全球并购，中国整合”战略打响了第一枪。此外，3 月初全球首批3 万部量产石墨烯手机在重庆 发布，开启了石墨烯产业化应用的新时代。石墨烯入选“十三五”新材料规划已经基本落定，预计2015 年将成为中国石墨烯产业爆发元年，2015 年12 月20 日，京津冀石墨烯产业发展联盟在京成立，未来将形成以河北唐山为中心， 跨越京津冀等地区，集生产、研发、检验检测、融资服务等为一体的石墨烯产业集群，形成京津冀战 略性新兴产业高地。预计到2017 年底，将实现20 亿元以上的年产值2016 年 4 月 27 日全球首款 在广州宣布成功研发问世，这一技术将电子纸的性能提升到一个新的高度，也为石墨烯的产业化开创了一个全新的空间，标志着我国在石墨烯应用上已经走在了世界的前沿。广州奥翼与重庆墨希共同开发出能够替换ITO薄膜的石墨烯薄膜，以及相应的电子墨水配方和涂布工艺，使电子墨水能够涂覆于石墨烯薄膜上形成石墨烯电子纸。由于其独有的特性，石墨烯被称为“神奇材料”，科学家甚至预言其将“彻底改变21 世纪”。曼彻斯特大学副校长Colin Bailey教授称：“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片