石墨烯的应用现状及发展
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摘 要：石墨烯是由sp2方式杂化的C-C键排列而成的单原子厚度蜂窝状晶体结构，具备极其优异的力学、热学和电学性能，是目前发现的性能优异的材料，近年来受到化学、物理、材料、能源、环境等领域的极大重视，应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。而分子模拟技术作为一种新的研究方法，在石墨烯研究中的应用具有重要的启发和指导意义。本文结合分子动力学模拟来讲述单层石墨烯的部分性能，并对未来石墨烯的应用前景做出预测。
关键词：石墨烯;应用现状;分子动力学研究
1 引言
石墨烯是由单层六角元胞碳原子构成的蜂窝状二维晶体，2004年首先由曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫小组发现，它是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，它的发现推翻了“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下存在”的认识。同时，石墨烯也成为了材料学和物理学领域的研究热点。石墨烯的奇特之处就在于其具有独特的电子结构：价带（π电子）和导带（π*电子）相交于费米能级处（K和K′点），是一种禁带宽度几乎为零的半金属/半导体材料。
2 石墨烯的应用现状
2.1 生物材料领域
石墨烯类材料在生物领域中，其所具有的氧化石墨烯可以用来制成纳米抗菌材料，之所以具有抗菌性，是因为其对大肠杆菌细胞膜的破坏。由于具有丰富的材料来源，这种新型的晶体材料未来有希望在环境检测和临床医学领域得到广泛应用[1]。
2.2 薄膜材料领域
石墨烯与传统的铟锡氧化物（ITO）相比，石墨烯具有更高的导电性、较好的柔韧性和丰富的资源。是一种新型的二维纳米材料。卢瑛等[2]采用界面聚合法，考察了该膜对氯化钠的截留性能及耐氯性，并制备了GO-PA（聚酰胺）/PSF（聚砜）混合基质反渗透复合膜。结果表明，其分离性能优于聚酰胺膜，且具有较好的耐氯性。随着氧化石墨烯含量的增加，膜的通量增大，当添加量为0.005%时，膜具有最大通量，为63L/（m2?h）。这一切都得益于聚酰胺反渗透膜填充氧化石墨烯后。
2.3 催化材料领域
董如林等[3]在水性体系中合成了TiO2/GO复合光催化剂，他们是采用了钛酸四正丁酯及氧化石墨烯作为原料。他们发现，当氧化石墨烯添加量超过5%时，样品为TiO2/GO复合物，而且TiO2/GO复合光催化剂的活性随着GO复合量的增加而增大，并在10%时达到最高。何光裕等[4]发现氧化石墨烯与ZnO纳米颗粒之间存在电子转移效应，他们制备的ZnO/氧化石墨烯复合材料中，抑制ZnO中光生电子空穴对的复合，提高了ZnO的可见光催化性能。
2.4 其他领域
石墨烯不仅在以上方面有所应用，还将在其他领域发挥巨大的效能，如用于光子传感器、纳电子器件、作太空电梯缆线、高频电路、代替硅用于生产超级计算机等;近来人们研究的热点为石墨烯基质复合材料是以石墨烯与其他成分复合后制备的材料，同时具备石墨烯和所复合材料的优越性[5]。它可分为石墨烯-聚合物复合材料、石墨烯-无机复合材料和其他石墨烯复合材料3类[6]，石墨烯可用于制造风力涡轮机和飞机机翼，在增强复合材料方面体现了优异的性能，超越了碳纳米管。此外，石墨烯可用作催化剂载体、热传输媒体、吸附剂等，石墨烯的优异性能和特殊结构使得其具有广泛的应用前景。
3 石墨烯的分子动力学研究
通过使用AIREBO势函数对单层石墨烯薄膜的拉伸性能和弛豫性能进行分子动力学模拟，使之在不同温度条件（0K-3000K）下，研究单层石墨烯在拉伸过程中力學性能与温度效应的关系以及弛豫过程中温度效应对其原子结构的影响。研究结果表明：理想状态下单层石墨烯的弛豫是一个原子结构的动态平衡过程， 随着温度升高， 石墨烯稳定性降低， 弛豫过程中原子的波动起伏变得不规则和剧烈起来。单层石墨烯的弛豫性能和拉伸性能均对温度具有很强的依赖性。在温度从0K上升到3000K的过程中， 单层石墨烯的拉伸强度、拉伸极限应变和弹性模量值均呈现下降趋势， 且锯齿型石墨烯的弹性模量对温度的依赖程度比扶手椅型大，薄膜的拉伸随温度变化表现出不同的破坏形态。
通过分子动力学方法，还研究了单层石墨烯在不同温度下的弛豫和拉伸性能。结果表明， 单层石墨烯的弛豫和拉伸性能都具有很强的温度效应。此外，单层石墨烯的弛豫是一个伴随着内部和边缘原子起伏的动态平衡过程，原子起伏程度随着温度升高加深， 当温度高于1500K时， 薄膜边缘开始出现不规则原子起伏形态， 石墨烯所具有的稳定性降低。在温度从0K上升到3000K的过程中， 单层石墨烯的拉伸强度、拉伸极限应变和弹性模量值均呈下降趋势， 且Ey对温度的依赖性大于Ex. 当温度低于2100K时， Ey大于Ex， 当温度高于210 K时， Ey小于Ex， 单层石墨烯的各向异性性能也受温度影响。单层石墨烯在两个方向的拉伸变形随温度升高表现出不同的破坏形态[7]。
4 石墨烯未来潜在应用展望
4.1 石墨烯触控屏应用
石墨烯触控屏产品将部分取代ITO触控屏。与之相比，当前市场中的触控产品以 ITO（氧化铟锡）为主，然而石墨烯触控屏的性能更出色，且具有宽温度适应性和柔韧两大特点。当前，韩国三星公司和成均馆大学研究制造了63cm宽的纯石墨烯后并用该石墨烯制造了柔性触控屏;国内二维碳素、第六元素均已经有传感器、触控组件量产。国内外均已有石墨烯触控屏研发成功并投产。
4.2 生物医学
石墨稀量子点具有良好的光学性质，并且生物相容性良好，其可以广泛使用于肿瘤治疗、细胞成像、生物检测、 纳米药物运输系统、生物成像、生物传感器等生物医学领域的研究。
4.3 穿戴设备
目前不可任意弯曲、自由伸缩的柔性显示屏和原材料并没有应用到其中，这将限制智能穿戴设备的使用方式。使可穿戴设备在适配人体结构上存在致命缺陷。石墨烯具备柔韧、透明、导电性能高的优点，它可以任意变化，更好适配人体，实现消费突破。石墨烯在未来将会更好地适配可穿戴设备。
参考文献：
[1] 肖淑娟，于守武，谭小耀.石墨烯材料的应用及研究现状[J].化工进展，2015（5）：1346.
[2] 卢瑛，赵海洋，张林，等.含氧化石墨烯混合基质反渗透复合膜的制备及性能研究[J].中国工程科学，2014（7）：84～88.
[3] 董如林，莫剑臣，张汉平，等.二氧化钛/氧化石墨烯复合光催化剂的合成[J].化工进展，2014（3）：679～684.
[4] 何光裕，侯景会，黄静，等.ZnO/氧化石墨烯复合材料的制备及其可见光催化性能[J].高校化学工程学报，2013（4）：663～668.
[5] 吴春来，樊静.石墨烯材料在重金属废水吸附净化中的应用[J].化工进展，2013（11）：2668～2673.
[6] 李光彬，侯朝霞，王少洪，等.石墨烯复合材料的研究进展[J].兵器材料科学与工程，2014（3）：122～126.
[7] 黄凌燕，韩强.单层石墨烯温度效应的分子动力学模拟[J].中国科学杂志社，2012（3）：319.
作者简介：
徐立静（1998-）女，汉族，山东泰安，青岛理工大学土木工程学院在读本科生，青岛266033。
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